钾盐矿作为植物所需氮、磷、钾三大元素之一钾肥的主要原材料,关乎祖国农业发展大计,而钾盐矿产是我国大宗急缺矿种之一,每年超过半数消耗量需要从国外进口,价格受制于人,严重制约我国农业生产^[1]。呵叻高原钾盐矿作为世界最大固体钾盐矿床之一,与我国距离近、投资环境好,矿区所处的老挝和泰国都是中国友好邻邦,相对于世界其它主要钾盐矿区具有地缘、政治优势,目前已有十余家中国企业在老挝、泰国进行钾盐矿产勘探、开发投资,尤其在老挝的投资进展最快,目前已有开元、中农等企业生产的钾盐开始供给国内市场^[2,3]。

万象盆地位于呵叻盆地北缘,钾盐矿石以光卤石为主,厚度一般几十米至200米左右,目前钻孔揭露的最大厚度为238 m,少数钻孔见钾石盐矿层^[4],但通常厚度较薄、层位不稳定、横向连续性差,多不具备经济意义。光卤石矿体主要赋存于古近系塔贡组下段(E₁tg¹)顶部附近,埋深几十到六、七百米不等,地表均被第四系覆盖、地形起伏小、盆地内无基岩出露,地表地质调查难于奏效^[4,5]。万象盆地总体地质工作程度较低,仅2001年左右云南省地矿局做过相对系统的1:10万地质调查、重力测量等工作,其余均为各投资企业在所属矿区内开展的针对性勘查,目前主要以1:5万高精度重力测量为主,并以此作为勘探钻孔部署的主要依据。部分企业也开展过少量二维地震勘探工作,但由于使用炸药震源,当地民怨极大,协调困难,而且施工成本相对较高,难于开展大面积工作。近几年的钻探结果表明,由于靠近盆地边缘,地质构造、矿体赋存状态复杂程度远超预期,单靠重力测量结果指导布孔依据不足、失败钻孔(无钾盐矿层)较多。为此,受国内某投资公司委托,我们对其所属区块及邻近矿区钻井、测井结果进行分析研究,发现万象盆地钾盐矿储层——古近系塔贡组不同岩性层之间电性差异明显,具备开展电法勘探的地球物理前提;矿区内人文活动少、无明显工业干扰、电磁环境优越,适合开展以天然电磁场为场源的大地电磁测深工作。因此提议委托方在矿区内布置了三条AMT测深剖面,目的在于通过AMT剖面成果了解探测区内盐岩层展布特征及可能存在的地质构造,并结合钻孔结果分析大地电磁测深在本区地质条件下对钾盐矿勘探的方法有效性。

万象平原位于呵叻盆地西北三角形地带, 面积5 452 km²,据区域地质资料记载,盆地内地层自下而上为中侏罗统班辛黑组(J₂bx),白垩系普帕纳帕陶山组(K₁pp)、班纳德组(K₁bn)、班塔拉组(K₁bt),古近系塔贡组(E₁tg)、班塔博组(E_1-2bt)及第四系(Q)^[4,6](图1)。本区钻井终孔地层多为塔贡组下段石盐层,个别钻孔为班塔拉组(K₁bt)顶部碎屑岩,塔贡组上覆地层为第四系,厚度4.34~112.29 m,缺失班塔博组(E_1-2bt)。塔贡组为钾盐赋矿层位,矿石类型以光卤石为主,局部赋存钾石盐矿。塔贡组可分为三个沉积旋回(下段、中段和上段),每个旋回由碎屑岩和膏盐岩组成,光卤石矿层主要赋存于塔贡组下段(E₁tg¹)上部或顶部^[5,6,7,8]。钻孔资料显示塔贡组下段盐岩层在盆地内稳定存在(但其顶部或上部不一定存在光卤石矿层),盐岩层顶板埋深一百多至五百多米不等,本次工作区埋深多在500~600 m,底板埋深则通常在650~750 m左右。部分区域上段和中段盐岩层存在不同程度缺失,尤其在构造复杂区段缺失更为严重,构造发育区还存在泥岩与石盐交融形成混积岩的现象。受近EW向的挤压或张引活动影响,盆地内构造较发育,以NNW向纵断层、褶皱及近NS向横断层为主,其中塔贡向斜为控矿构造^[4],图1中③号向斜为塔贡向斜^[4,9]。本次工作区完成的1:5万重力测量结果(图2)显示测区附近可能存在多条NNE、NE向断层,具体见图2中红色虚线位置,推断断层附近等值线有明显的带状负异常特征,等值线密集、横向梯度变化大。

