音频大地电磁法、地面高精度磁法在黑龙江三江盆地西部铀矿资源勘查中的应用

2023-12-27张志勇腰善丛陈聪何中波汪硕周俊杰

世界核地质科学 2023年4期

张志勇，腰善丛，陈聪，何中波，汪硕，周俊杰

（1.核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；2.中核江西矿业有限公司，江西南昌 330006）

在我国，铀矿资源的重要性不可忽视。作为重要的核能资源，铀矿不仅为我国的核电发展提供了可靠的燃料，促进了我国节能减排和环境保护目标的完成。同时，铀矿资源还满足了国防设施的核燃料需求，提升了国家安全和防御实力。因此，在我国发展核能产业的过程中，铀矿资源的供应和开发具有重要的战略意义，寻找铀矿资源刻不容缓。在现代矿产勘探中，大地电磁法（MT）和磁法是寻找地下铀矿矿体常用的技术手段。

在（音频）大地电磁法方面，前人的研究成果从多个方面验证了该方法在探测铀矿成矿环境方面的作用［1-11］，其中汪硕等利用MT 验证了在马尼特坳陷玄武岩覆盖区有较好的砂岩型铀矿找矿前景［1］；李波等基于陕西省华阳川硬岩型铀矿勘查区研究工作表明AMT 能在硬岩型铀矿攻深找盲、外围有效探测［5］；张濡亮等将印模技术引入到音频大地电磁（AMT）二维数值模拟中提高了基底的反演解释的准确性，为相山地区的基底后续解译工作提供了新的手段［6］；段书新等基于鹿井铀矿田西部龙头地区的实测研究表明AMT 与MT 的组合提高了探测深度、精度和准确性，为鹿井矿田西部铀资源潜力预测及评价提供了新依据［7］；胡英才等基于二连盆地伊和高勒地区砂岩型铀矿的地电模型开展了AMT 和宽频大地电磁测深的数值模拟，通过对两种方法在不同模型中的正反演效果对比表明：在该地区的砂岩型铀矿探测中，使用宽频大地电磁法要优于AMT［11］。

在磁法方面，前人研究认为高精度磁法能够有效识别断裂以及有明显磁性异常的隐伏岩体［12-20］，任伟龙等针对喀喇沁旗四十家子地段构造，用高精度磁法测量对本地段铀矿勘查工作起到了指导作用［13］；陈虎基于伊型盆地层间氧化带砂岩型铀矿的化学磁性异常的正负值对应还原氧化地带表明该磁异常为砂岩型铀矿的标志性特征，可为我国北方地区砂岩型铀矿的预测提供新的依据［15］；程纪星等通过总结音频大地电磁测深法与高精度磁法在相山铀矿田西部铀的已有实测数据来对相山地区的铀矿进行预测［17］；乔宝强等采用音频大地电磁法与高精度磁法在江西河元背地区完成了实测任务，反演结果与打钻吻合程度较高，验证了AMT 与高精度磁法结合的有效性［18］；陈涛红等联合分析石泉铀矿区的高精度磁法和音频大地电磁测深法得到了隐伏伟晶状白岗岩体的深部延伸情况，为铀矿勘察提供了新的技术手段［19］。

综上所述，（音频）大地电磁法和高精度磁法不仅应用广泛，而且在铀矿勘探中发挥着重要的作用，两种方法应用范围的不断扩大和精确度的不断提高，以及基于两种方法优点的联合探测对于铀矿的勘探和开发具有重要的意义。本文运用音频大地电磁法与磁法实施联合解释，对黑龙江省三江盆地西部铀矿资源开展调查评价，初步探明了该区地下的地电情况。

1 研究区地质背景及目标层物性特征

1.1 地层

研究区地层由下白垩统城子河组、穆棱组、东山组、猴石沟组，上白垩统松木河组、古近系宝泉岭组、新近系富锦组组成（图1）。其中，城子河组和穆棱组属陆相含煤碎屑岩建造，下白垩统东山组和上白垩统松木河组为陆相火山碎屑—火山岩建造，目标层下白垩统猴石沟组为一套正常沉积的碎屑岩建造，是盆地断—坳转换期的沉积产物。盆地基底主要由前古生界麻山群、黑龙江群深变质岩系及元古宙混合花岗岩、华力西期花岗岩等共同组成。

图1 三江盆地西部研究区综合地层柱状图Fig.1 Comprehensive stratigraphic column in the western study area of Sanjiang basin

