研究区位于腾格尔坳陷东北缘,属于二连盆地铀成矿带,坳陷周缘火山岩、侵入岩为砂岩型铀矿提供了丰富的物源,下白垩统赛汉组发育的控矿沉积体系良好,晚白垩世坳陷整体抬升,发育有利于地下水补、径、排的“剥蚀型窗口”,有利于铀矿的形成和保存^[1,2]。在前期带钻普查工作中,在腾格尔坳陷内的阿其图乌拉、都日木、那仁宝力格、布图莫吉、赛汗莫力吉等地区发现了铀矿化信息,尤其是在2019年度铀矿勘查中,在都日木凹陷发现了工业铀矿化孔,铀矿化主要赋存在赛汉组古河道砂体中,铀成矿环境优越^[3,4]。识别下白垩统赛汉组砂体的空间展布形态有利于一下步铀矿找矿工作。研究区揭露的赛汉组及其砂体多分布在600 m以浅,在此勘查深度内,CSAMT测量具有较好的效果^[5,6,7,8]。2012~2020年,核工业航测遥感中心在二连盆地完成CSAMT测线约2 000 km,并圈定了多处砂体,探索了古河道的发育特征,为铀矿勘查提供了资料。为了腾格尔坳陷深部找矿工作取得突破,开展CSAMT测量工作识别下白垩统砂体十分必要。

腾格尔坳陷为一个北断南超型的脊状坳陷,位于二连盆地东南部,EW向展布,东临大兴安岭隆起,西北临苏尼特隆起,南临温都尔庙隆起,为赛汉塔拉复向斜,呈现多凸多凹的格局。研究区位于腾格尔坳陷东北缘的都日木凹陷(图1),北西端延伸至苏尼特隆起,南东端延伸至那仁宝力格隆起。都日木凹陷是复合箕状凹陷,北西和南东部边界受断裂控制。研究区基底为华力西期花岗岩体、古生界变质岩。

研究区沉积盖层主要包括侏罗系、白垩系和新近系等,找矿目的层为下白垩统赛汉组,赛汉组下段发育冲积扇—湖沼沉积体系,未见规模较大且延伸稳定的砂体,广泛发育湖沼沉积,是寻找同沉积叠加后生氧化改造型铀矿的有利层位。下白垩统赛汉组上段砂体规模大,成熟度高,延伸稳定,上覆新近系泥岩,下伏赛汉组下段泥岩,垂向上形成“泥—砂—泥”的互层结构。

为分析研究区电阻率特征,收集了6个钻孔资料,钻孔编号:TZK1-6、TZK1-7、TZK1-13、TZK1-18、TZK1-19、TZK1-22。以TZK1-18孔为例(图2):孔深0~115 m段为新近系上部泥岩的反映,孔深115~232 m段为下白垩统赛汉组砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩的反映,孔深232~365 m段对应于下白垩统赛汉组以泥岩为主的沉积层位(夹薄层砂岩、砂质砾岩),孔深365 m以下为下白垩统赛汉组以含砾粗砂岩、粗砂岩为主的沉积层。

结合其他钻孔编录与测井电阻率分析,新近系顶部泥岩由于受干旱气候影响,与底部泥岩相比其测井电阻率偏高,为10~20 Ω·m,呈现相对中阻特征,底部泥岩测井电阻率值为5~10 Ω·m,呈现相对低阻特征。找矿目的层下白垩统赛汉组顶部砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩,测井电阻率10~25 Ω·m,呈现相对中阻特征;下白垩统赛汉组中部泥岩夹薄层砂岩,测井电阻率为5~10 Ω·m,呈现相对低阻特征;下白垩统赛汉组底部的含砾粗砂岩、粗砂岩测井电阻率一般为15~40 Ω·m,呈现相对中阻特征。

根据收集、整理的钻探及测井电阻率资料(表1),新近系+第四系与下白垩统赛汉组相比呈相对高阻特征;下白垩统赛汉组泥岩、粉砂岩电阻率为5~10 Ω·m,砂质泥岩、泥质砂岩或泥岩砂岩互层电阻率为10~40 Ω·m,砂砾岩、砾岩、中粗砂岩电阻率最高可达55 Ω·m,找矿目的层赛汉组砂体发育且厚度较大,与上覆、下伏的泥岩电阻率有较大差异;下白垩统火山碎屑岩、变质岩、火成岩基底呈现相对高阻电性特征。

总结了收集到的钻孔资料,统计分析了其测井电阻率分布特征。正演计算采用有限单元法进行正演研究,设计网格单元为40×40,采用14个测量频点(1、2、4、 8、16、32、64、128、256、512、 1 024、2 048、4 096、8 192 Hz)模拟20个测量点的视电阻率,利用EM2D.exe建立了正演初始模型(图3),同时生成可供反演的数据文件。

