综合物探方法在新城子盆地五间房地区铀矿勘查中的应用

2024-04-24余弘龙王殿学王常东唐国龙

东华理工大学学报(自然科学版) 2024年1期

余弘龙, 黄笑, 王殿学, 王常东, 唐国龙, 于兵

(核工业二四三大队,内蒙古赤峰 024000)

内蒙古自治区林西县新城子盆地为火山塌陷盆地,20世纪60—80年代通过小比例尺的航空放射性测量和地面普查在该盆地发现了一系列铀异常点,但缺少地面揭露工作,仅对盆地西南缘48号铀矿点开展了槽探工作。2010年以来,前人对新城子盆地开展了遥感解译、地表及钻探查证工作(吴燕清等,2020,2023)。根据遥感资料可知,新城子盆地五间房北部48号铀矿点位于火山口塌陷中心,铀矿化主要产于各火山塌陷口的环状构造内,火山岩覆盖层厚度大于1 500 m,各岩性的物性差异主要由与铀成矿相关的赤铁矿化蚀变及岩石构造破碎引起。通过取样分析,发现该地区有较好的铀矿化,且铀矿化与断裂构造、蚀变密切相关,表明该地区有较好的铀找矿前景(吴仁贵等,2011)。

前人多采用地表地质调查,小比例尺的航放工作配以少量的槽探及钻探揭露,成矿认识还停留在区域成矿研究阶段,对具体地段的成矿规律认识不足(吴燕清等,2020)。由于缺少大比例尺物探工作,造成地表放射性情况不明,构造信息较少,无法判断已知构造的规模及性质,找矿工作难度较大。地面伽马能谱能直接快速获取地表铀、钍、钾元素的含量与分布情况。高精度磁测仪器携带轻便、数据采集准确、断裂及地层(岩体)划分有效,配合具有勘探深度大、横向分辨率高、高阻屏蔽作用小等特点的CSAMT方法,能更好推断断裂的分布、延伸情况及探测隐伏矿体(李波等,2018;梁新强等,2021)。本次综合运用伽马能谱、高精度磁测与可控源音频大地电磁测量等物探方法,查明研究区放射性、断裂等分布情况,为下一步找矿工作提供参考。

1 地质概况

1.1 区域地质背景

研究区位于新城子次级火山盆地西南缘(图1),西北侧受NE向上账房断裂控制(F5),东北与西南侧受NW向官地东及其次级断裂控制(F10),东南侧受NE向的大板-扎鲁特旗断裂控制。盆地基底由太古界片岩,志留-泥盆系板岩、变质砂岩、灰岩,上二叠统林西组、中二叠统哲斯组沉积岩(板岩)组成。盆地火山岩发育,以上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组、白垩系白音高老组的火山碎屑岩及中酸性火山岩为主(剡鹏兵等,2023)。火山活动多韵律、多旋回的特点有利于铀元素活化、富集。满克头鄂博组为区内铀成矿主要的铀源和含铀目的层。区内发育受火山机构控制的潜火山岩,主要为早白垩世花岗斑岩与晚侏罗世正长斑岩、闪长玢岩,它们多以小岩株、岩脉、岩枝形式产出,一般为火山活动晚期产物,其成分类似同期火山岩,相当于火山旋回演化晚期的剩余岩浆产物。脉岩发育,可见花岗岩脉、花岗斑岩脉、正长斑岩脉、安山岩脉,受断裂构造控制明显,以NE、近EW向为主。晚侏罗世花岗斑岩与铀成矿关系密切(余弘龙等,2021)。

图1 研究区区域地质图Fig.1 Geological map of the research area

1.2 研究区地质特征

研究区主要出露玛尼吐组的砂砾岩、安山岩,满克头鄂博组的凝灰岩、火山碎屑岩、熔结凝灰岩及第四系坡积物、黄土。侵入岩主要为正长斑岩、花岗斑岩等。区内脉岩较为发育,主要出露正长斑岩、安山岩、花岗斑岩及流纹斑岩。地表发育的各方向的次级断裂与赤铁矿化蚀变关系较为密切。

