“十五”以来,随着我国铀矿找矿工作向深部“第二空间”的不断深入,对深部地质探测技术提出了更高的要求与挑战,如盆地个别次级构造单元中需解决1 500~2 000 m深的盖层结构、基底构造与目的层砂体发育特征以及断裂构造等地质问题^[13],而目前铀资源评价中常采用的可控源音频大地电磁法(CSAMT)、高频大地电磁法(EH-4/AMT)等深部地质探测技术,因方法本身存在的诸如场源引起的近区效应、频带窄、频点稀等技术问题,以及某些覆盖区厚低阻层(如松辽盆地北部、二连盆地)对电磁波的吸附效应,造成上述方法在实际应用中出现探测深度偏浅、分辨率低、岩性分层效果差等情况^[4-5],有时难以达到地质目标任务的预期。因此,为适应新时代铀资源评价工作对深部地质勘查技术的新需求,拓展新技术、新方法、新仪器的应用,不断提升深部地质探测能力就十分必要,且势在必行。

宽频大地电磁法(BMT)通过宽频(10^-2~10⁴Hz)数据采集,基本实现AMT和MT同步采集,在有限的时间内既获得了较为丰富的数据资料,又提高了探测深度与精度^[67]。基于二连盆地砂岩型铀矿大基地建设以及铀矿资源勘查与评价需要,为提升铀矿勘查效果与效益,在盆地满都拉图地区开展了宽频大地电磁法(BMT)试验应用,以期整体提高对盆地深部的地质探测能力,为区内铀矿资源勘查与评价提供有效的技术支撑。

BMT的基本原理(图1)与MT和AMT的测量原理相同,依据不同频率的电磁波在导体中具有不同的趋肤深度,在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列,经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。

BMT与EH-4/AMT、 MT均为天然场采集方法,不需要人工场源,只是频率范围不同,从而引起其探测深度和分层精度不同。4种方法数据采集频率范围如图2所示。

EH-4/AMT数据采集频率范围为10~100 kHz,CSAMT数据采集频率一般为0.5~10 kHz,MT数据采集频率范围在10^-3~340 Hz。而BMT数据的采集频率范围,根据铀矿勘查工作需求初步设定在10^-2~10 kHz,可同时兼顾EH-4/AMT的中高频段与MT低频段,增大了深部信息。

CSAMT采用的是人工场源,其优点是信号强、稳定、抗干扰强,但易受近场影响。由于受收发距及发射电流的限制,对于盆地中大于1 000 m的厚覆盖区,小于1.0 Hz的频点因电磁场信噪比低,采集的数据已基本不可信,因此其低频段相较于BMT要窄。

MT单个测点数据采集耗时最长,探测深度最大,但浅部为盲区;EH-4/AMT最低频率最高,单个测点数据采集耗时最短,探测深度最浅,但浅部信息丰富;CSAMT探测深度中等,单个测点数据采集耗时较短,且中浅部信息丰富;BMT具有MT和AMT的双重优点,探测深度较大,是一种深部和中浅部兼顾的电磁方法^[8-9]。

试验区位于乌兰察布坳陷的北东部次级构造单元准棚凹陷中。根据钻探及周边地质资料^[10],基底地层主要由古元古界、新元古界、上古生界、下古生界及加里东—燕山期侵入岩组成,沉积盖层包括下白垩统、古近系始新统、新近系和第四系(图3)。

下白垩统包括阿尔善组、腾格尔组和赛汉组,其中赛汉组为本坳陷主要的含矿层位。阿尔善组(K₁a)主要发育冲积扇和扇三角洲沉积体系,岩性为紫色、灰白色砾岩、含泥砂质砾岩夹灰绿色、棕红色、深灰色泥岩。腾格尔组(K₁t)主要为湖相沉积,岩性为砂岩、砂砾岩及深灰色泥岩。赛汉组(K₁s)主要为一套河流—沼泽相沉积,与下伏腾格尔组和上覆地层均呈不整合接触。其下段为灰色泥岩夹炭质泥岩和褐煤层,在底部见砂质砾岩层;上段为绿灰色、灰色砂质砾岩、含砾砂岩夹灰色或棕红色泥岩,是二连盆地主要找矿目的层。