该区目标层段(塔贡组)包括三个沉积旋回,为盐岩与碎屑岩互层,盐岩层有厚度大、纯度高、结晶好等特点,碎屑岩以泥质、粉砂质成分为主,含少量石膏、石盐等。表1为测区附近5个钻孔地层电阻率统计表(钻孔编号为虚拟编号),每个层段幅值为该地层段三侧向测井结果平均值。这几口井第四系厚度在20 m以内,电阻率幅值与下伏塔贡组上段泥岩层相近,未做单独统计。从表中可以看出同一地层电阻率在不同钻孔测井结果中有一定差异,但同一钻孔内各地层的相对关系是一致的,塔贡组地层电阻率由浅至深的变化特征为:低(E₁tg^3-2)→高(E₁tg^3-1)→低(E₁tg^2-2)→高(E₁tg^2-1)→低(E₁tg^1-2)→次高(E₁tg^1-1光卤石矿层)→高(E₁tg^1-1石盐)。这一物性差异说明本次在区内开展电磁法探测有充分的地球物理基础。万象盆地盐岩层平均密度1.8~1.9 t/m³,砂泥岩层平均密度2.2~2.3 t/m³,盐岩层与砂泥岩密度差异明显。盐岩层在本区有相对低密度特征,已有钻孔表明低重力异常通常与盐岩层埋深浅、厚度大有关,如图2中条带状负重力异常(蓝色等值线)区中心部位盐岩层埋深仅百余米,厚度超过600 m;高重力异常则多与盐岩层埋深增大、厚度变薄相对应,图2中南部正异常区钻孔揭露盐岩层埋深超过500 m,厚度仅200余米。

野外工作布置了3条AMT剖面——L1、L2和L3,共计测点292个(见图2)。3条剖面均为EW向展布,其中L1线穿过已有钻孔,点距40 m,测线长1.16 km;L2和L3剖面长度分别为7.2、9.8 km,贯穿整个矿权区,L1与L2线距离200 m,L2与L3线距离500 m。如图2所示,L2和L3线穿过1:5万重力测量推断的3条NNE向断层(F1、F2、F3),剖面点距20 、40、100、200 m不等,F2和F3断层之间基本点距40 m、钻孔附近加密至20 m,F1、F2断层之间点距100 m,L3线东端出矿区部分点距为200 m。AMT数据采集使用德国Metronix公司生产的ADU-07e综合大地电磁法仪,共投入两套设备,仪器编号233、259。

为保证仪器工作的稳定性和一致性,在工作开始前和结束后均进行了一致性试验,图3、图4为开工前两套设备一致性试验所得电道和磁道时间序列叠加截图,从图中可以看出两台仪器电、磁场信号重合性好,可以在同一工区内共同使用。

每个测点数据采集时间为60 min,电极、磁棒按磁南北、东西布设,原始时间序列剔除干扰段信号(通过处理软件标记不让其参与后续计算)后经过快速傅氏变换(FFT)、频谱分析等得到每个测点xy、yx方向视电阻率(ρ_s)和相位(φ)曲线。本次数据经过处理后可用频段为5~16 000 Hz左右,图5为部分测点预处理所得视电阻率和相位曲线,从图中可以看出区内除1 000~2 000 Hz附近信号质量较差、视电阻率和相位跳跃较大外,其余频段所得曲线光滑、数据质量高,1 000~2 000 Hz信号质量下降可能与该频带天然电磁场信号弱有关。