48号铀矿点揭露到的铀矿体主要受NW向断裂控制,赋矿围岩均为上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组岩石。地表经槽探揭露发现工业铀矿体2条,其中Ⅰ号矿体长16.50 m,厚1.10 m,品位0.050%～0.092%;Ⅱ号矿体长20.30 m,厚0.70 m,品位0.050%～0.085%。经钻探查证,深部发现铀工业矿体2条,矿体顶板埋深249 m,厚0.71～4.28 m,品位0.050%～0.116%(吴燕青等,2023)。

2 岩石物性特征

为获得研究区内不同岩石的物性参数特征,采集了地表及钻孔岩芯样品,并进行了相应的物性参数测量工作。

2.1 放射性参数特征

研究区主要地质体的eU、eTh、K含量背景值、标准偏差、变异系数见表1。玛尼吐组的英安岩、安山岩及满克头鄂博组的凝灰岩、火山碎屑岩、熔结凝灰岩中eU、eTh、K含量相对较高,其中满克头鄂博组熔结凝灰岩为该地区的富铀岩石,背景值为3.44×10-6。各地质体中eU的变异系数较大,表明该地区热液活动强烈及岩石蚀变发育,使得铀迁移分配重新富集(于兵等,2022)。

表1 研究区主要岩石eU、eTh、K含量统计

2.2 磁性及电性特征

各地质体磁性差异比较明显,白音高老组磁化率最高,上侏罗统次之,上二叠统、志留-泥盆系与岩体最低(表2)。

表2 研究区岩石电性及磁性参数统计

不同地质体电阻率差异比较明显(表2),上二叠统、志留-泥盆系呈高阻,而白音高老组、上侏罗统、岩体呈中低阻。各地质体电阻率的变化范围较大,同时期地质体不同岩性电阻率变化范围也较大,可能是受构造及变质作用的影响(任宏等,2017;宋豪等,2021)。

综上所述,区内地质体磁性、电性差异明显,为物探方法的开展提供了有利的物性基础。

3 物探工作

3.1 工作方法及资料处理

3.1.1 地面伽马能谱测量

结合研究区地质情况与物性特征,笔者选用了地面伽马能谱测量、高精度磁测及CSAMT测量开展工作。

地面伽马能谱测量采用RS230便携式伽马能谱仪,仪器通过了国防科技工业1313二级计量站标定,仪器准确稳定。本次测量面积13 km2,测量网度为100 m×20 m,测量过程中保证测量条件为2π,基本测量点9 424个,检查测量点1 439个,检查比例为15.27%,数据真实可靠。

伽马能谱测量数据需进行正态检验,结果表明测区铀、钍、钾含量数据基本符合正态分布。先计算所有测点的背景值(X)及标准偏差(S),剔除大于等于X+3S的数据,再按测区内主要地质体分别计算铀、钍、钾含量的背景值,以大于等于3X的标准来划分铀、钍、钾异常。

3.1.2 高精度磁法测量

高精度磁测采用GSM-19T型质子磁力仪,在测量前后均进行了仪器检查。本次测量面积20 km2,测量网度为100 m×40 m,测量前所有测量人员均进行去磁工作,测量过程中探头高度始终保持在1.8 m,基本测量点10 251个,检查测量点1 120个,检查比例为10.93%,数据真实可靠。高精度磁测数据均进行了日变改正和正常场改正。

3.1.3 CSAMT剖面测量

CSAMT共设计2条剖面,按东西向布置,从南至北依次命名为X1和X2。采用赤道偶极装置的标量测量方式,水平磁场垂直于场源布设,水平电场平行于场源,观测点在发射极中垂线上60°的扇形区域内;根据研究区内收发距试验及全频段测深曲线,选择12 km为收发距,最低观测频率为16 Hz。

CSAMT数据利用仪器自带的处理软件CMT-Pro进行预处理,主要将受干扰影响偏离较大的频点数据和进入近区的数据剔除。地形改正根据测点的标高进行网格划分,由生成的一个带地形的二维地电模型进行正演、反演计算。本次测量剖面地形高差为50～150 m,需进行地形改正。