1.2 构造

黑龙江三江盆地西部属于三江盆地的一部分，它是中生代白垩纪的陆相断陷盆地，其西部为小兴安岭—张广才岭隆起，东侧为NE向的新生代汤原断陷和佳木斯隆起。

研究区主要的区域深大断裂有两条，一个是近SN 向的牧丹江断裂；另一个是NNE 向的依舒断裂。它们对鹤岗断陷的形成和发展具有重要作用。

1.2.1 牡丹江断裂

它由牡丹江向北经依兰、汤原、嘉荫，过黑龙江进入俄罗斯境内，断裂呈SN 向展布，是地质、遥感和地球物理资料共同认定的大型岩石圈断裂。断裂在依兰附近被NE 向的依舒断裂带截切并发生错位。

牡丹江断裂为小兴安岭—张广才岭与佳木斯地块早古生代末的构造拼接边界（图2）。沿该带分布的黑龙江杂岩系即两个地块间洋壳俯冲、地块拼接的构造混杂岩带。该断裂带西侧为近SN 向的加里东花岗岩带，东侧分布的是黑龙江杂岩。杂岩中蓝闪石片岩的同位素年龄有两期：664～559 Ma 和410～440 Ma。从花岗岩和变质岩形成的年龄来看，该断裂带是工作区生成最早、切割深度最大，且活动时间很长，对区内的构造发展起重要作用的深断裂。

图2 研究区前中生代基底地块组合及深大断裂分布示意图Fig. 2 Schematic map of the pre Mesozoic basement block combination and distribution of deep and large faults in the study area

1.2.2 依舒断裂

依舒断裂是我国著名的断裂构造带，是郯庐断裂带北延分支之一，呈NE 向。该断裂表现为密集的重力梯度带，断裂带由两条近平行的主干断裂组成，形成两侧相对抬升，中间沉降的地堑式断裂带，宽8～30 km。

依舒断裂的形成时间和演化历史存在较大的争议，一般认为依舒断裂形成时间较早，可能为古生代。但从该断裂控制的汤原断陷中发育有厚度达3 500～4 000 m 古近系、新近系陆相碎屑岩沉积来看，喜山运动应是它最活跃的时期。

1.3 研究区物性参数

根据煤炭和石油系统成果资料，研究区主要是第四系、新近系和白垩系地层，同时存在部分前中生界的地层，各岩层物性参数统计如表1 所示。

由以上的统计结果可见，第四系底部砂砾石视电阻率较高，属高阻低磁岩性，可以作为确定第四系厚度的标志层位；玄武岩类不仅视电阻率高，磁化率、密度也较大，属高阻、高磁、高密度层；火山岩类、花岗岩类及前中生界基底各类岩石，视电阻率、密度较大，与玄武岩差别不大，但磁性略低，属中磁性层；沉积岩类视电阻率、磁化率、密度很低，属无磁或弱磁、低阻低密度层，与上述岩层存在明显的物性差异。

此外，沉积地层中泥岩、粉砂质泥岩的电阻率普遍比砾岩、砂砾岩、粗砂岩低。这些物性差异特别是电性差异为本区开展电磁勘探工作以及利用电磁法研究基底的起伏及沉积盖层的结构提供了一定的物性前提。

1.4 研究区测井资料

研究区开展过钻探研究，由统计表（表2）可知，第四系泥、泥岩视电阻率为44 Ω·m，表现为低阻特征；砂砾岩视电阻率为137 Ω·m，表现为中高阻特征；细砂岩视电阻率为164 Ω·m，表现为中高阻特征。松木河组安山岩视电阻率为286 Ω·m，表现为高阻特征；粗砂岩、砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩视电阻率分别为103、134、112 和207 Ω·m，表现为中高阻特征。泥（岩）、含砾泥岩、碳质泥岩、细砂岩和中砂岩视电阻率分别为41、45、62、84 和62 Ω·m，表现为低阻特征。猴石沟组粗砂岩、砾岩、煤、泥质粉砂岩和砂砾岩视电阻率分别为120、129、130、105 和126 Ω·m；粉砂岩、粗砂质泥岩、泥（岩）、细砾岩、细砂岩和中砂岩视电阻率分别为56、21、46、31、76 和65 Ω·m，表现为中低阻特征。基底花岗岩的视电阻率为464 Ω·m，表现为高阻特征。

表2 研究区内不同岩性电性特征统计表Table 2 Statistical result of electrical characteristics of different lithology in the study area