为了确保数据质量,测区内共完成质量检查点20个,在剔除局部畸变频点后按规范给出的均方相对误差计算公式得出工作区视电阻率误差为±3.5%,阻抗相位误差为±4.2%,满足规范中检查点相对误差低于5%的要求。图6为L1线井旁测点原测量与质检结果视电阻率、相位叠加曲线,从图中可以看出两次测量所得曲线重合性非常好。

数据使用二维非线性共轭梯度法(NLCG)反演,该方法由Rodi和Mackie在2001年提出,是一种快速、稳定、收敛的二维反演计算方法,其主要优点是反演时可以避免直接求解雅可比矩阵,大大节省了计算量,而且与其他一些近似方法不同,不是用一维雅可比矩阵去构建二维雅可比矩阵,是真二维反演,具有较高的模型分辨率和反演稳定性,是目前广泛运用的一种大地电磁反演方法。NLCG反演目标函数采用Tikhonov等人构建的函数^[10]:

式(1)中:Ψ(m)为反演目标函数,Ψ₁(m)数据目标函数项,Ψ₂(m)为模型数据函数项(模型约束函数),λ为正则化因子(或拉格朗日因子)。式(2)中:d为需要反演的数据向量,m为模型参数向量,F是正演算子,e=d-F(m),是模型拟合差向量。式(3)中:L为网格单元二阶差分算子,Lm由网格单元中视电阻率值取对数后乘以拉普拉斯算子所得。二维反演就是求取目标函数极小值问题^[11],即:

在对剖面数据进行反演前,先对预处理所得视电阻率和相位曲线进行编辑和处理,包括畸变点剔除、阻抗张量分解、主轴旋转3个部分:①标记曲线中的跳跃频点,孤立的飞点会影响阻抗张量分解质量、降低反演拟合效果,因此需要将飞点进行剔除,不让其参与后续的计算和反演;②阻抗张量分解和主轴计算,分别利用了Bahr分解、相位张量、GB分解、完全三参数优化等多种分解方法,结合测区地质资料对比分析后最终选取了完全三参数优化分解结果,统计主轴方位L1线为4.8°,L2线为16.5°,L3线为16.8°;③将每条剖面数据旋转至主轴方位,并重新计算每个频点的视电阻率和相位值,此时数据才是两组相互独立的极化模式,即TE和TM模式,计算完成后需重复第一步对曲线中出现的飞点进行剔除,有明显静位移影响的做静校正处理。

上述预处理过程完成后分别对每条剖面进行TE、TM、TETM模式一维和二维反演,二维反演初始模型半空间电阻率为100 Ω·m。对比不同极化模式反演结果,结合区域、区内地质资料,最终L1线选择了TM模式反演结果,拟合差0.98,正则化因子τ=20;L2和L3线选择了TETM联合反演结果,正则化因子分别为20和10,拟合差分别为1.39、1.29,三条测线拟合效果较好。图7为三条测线最终二维反演结果剖面,图中三条剖面的相对位置与实际相符;L2和L3剖面中的红色线条为重力测量推断断层的大致位置;L1线中的红色竖线为钻孔位置及深度示意,紫色箭头所指位置为钻孔揭露的塔贡组上段盐岩层顶界面位置。