古近系始新统(E₂)岩性主要为灰绿色砂岩、砂质砾岩、泥岩,并夹有砖红色砂质泥岩及灰黄色、灰白色砂岩、砂质砾岩。

新近系包括中新统通谷尔组(N₁t)与上新统宝格达拉组(N₂b)。中新统下部岩性以浅黄色、灰白色、浅灰绿色含砾粗砂岩、砂质砾岩为主;上部为灰白色砂岩与杂色泥岩互层,局部夹有泥灰岩。上新统以洪泛沉积为主,岩性主要由褐红、浅红、浅绿、黄绿色块状泥岩、粉砂岩组成,局部夹薄层砂岩、泥砾岩,通常可见钙质结核、锰质斑点和结核,植物根系等,厚度稳定。

第四系主要为风成砂、砾岩。

断裂与褶皱构造在老地层中较发育,构造线方向以NE向为主,NW向其次,凹陷中构造形迹不明显。

表1为近年来核工业二〇八大队二连盆地钻孔测井电阻率资料统计结果^[11-12]。由表可见:①第四系沉积物的电阻率变化较大,整体表现为相对中高阻特征,但其分布较为局限,厚度一般小于10 m。②新近系与古近系整体表现为相对中高阻特征。③下白垩统赛汉组上段以砂岩为主,表现为相对中阻特征;下段以细粒沉积物为主,表现为相对低阻特征。下白垩统阿尔善组与腾格尔组主要为砂岩夹泥岩、粉砂岩,由于岩石埋藏深及压实作用,整体表现为相对中阻特征。④前白垩纪基底变质岩与火成岩类电阻率均较高,整体表现为高阻特征。由此可见,试验区地电特征明显,为方法试验提供了物性基础。

使用仪器为MTU-5A多功能电法仪2套,包括MTU-5A盒子2台,MTU-2EA盒子4台,MTC-150L宽频磁信号传感器4个。

BMT测量装置与AMT、MT布极方式相同,采用“一拖二”张量观测方式,即1台MTU-5A带2台MTU-3EA盒子。MTU-5A上测量2个电道和2个磁道,MTU-3EA盒子只测2个电道,磁道与MTU-5A共用(图4);E_x、H_x方向与测线方向一致,E_y 、H_y 方向与测线方向垂直。布极方位采用森林罗盘仪测定,布极方位误差小于1°;测距仪测量电极距(MN=50 m),极距误差小于1%。

为确保有效探测深度达到1 500~2 000 m的要求,在试验区准棚凹陷中心E14-5号钻孔旁进行了数据采集测试,测试时间为连续观测10 h。考虑到方法工作效率与效益,分别提取了40 min、60 min、80 min 3个不同观测时段得到的视电阻率测深曲线。如图5所示,3个不同观测时段的测深曲线形态基本相同,10³~10⁵ Hz为天然场盲区,信号不佳,测深曲线连续性相对较差,由于为浅部信息,数据处理中通过圆滑可基本消除对资料解释结果的影响;10^-1~10⁰ Hz为天然场较弱,仅有个别跳点,曲线基本连续,经综合考虑,选取本次方法试验的数据采集观测时间为60 min。

同时,根据测深电阻率初步统计:10⁰~10⁵ Hz的平均视电阻率为6.9 Ω·m,经理论公式计算,最低探测频率10⁰ Hz的最大探测深度为935.0 m;而10^-1~10⁵ Hz的平均视电阻率为7.4 Ω·m,最低探测频率10^-1 Hz的最大探测深度为3 062 m。因此,为确保达到测深要求,通过方法试验,最终确定最低探测频率为10^-1 Hz。