2 方法原理及工作部署

2.1 方法原理

2.1.1 音频大地电磁法

音频大地电磁法（AMT）是利用天然大地电磁场作为场源，测定地下岩石的电性参数并通过研究地电断面的变化了解地质构造从而达到找矿、找水等目的的一种频率域电磁法。

2.1.2 地面高精度磁法

磁法勘探是利用地壳内各种岩（矿）石间的磁性差异所引起的磁异常来寻找有用矿产查明地下地质构造的一种地球物理勘探方法。

2.2 工作部署

本次AMT 测量工作采用加拿大凤凰公司的MTU-5A 仪器进行，共完成664个测点，点距约为100 m。测线位于三江盆地西部地区，具体位置见图3，3 条测线均为EW 向剖面。磁法采用加拿大的GSM-19T磁力仪进行测量，共完成68.1 km的磁法剖面测量工作，点距约为40 m，总长度为68.1 km，剖面位置与音频大地电磁法相同（图3）。

图3 三江盆地西部研究区音频大地电磁法、磁法测线部署图Fig. 3 Deployment map of audio-frequency magnetotelluric and magnetic survey lines in the western study area of Sanjiang basin

3 物探结果及解释

AMT 数据反演选取TM 和TE 模式数据，采用带地形的非线性共轭梯度（NLCG）算法进行二维反演。工区测线的综合地质解译主要是结合测区内物性、钻孔及地质等资料，对3 条AMT 剖面的反演结果及磁法数据处理结果进行了地质层位的标定，并推断解译了各剖面的断裂发育特征及地层结构。具体分析如下：

3.1 A1 线AMT 剖面反演结果、磁法数据处理结果及其地质解译

A1 测线位于工区中部，全长23.1 km，为EW向剖面，方位角为90°。地表自西向东依次跨越不同地层，分别为：第四系（300～2200 m）、猴石沟组（2 200～2 800 m）、松木河组（2 800～4 800 m）、猴石沟组（4 800～5 300 m）、松木河组（5 300～6 900 m）、猴石沟组（6 900～7 400 m）、松木河组（7 400～9 200 m）、第四系（9 200～23 100 m）和白岗质花岗岩（23 100～23 400 m）。

从A1 线磁异常△T曲线图（图4）中可见，A1 剖面磁异常呈现跳变的特征。幅值范围约为-1 000 至1 000 nT，其极值出现在剖面2 000至4 000 m处，推测是由于地表出露的松木河组K2s中基性火山岩引起。在剖面4 000至12 000 m 出现形态类似的三段磁偶形态，同样是由于上白垩统松木河组火山岩引起，其中剖面10 000 至12 000 m 处第四系下可能存在隐伏火山岩。剖面19 000 至21 000 m 处异常幅值达到200 nT，推测地下存在隐伏安山岩。剖面中部第四系覆盖区以及最东段岩体磁场表现平稳。

图4 A1 线AMT、磁法综合解译成果图Fig.4 AMT and magnetic method comprehensive interpretation results chart of line A1

A1 剖面主要的电性结构大体可分为三段，西段和东段的电阻率较高，中段电阻率较低。0 ～ 8 000 m 为西段，其主要可以分为浅地表覆盖薄层第四系，在2 800 m 处出露断裂F3，该断裂为盆内断裂，倾向W；向西该段深部为基底，其电阻率较高。在剖面约3 800 m处推断存在一断裂F4，该断裂为盆内断裂，倾向向西；在剖面约7 200 m 推测存在一断裂F1，该断裂为盆内断裂，倾向向东。8 000～22 000 m为中段，其从浅到深大致可分为第四系覆盖层、松木河组、猴石沟、基底（华力西期侵入岩体或马山群及黑龙江群）。 22 000～23 400 m 为西段，该段为γ4华力西期侵入岩体，其电阻率值较高。在剖面约21 800 m 推测存在一断裂F2，该断裂为盆原断裂，倾向向西。

3.2 A2 线AMT 反演剖面结果、磁法数据处理结果及其地质解译

A2 测线位于工区南部，全长23.9 km，为EW 向剖面，方位角为90°。地表自西向东依次跨越不同地层，分别为：混合花岗岩（100到600 m）、城子河组（600 到1 000 m）、穆棱组（1 000 到2 400 m）、东山组（2 400 到3 400 m）、松木河组（4 400 到6 700 m）、第四系（67 00 到16 300 m）、松木河组（163 00 到16 900 m）、第四系（16 900到23 200 m）和白岗质花岗岩（23 200 到24 000 m）。