从3条剖面二维反演结果(图7)可以看出,本区1 km以浅电性结构有明显的层状分布特征,多为似水平层状结构,根据三个剖面电阻率变化特征,测区地层在纵向上大致可分为三个电性特征层: ①近地表至150 m左右,电阻率幅值相对较高,横向连续性差,为高、低阻体相间分布,电阻率幅值一般为十几至几十欧姆·米;②中部低阻层,深度多在150~500 m左右,电阻率幅值低于10 Ω·m,该低阻层较为稳定、横向连续性好;③深部高阻层,电阻率幅值自10 Ω·m左右随深度增加逐渐升高,除局部高阻异常区外,电阻率纵向梯度较小,横向等值线多呈似水平状,在剖面底部附近幅值一般在50 Ω·m左右。根据前述本区各地层电阻率相对关系(表1)及L1线上的钻孔揭露结果,上述三个电性特征层中浅部不均匀高阻层与钻遇的塔贡组上段(E₁tg^3-2)泥质粉砂岩、粉砂岩层对应,高阻异常应该是该套地层的响应,含水性、泥质含量等差异可能是导致该高阻层横向连续性差的主要因素;中部的低阻层(浅蓝-深蓝色填充)则与塔贡组上段(E₁tg^3-2)泥岩层埋深、厚度相当;低阻层的底部(电阻率幅值高于10 Ω·m,图7中青色填充部分顶界面)开始电阻率逐渐升高则可能是穿过塔贡组上部泥岩层进入盐岩层的标志,图7中L1剖面标注的石盐层顶界面为钻孔揭露结果,对应剖面中的电阻率为10 Ω·m左右,据此在推断本区盐岩层埋深时,将电阻率幅值为10 Ω·m的等值线作为进入盐岩层的标志。在上述深部高阻层顶界面(10 Ω·m等值线)之下至剖面底部电阻率幅值随深度增加逐渐抬升,未反映出塔贡组中、下段(E₁tg^2-2、E₁tg^1-2)碎屑岩层相对低阻的异常特征,究其原因可能是这两个层段厚度较薄且每个层段石盐含量相对较高所致(E₁tg^2-2厚80 m,上部75 m为含盐泥岩;E₁tg^1-2厚12 m,上部10 m为含盐泥岩,两个层段石盐含量均为20%左右),石盐占比增大会导致地层电阻率抬升,使之与盐岩层电性差异减小。

L2线1.6 km、L3线4 km附近有两个明显的高阻凸起,深部高阻层顶界面抬升至100 m左右,高阻体位置与图2重力异常图中北东向条带状负异常基本重合。根据前述地球物理特征,本区地层中盐岩层密度较低,低重力异常通常是由埋深浅、厚度大的盐岩层引起,在该负异常带北端附近施工了两个钻孔,异常带中心附近盐岩层埋深仅百余米,至635 m(未揭穿)均为高纯度石盐层,负异常带边部(距离中心位置1 km左右)盐岩层埋深就增大至500~550 m,是典型的盐隆起带。由此说明本区重力等值线图中展现的低重力异常带也应该是盐隆起(低密度体)的反应。AMT二维反演结果在负异常带位置电阻率有明显的凸起特征,呈似球状高阻异常,异常与钻孔揭露的盐隆起核部埋深相近、宽度相当,盐岩层又为相对高阻特征,说明该高阻异常是盐岩层隆起的响应无疑,进一步说明AMT反演结果可以较为真实地反应盐岩层赋存状态。高阻凸起两翼盐岩层埋深变化快(等值线下降明显)也与隆起两翼陡倾的特征符合。图7中高阻隆起两侧红色线条为重力测量推断的断层位置,从AMT结果推断可能为盐丘两翼斜坡,局部受盐隆起活动影响可能形成垮塌构造。