根据试验区主构造线呈NE走向以及收集的已知钻孔与浅层地震勘探剖面位置,布置NW向BMT试验剖面2条(图3),点距100 m,方向142°。BSY01剖面基本与2010年核工业航测遥感中心施工的D01浅层地震勘探剖面位置与方向基本一致,剖面长8.0 km,测点共81个。BSY02剖面穿过E14-5与E14-8两个钻孔,剖面长10.2 km,测点共103个。

数据处理包括预处理与反演处理。预处理主要由SSMT2000和MtEditor软件完成。通过SSMT2000软件将原始时间域数据转化为频率域数据,并对频率域数据在MtEditor软件下进行编辑,为下一步数据反演处理做准备。

反演处理采用经过静态校正处理后的TM+TE模式数据,由Zonge公司商业化软件SCS2D完成。根据已知钻孔与浅层地震资料的反复对比,最终确定了本次试验数据反演的主要参数^[13],即初始电阻率模型为二维平滑模型,第一层网格40 m,圆滑系数为0.4。

BSY01剖面位于试验区北东部,地表出露新近系中新统(N₁t)与上新统(N₂b)。图6为BSY01剖面反演电阻率及地质解释断面与浅层地震D01线叠加深度解释剖面,为便于对比,将电性断面的深度切到D01剖面的解释深度。

图6a为浅层地震勘探解释剖面^[14]。基于反射波形和波组特征对比、追踪,结合地质、物探、钻孔等资料分析,推断了标准反射层2个(T₀和T_g)、层序界面2个(T₁和T₂),在此基础上确定了各地震层序与地层的对应关系。其次,根据反射波特征推断断裂构造一条(F₁₁),该断裂为准棚凹陷北西侧的边界控制断裂。T₀层之上为微弱或空白反射,厚度40~50 m,为新近系地层。T₁层为下白垩统赛汉组(K₁s)与腾格尔组(K₁t)之间的分界面;T₂层为下白垩统腾格尔组(K₁t)与阿尔善组(K₁a)之间的分界面, T₁与T₂均为层序级界面;T_g层为超层序级界面,为前白垩纪基底的分界面。

由图6b可见,反演电阻率断面由浅至深,整体反映为明显的相对“中阻—低阻夹中阻—中阻—高阻”4层电性结构特征。第一电性层:位于断面顶部,反演电阻率大于6 Ω·m,等值线呈水平层状连续分布,表现为相对中阻特征,厚度40~50 m,推断为新近系砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩的综合反映。第二电性层:反演电阻率小于6 Ω·m,厚度210~600 m,解释为下白垩统赛汉组泥岩、砂质泥岩夹砂岩的综合反映;在该电性层的上部,分布有反演电阻率大于6 Ω·m的长条状、透镜状相对中阻体,解释为下白垩统赛汉组上段以砂岩、砂质砾岩及含砾砂岩为主的沉积层。第三电性层:反演电阻率为6~25 Ω·m,分布连续稳定,表现为中阻特征,厚度250~600 m,解释为下白垩统腾格尔组和阿尔善组砂岩、砂质砾岩夹泥岩的综合反映。第四电性层:位于断面底部,反演电阻率大于25 Ω·m,解释为前白垩纪基底。其次,解释F₁₁断裂一条,主要表现为向深部延伸的醒目低阻带,这与浅层地震资料解释结果基本吻合。

资料对比分析可见,BMT与浅层地震勘探资料的解释结果基本一致,尤其是前白垩纪基底与新近系以及F₁₁断裂的解释结果,只是下白垩统腾格尔组与阿尔善组电性相近,BMT资料进行了合并解释,其分层效果不如浅层地震勘探精细;其次是BMT资料反映的下白垩统赛汉组局部地段偏厚,与浅层地震勘探资料的解释结果稍有差异。