经预处理后的数据运用Occam算法对相位与电阻率进行迭代计算,以确定反演模型的电性分布,其本质是实测数据求一个多层电阻率模型的最光滑解,模型的拟合度及粗糙度以均方误差来衡量,数据拟合误差最小即为最佳模型。最终将计算出的最小误差模型数据网格化即可绘制反演视电阻率断面图。图2为电阻率、相位与最小误差模型数据的拟合曲线图,所有测点拟合误差均小于5%。

图2 X1剖面6号测点视电阻率(相位)拟合曲线Fig.2 Fitting curve of apparent resistivity(phase)of No.6 measuring point of X1 section

3.2 地面伽马能谱测量推断解译

3.2.1 能谱资料解译依据

地面伽马能谱成果划分标准如下:

(1)异常点:eU、eTh、K含量≥3X,且受一定层位(岩性)或构造控制;

(2)异常带:异常分布受同一层位(岩性)或构造控制,其长度连续在20 m以上,或总长度大于40 m,长度变异系数在50%以上的断续异常。

上述成果划分完成后再根据表3进行铀钍异常的性质划分。

表3 铀钍异常点、异常晕划分标准

3.2.2 地面伽马能谱成果解译

研究区内铀、钍、钾含量在第四系中相对较低,在玛尼吐组与满克头鄂博组中含量较高,区内铀、钍、钾高值晕圈多呈条带状或椭圆状沿NE、NW及EW向断续分布,其位置也多处于构造部位或岩体内外接触带,显示放射性异常受构造控制明显(图3)。按eU≥9×10-6划分为4个铀异常带,其中U-1长360 m,宽170 m,最高铀含量263.30×10-6;U-2长350 m,宽100 m,最高铀含量153.74×10-6;U-3长600 m,宽90 m,最高铀含量75.36×10-6;U-4长500 m,宽80 m,最高铀含量42.21×10-6。将eU等值图与eTh、K、eTh/eU的等值图进行对比分析,结果显示U-1、U-2、U-3、U-4主要受断裂、蚀变带及岩性界线控制,呈NE、NW、EW向展布,异常区内的钍、钾含量也相对偏高,其中U-1、U-2及U-3异常区内的eTh/eU为低背景值区,其主要受岩石发育较强烈的赤铁矿化及硅化控制,为铀富集的有利区域(罗齐彬等,2022)。

图3 研究区能谱测量等值图Fig.3 Contour map of energy spectrum measurement in the research area

3.3 磁异常特征及推断解译

3.3.1 磁测资料解译依据

磁异常(ΔT)等值线平面图是磁法推断解译的基础图件,结合实测地质资料,在地质推断解译时主要考虑以下两方面:

(1)平稳强磁场区域,推断解译为安山岩或安山质火山碎屑岩的综合反映;平稳弱磁场区域,推断解译为凝灰岩、砂砾岩、粉砂岩的综合反映(颜嘉庆等,2021;周乾等,2019)。

(2)断裂的推断解译依据为磁异常分界线,通常可解译为规模较大的断裂带;串珠状磁异常、磁场等值线的疏密突变、扭曲带等也为断裂带的磁异常反应(郗昭等,2021)。

3.3.2 研究区磁异常特征

根据ΔT等值线平面图(图4)可知,区内磁场总体特征为“北西强、南东弱”,可划分为三个不同特征的磁场区,即西部强磁场区、中部弱磁场区及东南部跃变磁场区。

图4 研究区ΔT等值线平面图Fig.4 Contour map of ΔT in the research area

(1)西部强磁场区。轴向总体呈NE向展布,磁异常场值一般大于50 nT。该区南部磁场相对北部较强,其值一般大于100 nT,最高可达750 nT,强磁场区域总体为等轴状或带状,呈NE向分布;北部磁场幅值一般为0～100 nT,局部分布星点状弱磁异常区,其值小于0 nT。该区南部出露较大面积的上侏罗统玛尼吐组安山岩、英安岩,北部亦有局部出露的安山质凝灰岩、安山质砂砾岩等。结合磁异常特征,推测该强磁场区主要由中性的上侏罗统玛尼吐组岩石引起,且南部地层较厚、埋藏深度较浅,北部受风化剥蚀的影响,局部有少量残留。