模型第一层为新近系顶部砂岩,h₁=18 m,ρ₁=15 Ω·m;第二层为新近系中部泥岩, h₂=54 m,ρ₂=5 Ω·m;第三层为新近系底部砂岩、砂质砾岩、中粗粒砂岩, h₃=48 m,ρ₃=20 Ω·m;第四层为下白垩统赛汉组顶部泥岩, h₄=132 m,ρ₄=5 Ω·m;第五层为研究区找矿目的层,岩性为下白垩统赛汉组砂体, h₅=218 m,ρ₅=15 Ω·m;第六层位于模型底部,根据测井电阻率值, ρ₆=5 Ω·m。深部无钻孔资料,以钻孔深部电阻率延伸至 1 000 m。本次研究重点是下白垩统赛汉组的砂体,至下白垩统赛汉组泥岩即终止钻探,缺乏深部下白垩统基底钻孔资料,因此,模型的建立未涉及下白垩统基底。利用频率的对数值及电阻率、相位成图,其正演结果如 图4所示。

数据反演前,需要对测量数据进行远区数据选取,本次远区数据一般为2~4 Hz。目前常用的反演方法有非线性共轭梯度方法和奥可姆反演,本次采用奥可姆反演方法,利用SCS2D.exe软件进行了初始模型和反演参数的反演实验^[9],反演迭代次数选择8次,RMS模型约束残差为0.567,RMS观测计算数据残差为1.812,均方根反演残差为1.44,残余变化百分比为1.78%,RMS步长0.006时终止反演。

3.2.1 初始模型的选择

反演软件提供了4种初始模型,分别为2D Moving average of data、2D Moving avg Bostick of resistivity、2D Moving average of 1D model和uniform resistivity,图5为4种不同初始模型的处理结果,处理参数均为系统默认。从图中可以看出,4种初始模型的反演结果总体上呈现为6层结构,与正演模型基本一致。结合钻探资料分析,不同模型反演结果均较为客观地反映了该区地电特征,电性层与地质情况基本吻合。2D Moving average of data模型在沉积较为稳定的地质背景下反演效果较好(图5a),其反演电阻率值最高为25 Ω·m,相对其他模型,其反演电阻率与设计模型最为接近,因此,本次数据处理采用的初始模型为2D Moving average of data。

3.2.2 第一层厚度的选择

初始模型第一层厚度主要影响反演电性层的埋深及厚度,进而影响资料解释的准确性。第一层厚度应参照钻探资料进行取值。选择已知钻孔TZK13-1孔旁的正演数据对初始模型第一层厚度的取值进行反演对比分析(图6)。

TZK13-1揭露:新近系总厚度约115 m,测井电阻率呈相对中阻—相对低阻—相对中高阻特征;下白垩统赛汉组厚度约为335 m,测井电阻率曲线表现为低阻—中阻特征,其中上部低阻层厚约115 m,第二段中阻层厚约220 m。从图6分析,电性特征与钻探资料较为吻合,未能造成电性层数量的减少或增加,在纵向上均表现为5层结构,呈中阻—低阻—中高阻—低阻—中阻特征。但不同第一层厚度取值反演电阻率断面图各电性层的深度与厚度却出现明显差异:①第一层厚度为45 m时,第二至第五电性层顶界面埋深逐渐增大,其厚度与钻孔揭露地质情况存在较大差异;②第一层厚度为25 m时,除第一与第二电性层外,第三至第五电性层较薄且整体向上偏移,与钻孔资料吻合度较差;③第一层厚度为35 m时,各电性层反映的埋深、厚度与钻孔揭露情况较为吻合。因此,数据处理时第一层厚度选择为35 m。

3.2.3 圆滑系数的选择

ResSmth参数主要控制反演模型数据拟合度与模型粗糙度,取值大则数据拟合度小,模型较平滑,会滤掉部分地质信息;取值小则数据拟合度高,模型较粗糙,可能引入假的地质信息。为了选取合适的ResSmth系数,在数据反演之前,选择了已知钻孔(TZK13-1)旁的正演数据进行了反演对比分析。

图7为TZK13-1旁的正演数据选择0.20、0.40、0.60 ResSmth系数时的反演结果对比。由图可见,断面图的反演结果基本一致,均表现为5个电性层,呈中阻—低阻—中(高)阻—低阻—中阻分布,其分层结果基本相同,但电性层的反演电阻率数值、等值线密集度和形态存在明显差别:当圆滑系数为0.2时,由于数据拟合度太高,反演电阻率等值线密集并呈团块状分布,部分数值出现整体偏高;当圆滑系数等于0.6时,深部反演电阻率等值线稀疏,数值较小,深度、厚度与钻探结果差别较大,不能客观反映本区地质情况;当圆滑系数为0.4时,反演电阻率断面图与钻探揭露的地层、岩性的埋深、厚度基本一致,分层明显,能正确反映本区的地电结构。因此,数据处理时圆滑系数取值0.4。