BSY02剖面位于试验区南西部,地表出露的地层为古近系始新统(E₂)、新近系中新统(N₁t)与上新统(N₂b),平距450 m与9 420 m分别为收集的E14-5、E14-8钻孔。图7为该剖面的反演电阻率断面及其地质解释。

由图可见,断面电性特征与BSY01试验剖面基本一致,由浅至深电阻率断面整体反映为明显的相对“中阻—低阻夹中阻—中阻—高阻”4层电性结构特征。第一电性层位于断面顶部,呈水平层状连续分布,电阻率大于6 Ω·m,为相对中阻,厚度为30~50 m,解释为古近系与新近系砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩的综合反映。第二电性层的电阻率小于6 Ω·m,其厚度整体表现为北西与南东端薄、中部厚的连续分布特征,最小厚度约200,中部最大厚度达1 400 m,解释为下白垩统赛汉组泥岩、砂质泥岩夹砂岩的综合反映;在该电性层的上部,一样存在电阻率大于6 Ω·m的中阻体,解释为下白垩统赛汉组上段的沉积层。第三电性层分布于断面平距0.4~10.2 km,反演电阻率6~25 Ω·m,分布连续,中部未探测到底板,表现为相对中阻特征,解释为下白垩统腾格尔组和阿尔善组砂岩、砂质砾岩夹泥岩的综合反映。第四电性层断续分布于断面底部平距0.4~1.7 km与7.6~10.2 km段,反演电阻率大于25 Ω·m,解释为前白垩纪基底。

其次,解释F₁₁断裂构造一条,主要反映为反演电阻率等值线密集带,该断裂为准棚凹陷北西侧的边界控制断裂。

本次试验区仅收集E14-5与E14-8两个钻孔^[15],分别位于试验剖面BSY02平距450、9 420 m处,其揭露深度相对较浅,均未揭穿下白垩统赛汉组(图8)。

E14-5钻孔揭露深度287.41 m。其中,0~38 m为古近系与新近系,测井电阻率表现为相对中阻特征;38~68 m为赛汉组上段砂岩、泥岩,测井电阻率表现为相对低阻特征;68~260 m为赛汉组上段砂岩、中粗粒砂岩、砂质砾岩和含砾中粗粒砂岩,测井电阻率表现为相对中阻特征;260~287.41 m为赛汉组下段泥岩、砂质泥岩,测井电阻率表现为相对低阻特征。

E14-8钻孔揭露深度178.35 m,未揭露到赛汉组下段。其中,0~27 m为古近系与新近系地层,测井电阻率呈现相对中阻;27~70 m为赛汉组上段砂岩、泥岩,为相对低阻层;70~178.35 m为赛汉组上段砂岩、中粗粒砂岩、砂质砾岩和含砾中粗砂岩,为相对中阻层。

为便于对比,将孔旁的反演电阻率断面纵向深度切到略大于钻孔的揭露深度。由图8可见,E14-5与E14-8两个钻孔旁的反演电阻率断面均反映出相对“中阻—低阻—中阻—低阻”4层电性结构特征,其解释结果与钻孔揭露情况基本一致,论证了BMT分层效果的可靠性与有效性。

1) BMT测试结果表明,为兼顾工作效率与效益,数据采集最低频率设定在0.10 Hz、观测时间为60 min,可确保二连盆地探测深度达到1 500~2 000 m,满足地质任务的需要。

2) BMT资料解释成果与浅层地震勘探结果以及已知钻孔揭露情况基本一致,但分层效果不如浅层地震勘探精细。

3) 资料对比分析表明,BMT在解决盆地盖层结构、基底构造与目的层砂体发育特征等地质问题上具有可行性,论证了方法的有效性。

4) BMT具有MT和AMT的双重优点,探测深度较大,岩性分层效果较好,作为一种中浅部和深部兼顾的大深度探测技术,在我国新时期的铀资源评价中将发挥积极的作用。