由A2 线磁异常△T曲线图（图5）可见，A2剖面磁异常呈现两端平稳中部跳变的特征，异常范围为-1 500～1 400 nT。其中剖面4 000～8 000 m 处，磁异常形态明显，结合地质及物性资料，解译是由于地表出露松木河组K2s玄武安山岩引起。剖面1 500 ～ 18 000 m 出现一段连续跳变高值形态，解译是由于上白垩统松木合组火山岩出露引起。剖面7 000 ～15 000 m磁异常表现为相对稳定高值，推测第四系覆盖下可能存在安山岩，尤其是12 000 m 处存在安山岩的可能性极大。剖面17 000～24 000 m 处异常相对平稳，推测是第四系覆盖区以及花岗岩体的反映。高磁岩体中的低磁位置可能是由于断裂破碎造成磁性降低。因此，在剖面4 000 m 处可能存在断裂构造，倾向根据磁异常结果难以判断。此外，剖面18 000 m 处高磁场和平稳磁场的分界线也可能存在构造。

图5 A2 线AMT、磁法综合解译成果图Fig. 5 AMT and magnetic method comprehensive interpretation results chart of line A2

A2 剖面主要的电性结构大体可分为三段，西段和东段的电阻率较高，中段电阻率相对较低。0 ～ 4 400 m 为西段，其主要可以分为东山组、穆棱组、城子河组及元古代侵入岩γ2，其电阻率值相对较高，在剖面约600 m 处出露一断裂F5，该断裂为盆原断裂，控制边界，倾向向东；在剖面约4 400 m 处出露一断裂F6，该断裂为盆内断裂，倾向向西。4 400～23 200 m 为中段，其从浅到深大致可分为第四系覆盖层、松木河组、猴石沟组及东山组，其电阻率值相对西段偏低。23 200～24 000 m 为西段，该段深部为2γ地层，其电阻率值较高。在剖面约23 200 m 推测存在一断裂F2，该断裂为盆原断裂，控制边界，倾向向西。

3.3 A3 线AMT 反演剖面结果、磁法数据处理结果及其地质解译

A3 测线位于工区北部，全长21.1 km，为EW 向剖面，方位角为90°。地表自西向东依次跨越不同地层，分别为：马山群及黑龙江群（100 到400 m）、猴石沟组（400 到800 m）、松木河组（800到2 500 m）、猴石沟组（2 500到4 400 m）、第四系（4 400 到12 000 m）、猴石沟组（12 000到14 000 m）、第四系（14 000 到19 800 m）、马山群及黑龙江群（19 800 到21 200 m）。

图6 中，A3 剖面主要的电性结构大体可分为三段，西段和东段的电阻率较高，中段电阻率相对较低。0 ～ 2 500 m 为西段，其主要可以分为松木河组、猴石沟组、马山群及黑龙江群，其电阻率值相对较高，在剖面约2 500 m 处出露一断裂F1，该断裂为盆内断裂，倾向向东。2 500 ～ 19 800 m 为中段，其从浅到深大致可分为第四系覆盖层、猴石沟组、东山组和马山群及黑龙江群，其浅部电阻率值相对较低，深部电阻率较高。19 800 ～ 21 200 m 为西段，该段深部为马山群及黑龙江群，其电阻率值较高。在剖面约19 800 m 处推断存在一断层F2，该断裂为盆原断裂，倾向向西。

图6 A3 线AMT、磁法综合解译成果图Fig. 6 AMT and magnetic method comprehensive interpretation results chart of line A3

4 钻探验证

研究区开展过较多的钻探工作，以A3 线为例。从A3 测线附近电阻率测井曲线及钻孔揭露情况可以看出，A3 测线北侧三个钻孔猴石沟组的视电阻率曲线表现为“低阻-高阻-低阻”特征，其基底的视电阻率为高阻；A3 测线南侧两个钻孔猴石沟组的视电阻率表现为“低阻”特征。同时，由钻孔揭露情况来看，从北至南，猴石沟组和基底的埋深越来越大。A3 测线中部（也即盆地内）从浅到深大致可分为第四系覆盖层、松猴石沟组、东山组和马山群及黑龙江群，其浅部电阻率值相对较低，深部电阻率较高。A3 剖面的电阻率反演结果与上述钻孔资料吻合较好，从而验证了本研究反演结果的准确性，同时也说明AMT 方法可以有效区分工区内的主要地层。

综上所述，在该地区使用AMT 方法能够比较准确探测目标层的埋深及空间展布特征，可为砂岩型铀矿探测提供可靠的地球物理依据。