(2)中部弱磁场区。轴向总体呈NNE向展布,该区磁异常值一般为-60～0 nT,磁场变化较为平稳,局部有等轴状强磁异常。该区地表主要出露上侏罗统满克头鄂博组晶屑凝灰岩、酸性熔岩,厚度较大且地层产状较缓,因此该区总体呈平稳的弱磁场特征。

(3)东南部跃变磁场区。磁异常总体呈正负跳跃变化,呈NE、EW向串珠状、等轴状分布,磁异常最大值为400 nT,弱磁场分布面积相对较大,磁异常值一般小于-60 nT,最小值为-900 nT。该区主要出露上侏罗统玛尼吐组、满克头鄂博组岩石及中性的正长斑岩,局部覆盖第四系。玛尼吐组岩石主要为安山质凝灰岩、砂砾岩等,满克头鄂博组岩石主要为晶屑凝灰岩、含角砾(集块)凝灰岩、酸性熔岩等,推测该区弱磁场主要由酸性的满克头鄂博组岩石引起,而团块状强磁异常则为中性岩体及中性玛尼吐组岩石的综合反映。

3.3.3 断裂推断

高精度磁测结果解译断裂有14条(图4),分别为:NE向主干断裂F1-1、F1-2、F1-3、F1-4、F1-5;NW向主干断裂F2-1、F2-2、F2-3、F2-4;次级断裂F3-1、F3-2、F3-3、F3-4、F3-5。

3.4 CSAMT资料推断解译

3.4.1 CSAMT资料解译依据

根据CSAMT反演电阻率的变化,结合实际地质资料进行解译推断。异常解译主要考虑如下两种情况:

(1)横向上电阻率的变化往往为构造特征的反映,其产生垂向的梯度带中心一般解译为构造中心。纵向上的电阻率变化多为岩性的变化,其产生的横向梯度带中心一般可解译为岩性分界线。其中相同地层不同岩性之间有相似成岩环境,岩石电阻率相似,由此电阻率的变化位置可以解译为地层界线(黄力军等,2006)。

(2)已知的地质资料是推断解译的条件,相同岩石的电阻率受压力、温度及含水量等影响会造成电阻率的差异,不同的断裂性质也会造成电阻率的不同。因此推断解译应以已知地质资料为准,分析产生电阻率差异的原因,得到符合实际情况的解译(林建勇等,2020;孟凡兴等,2017)。

3.4.2 CSAMT成果解译

CSAMT反演电阻率断面总体表现为垂向等轴状或带状高阻梯度带夹低阻带的特征(图5),根据研究区内施工的钻孔情况,结合物性参数特征可知,钻孔揭露地层依次为低阻的第四系、中低阻的上侏罗统(玛尼吐组的砂砾岩、满克头鄂博组的晶屑凝灰岩及熔结凝灰岩),未揭露到厚度较大的高阻岩体或脉岩,由此该剖面下伏地层岩性解译为上侏罗统满克头鄂博组岩石。根据梯度带的倾向与延伸情况可推断断裂的倾向与断裂间相互截切的关系,其中F2-1产状表现为近直立。由于此处为F2-1与NE向的F1-1交会部位,电阻率断面反映为近直立的高阻突变的梯度带。F1-2、F1-4被F2-1断裂截切错断,电阻率断面反映低阻梯度带与高阻梯度带的扭曲以及深部延伸情况较差。F2-3为F2-2的次级断裂,电阻率断面反映高阻梯度带向深部延伸情况较差。图5为X1剖面反演电阻率断面与推断解译结果,自西向东的低阻梯度带中心与高阻梯度带突变位置解译为8条断裂,分别为F1-2、F1-3、F1-4、F2-1、F2-2、F2-3、F2-4、F3-1。图6为X2剖面反演电阻率断面与推断解译结果,总体与X1剖面相似,结合地质与磁测成果,自西向东的低阻梯度带中心位置解译为5条断裂,分别为F1-1、F1-2、F1-4、F2-2、F3-2。