研究区布置NW向CSAMT测线3条(L01~L03),线距4 km,每条测线长度16 km,点距100 m,共480个测量点(图8)。仪器采用GDP32电法仪。3条剖面具有相似的电性特征,以L01线剖面(图9)为例进行说明。

L01测线长度18 km,主要穿越苏尼特隆起、都日木凹陷及南部的那仁宝力格凸起,地表为第四系所覆盖。其第一、二电性层位于反演电阻率断面顶部,横向上呈连续分布,两个电性层总厚度平均约110 m,最大厚度达190 m,等值线呈水平层状分布。第一电性层反演电阻率值10~25 Ω·m,相对中阻特征,第二电性层反演电阻率值小于10 Ω·m,推断为新近系,岩性以泥岩为主。由于受干旱气候影响,浅部泥岩的电阻率偏高。

第三电性层的顶界面呈近似水平分布,底界面由凸起向凹陷中心缓倾,至断面平距6 500 m附近,其厚度达640 m,从上至下反演电阻率以相对中(中高)阻夹低阻、相对低阻形式出现。反演电阻率值小于10 Ω·m的低阻背景区,等值线呈水平层状、似层状分布,结合地质资料,推断为下白垩统赛汉组泥岩。断面平距4 300~14 750 m段呈现相对中阻(夹持<10 Ω·m的低阻带),顶界面呈近似水平分布,底界面呈波状起伏,但整体向西缓倾,厚度由南向北逐渐增大,等值线密集,电阻率一般大于10 Ω·m,中心电阻率可达250 Ω·m,呈现相对中阻—中高阻特征,推断为下白垩统赛汉组砂体。另外,此中阻体夹持的低阻带分布于断面平距7 500~10 800 m段,电阻率小于10 Ω·m,总体呈透镜状分布。该低阻带推测为赛汉组上段辫状河道含水层(富水带)的反映。

第四电性层主要位于断面图底部,电阻率由浅至深逐渐增大,深部可达几千 Ω·m,表现为相对中高阻—高阻特征,推断为前白垩纪基底。结合地质资料,认为断面平距0~4 500 m段,岩性推断为变质岩及燕山—华力西期侵入岩;断面平距4 500~14 700 m段,岩性推断为下白垩统变质岩,亦可能有下白垩统腾格尔组及阿尔善组;断面平距14 700~18 000 m段,岩性推断为变质岩及燕山—华力西期侵入岩。

根据在3条测线中圈定的砂体,制作了研究区下白垩统赛汉组砂体顶界面埋深及厚度图(图10)。砂体主要穿越3条测线,呈NNE向分布,区内控制长度约17 km,面积约250 km²,主要位于都日木凹陷东部。砂体顶界面埋深及厚度总体由NE—SW逐渐减小,最大埋深及厚度位于研究区中南部,最大埋深约210 m,最大厚度约480 m,在研究区北东部,由于后期构造运动的作用,基底隆起造成下白垩统赛汉组及其砂体埋深及厚度减小,最大埋深约100 m,最大厚度约200 m。

结合地质资料与CSAMT圈定的砂体的空间展布形态分析,在都日木凹陷北侧为凹陷沉积中心部位,推断解释的砂体在此段主要发育河流相沉积,呈蛇曲状分布,水动力方向为NE—SW,位于研究区南部的那仁宝力格凸起北缘的富水构造带(见图9、图10)为都日木凹陷提供了有利的水动力条件,为下白垩统赛汉组砂体的形成提供了物源。古河道主要发育于早白垩世晚期(赛汉期)的断、拗转换阶段,河道中心部位(河道滞流沉积)岩性以中粗粒砂岩、砾质砂岩、砂岩为主,其两侧及上部则以(边滩相、堤岸亚相、河漫滩相)砂岩、泥为主;另外,赛汉组上段顶部泥岩与赛汉组下段泥岩,构成古河道砂体的隔水顶、底板,空间上具有泥—砂—泥互层的地层结构,整体上较稳定、连续且具有一定的规模,反映出该地层发育河流相沉积体系。

通过收集研究区钻孔测井电阻率数据特征,结合沉积地层、岩性特征,建立新近系泥岩—赛汉组上段砂体—赛汉组下段泥岩低阻—高阻—低阻的电性组合模式,为砂体的圈定提供了依据。研究表明:下白垩统赛汉组砂体在研究区呈NE向展布,顶界面埋深及厚度总体由NE—SW逐渐减小,最大埋深及厚度位于研究区中南部,最大埋深约210 m,最大厚度约480 m,至研究区北东部,由于后期构造运动的作用,基底隆起造成下白垩统赛汉组及其砂体埋深及厚度减小,最大埋深约100 m,最大厚度约200 m;下白垩统赛汉组砂体为河流相沉积,水动力方向为NE—SW,位于研究区南部的那仁宝力格凸起北缘的富水构造带为都日木凹陷提供了有利的水动力条件,为下白垩统赛汉组砂体的形成提供了物源。

CSAMT测量对砂体的识别高效、有效,在相似地段可推广使用。