根据万象盆地钻探揭露结果,光卤石矿层通常位于构造活动弱、盐层埋深变化小、产状缓的盐丘附近,盐丘核部通常矿层厚度最大、埋深最浅^[4](班农刀矿区盐丘核部光卤石矿层厚约238 m)。L2剖面中东部4.6~6 km、L3剖面中东部6.2~8.2 km附近10 Ω·m等值线之下等值线呈近水平状展布,其东侧等值线缓慢抬升,说明该段盐岩层埋深、变化小,构造活动弱,有利于矿层保存,应该是剖面范围内的有利赋矿区段。L2线4.6 km、L3线6.2 km以西等值线埋深变化大,盐岩层顶界面有较明显的波浪状,还存在一个高阻凸起区,与上述区段埋深差300 m左右,重力测量结果也推断高阻凸起附近有构造存在,说明该区段构造活动比较强烈,不利于成矿或矿层受后期构造活动影响发生淋漓而流失。L1线上的钻孔位于上述构造活动剧烈区和平稳区边界附近(图7),该孔在610 m左右见十余米光卤石矿层(相对较薄),自160 m左右开始不断出现漏浆情况,取芯结果显示垂向裂隙十分发育。从图7可以看出,L1和L2剖面在钻孔附近埋深400 m以下电阻率等值线有上凸的现象(图中红色椭圆标注位置),这一特征说明该段盐岩层可能受其西部构造活动的影响形成局部隆起,仍属于构造活动相对剧烈区,这一隆起构造可能是导致钻进过程中漏孔严重、垂向裂隙发育、岩心破碎的主要原因。

图8为L3线重力异常剖面与AMT反演结果对比。从图中可以看出,剖面4 km左右低重力异常与AMT反演结果的高阻凸起是完全对应的,说明两种方法对规模较大的构造均有明显反应。重力剖面自5 km左右向东曲线呈近水平状变化,而AMT反演结果则显示盐隆起的边界可能在剖面6 km附近,只是自5 km起盐岩层倾角变缓。从这一对比可以看出,AMT反演结果对局部构造变化、盐岩层界面埋深变化的反应更为直观、细致,优于重力测量结果。

综上所述,通过AMT反演结果与附近钻孔、重力测量结果对比认为,AMT反演结果虽然无法对塔贡组不同岩性段进行详细划分,但可以直观反映塔贡组盐岩层顶界面埋深变化情况,从而根据盐岩层展布特征识别构造位置和盐岩层起伏情况分析构造活动强度,并以此为依据优选找矿靶区。也就是说,AMT可作为本地区间接找矿的主要物探手段之一,尤其适合在高精度重力测量的基础上开展精细测量,缩小找矿范围,提高钻探成功率。

1) 测区塔贡组中、下段碎屑岩层厚度偏薄、盐岩占比大,导致电阻率与上下盐岩层差异变小,难于通过AMT反演结果划分不同时段盐岩层及其间的碎屑岩层(在厚度大、盐岩占比小的区域或许可行),但可以直观反应塔贡组顶部盐岩层的埋深变化,并以此推断可能存在的地质构造、盐系地层展布特征等,达到间接找矿的目的。

2) 根据已有钻孔资料,就本区而言,以10 Ω·m等值线作为进入盐岩层标志的结论合理,与钻孔揭露情况吻合度较高。

3) 从AMT与高精度重力测量剖面对比结果可以看出,通过AMT反演结果可以获取更多地质信息,对分析矿体赋存位置、状态等有益,应该在面积性重力测量结果圈定的找矿靶区内开展高精度AMT剖面测量,进一步认识地质特征,缩小找矿范围,提高钻探成功率。

4) 抽取了不同点距数据进行反演试验,发现点距为40 m反应的盐岩层展布特征清晰,点距加密至20 m无明显改善,当点距大于100 m时难于勾绘盐岩层埋深局部变化(比如L1线钻孔处盐岩层的局部隆起特征无显示),因此建议使用AMT对万象盆进行地钾盐勘探时点距选择40 m左右,不宜超过100 m,作为成矿研究的控制性剖面点距不宜超过200 m。

5) AMT二维反演模型推断的盐岩层电阻率幅值在10~40 Ω·m左右,明显低于表1所列盐岩层电阻率,分析可能是受盐岩层上覆低阻泥岩层(电阻率为10 Ω·m左右)的影响所致。

6) AMT探测深度大、设备轻便、操作简单、对地表破坏小,相对于重力测量可以更直观的反应盐岩层展布状态、构造信息等,对找矿工作帮助大,尤其在构造相对复杂矿区更能体现其有效性,因此可将本方法作为万象盆地优选勘探手段之一。