图5 X1号综合剖面图Fig.5 Comprehensive section of X1

图6 X2号综合剖面图Fig.6 Comprehensive section of X2

4 综合物探成果分析及验证

结合地质特征将各方法成果相互对比发现,同一部位异常叠合越吻合,其成矿条件越有利。

高精度磁测与CSAMT剖面解译的断裂高度吻合(图4至图7),由强磁场及串珠状磁异常的扭曲可推断区内总体是NE向断裂被NW向断裂错断,并根据CSAMT反演剖面的电阻率断面可推断断裂的倾向方向,二者分析对比可大致确定研究区的构造格架。其中F1-2与F1-4断裂之间电阻率断面表现为横向高阻带,磁场特征也表现为平稳的弱磁场区,根据钻孔揭露情况可知,该处为稳定的上侏罗统岩石。

图7 研究区综合成果图Fig.7 Comprehensive results map of research area

图8 ZK1、ZK4、ZK5钻孔剖面图Fig.8 Drilling profile map of ZK1,ZK4,ZK5

地面伽马能谱测量圈定4个铀异常区,分别为U-1、U-2、U-3、U-4。其中U-1、U-2与NW向赤铁矿化蚀变带及NE向断裂密切相关,位于F1-2与F1-4断裂之间的平稳弱磁场区(图4),电阻率断面表现为宽大的横向高阻带(图6),综合异常可信度较高;U-3、U-4与磁法解译的F3-5及F1-5位置相吻合(图7)。

据地面伽马能谱放射性异常分布特征分析可知,研究区铀矿化主要受NE向大板-扎鲁特旗断裂的次级断裂控制。该断裂也为黄岗梁-乌兰浩特深大断裂带的组成部分,晚侏罗世因板块活动,使该断裂复活,导致盆地内发生多次火山喷发,沉积了厚大的中酸性火山岩,多期次岩浆热液活动为铀的富集提供了流体条件。另外构造相互交会截切,在致密的岩石中创造了扩容空间,为含矿热液的上侵及赋存提供了有利的空间条件(李英宾等,2020)。

综上所述,F1-4与F1-2之间的区域各项物探异常吻合度高,为成矿有利区域,并在区内施工了5个钻孔进行验证,结合槽探布设的ZK4、ZK5钻孔揭露到厚大的构造破碎带,验证了F1-2断裂的存在,累计揭露铀异常层厚度达30 m,但品位较低,推测该断裂为区内的控矿断裂。ZK1、ZK2、ZK3钻孔沿走向追索U-1铀异常(图7),揭露到了较好的工业铀矿体,矿体顶板埋深249 m,厚0.71～4.28 m,品位0.050%～0.116%。通过钻探揭露情况证实了综合物探方法的有效性,以ZK1钻孔为例,孔内岩石较为完整,发育次级的断裂构造及厚大的赤铁矿化、硅化等蚀变,地层岩石特征与磁异常和CSAMT反演电阻率断面相吻合。该地段也是本次圈定铀找矿靶区的优选区(图6,8)。

本次采用的找矿方法均结合了实际地质情况。该地段矿体与断裂密切相关,因地表岩石破碎,已知地表断裂无法推断深部的断裂分布情况,必须借助物探方法来对深部的地质情况加以分析,又由于缺少第四系浮土盖层,无法使用土壤测氡的方法,故选择了直接读取铀、钍、钾含量的地面伽马能谱测量方法,并圈定出研究区铀、钍、钾的分布情况。根据该地段岩石磁性差异的特点,选择了能有效划分断裂分布的高精度磁测。又由于该地段矿体赋存深度小于400 m,故优先选择具有横向分辨率高、高阻屏蔽作用小等特点的CSAMT方法,而非选择具有更大勘探深度的音频大地电磁法,由此能更好地推断断裂的分布、延伸情况及寻找隐伏矿体。各方法的有效性均在上述分析中得到了证实。