自然電位法在層間氧化帶砂巖型鈾礦的應(yīng)用研究
——以新疆伊犁地區(qū)洪海溝礦床為列

劉慶杰，湯洪志

（東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院，江西撫州344000）

1 概述

在對(duì)“軟”巖型鈾礦的勘查中，自然電位法是運(yùn)用的最早的一種勘探方法。由于存在天然電場(chǎng)，因此不需攜帶人工電場(chǎng)，只需簡(jiǎn)便易攜帶的勘查工具便可完成勘探。因此，該方法的勘探成本較低，性?xún)r(jià)比較高。1815年，英國(guó)科學(xué)家P·佛克斯（P·Fox）首先在康瓦爾銅礦上觀察到由礦體本身產(chǎn)生的自然電流場(chǎng)，為后續(xù)對(duì)自然電位法在礦床上的勘查奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)對(duì)砂巖型鈾礦的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采進(jìn)展較為緩慢，從20世紀(jì)80年代中后期才開(kāi)始對(duì)砂巖型鈾礦的研究。在發(fā)現(xiàn)砂巖型鈾礦良好的發(fā)展前景后，于20世紀(jì)末期從國(guó)外引進(jìn)了大量相關(guān)研究成果并著手培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人才，為后期尋找大型層間氧化帶砂巖型鈾礦奠定了基礎(chǔ)【1】。

鈾礦在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、再生能源、軍事等產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。它既是一種能源，也是重要的國(guó)防戰(zhàn)略資源【2】。目前我國(guó)大力發(fā)展清潔再生能源，其中核能是不可或缺的一部分。因此，鈾礦的勘探開(kāi)發(fā)工作顯得極其重要。新疆伊犁市洪海溝礦區(qū)是中核216大隊(duì)的重點(diǎn)勘查礦區(qū)，本次研究區(qū)域?yàn)槌蹩钡V區(qū)，主要的研究任務(wù)是在初勘礦區(qū)上進(jìn)行復(fù)勘，從而確定礦床的精確位置。

2 自然電位法基本原理

地球本身會(huì)產(chǎn)生各種天然電場(chǎng)，這些電場(chǎng)疊加在一起形成的電場(chǎng)稱(chēng)作地電場(chǎng)。在某個(gè)區(qū)域內(nèi)，存在著一些天然的變化電場(chǎng)，一般稱(chēng)這些電場(chǎng)為大地電場(chǎng)，又稱(chēng)之為自然電場(chǎng)【3】。地層外部的各類(lèi)電流系在地層內(nèi)部相互影響，最終疊加而成的電場(chǎng)稱(chēng)為天然電場(chǎng)。由于天然電場(chǎng)分布于整個(gè)地球的地表或地域，覆蓋面積較大，從而導(dǎo)致梯度遞減情況較小。天然電場(chǎng)大部分是由地下礦體、地下水的流動(dòng)和各種物理化學(xué)作用產(chǎn)生的，分布于全球每個(gè)區(qū)域。大多數(shù)情況下，觀測(cè)到的自然電位一般是由各種物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的疊加電場(chǎng)組成的。通過(guò)探討自然電場(chǎng)的散布規(guī)律，就可以粗略估算出砂巖鈾礦床形態(tài)方位。

通過(guò)對(duì)理論和實(shí)踐研究的分析，可以得知在滲透壓存在的情況下，砂巖型地層的地下水溶液在巖石孔隙之間流動(dòng)時(shí)，溶液中的正負(fù)離子在巖石對(duì)不同離子吸附作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生的電場(chǎng)為過(guò)濾電場(chǎng)（圖1）；隨著正負(fù)離子的不斷累積，產(chǎn)生的電位差越來(lái)越大，最終形成了擴(kuò)散電場(chǎng)。

圖1 地下水溶液流動(dòng)形成的過(guò)濾電場(chǎng)

滲透壓的大小以及巖石巖性、溶液中所含離子都是決定過(guò)濾電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素，運(yùn)用（1）式可對(duì)過(guò)濾電場(chǎng)電位異常幅度ΔU做出近似估算：

式中：ρ水——地下水的電阻率，Ω·m；

ΔP——地下水流的水壓差，Pa。

過(guò)濾電場(chǎng)所帶來(lái)的干擾是引起鈾礦勘查偏差的主要因素。順著水流方向，過(guò)濾電場(chǎng)呈逐漸上升的趨勢(shì)，規(guī)律比較明顯，數(shù)據(jù)處理時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行消除。

3 工區(qū)地球物理概況

研究區(qū)域地理位置位于新疆伊犁市的伊犁盆地內(nèi)，該盆地地處中亞內(nèi)陸腹地。在中國(guó)部分面積約為28500km2，境內(nèi)呈高山、山間平原盆地、河谷地3種地貌特征，人煙稀疏，氣候條件屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，年平均氣溫為-4℃～9℃，平均降水量在200mm，海拔在600～1000m之間。

伊犁盆地蓋層自上而下發(fā)育為新近系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系【4】，地層由老至新依次為：凝灰?guī)r、泥巖、砂巖、礫巖，沉積厚度0～1000m不等。從地質(zhì)情況與地化學(xué)情況方面來(lái)看，該區(qū)域適合作為研究對(duì)象開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

4 野外數(shù)據(jù)采集與成果分析

4.1 測(cè)線布置與測(cè)量方法

（1）研究區(qū)域目前已完成初勘，依據(jù)地形高程傾向與初勘成果，并結(jié)合測(cè)區(qū)已有資料，南—北方向布置了11條測(cè)線，東—西方向布置了10條測(cè)線，測(cè)線呈網(wǎng)格狀覆蓋初勘礦區(qū)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

（2）在野外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，按照相關(guān)技術(shù)流程進(jìn)行，挖好電極坑，將2個(gè)不極化電極分別放入電極坑，用靈敏度高的數(shù)字外用表進(jìn)行電位測(cè)量。

（3）結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)情況，采用觀測(cè)方式為梯度觀測(cè)法（圖2）。測(cè)量方式為2個(gè)不極化電極同時(shí)移動(dòng)，測(cè)距為50m。

圖2 梯度法測(cè)量方式

野外采集的原始數(shù)據(jù)為測(cè)線上每2點(diǎn)之間的電位差，只有通過(guò)處理與分析才能得到整條測(cè)線或一片地區(qū)每個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于零點(diǎn)的電位值。由于該方法測(cè)線布置簡(jiǎn)單、工作效率高從而被廣泛地運(yùn)用到鈾礦勘查中，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。造成誤差的主要因素為工業(yè)電流與過(guò)濾電場(chǎng)。

4.2 自然電位資料處理流程

在野外所采集的數(shù)據(jù)值是兩點(diǎn)之間的電位差，假設(shè)起始位置為零點(diǎn)，經(jīng)過(guò)疊加得出測(cè)點(diǎn)的自然電位并對(duì)自然電位值進(jìn)行過(guò)濾電場(chǎng)剔除處理。自然電位數(shù)據(jù)處理時(shí)，需按照基點(diǎn)改正、接觸電位改正、地形改正的流程【4-5】。

4.3 自然電位剖面成果解釋

由于測(cè)線數(shù)據(jù)偏多，在此列舉其中2個(gè)有代表性的測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋?zhuān)?/p>

5號(hào)測(cè)線總長(zhǎng)4150m，自然電位曲線變化呈鋸齒狀，梯度變化段在 350～550m、670～1040m、1360～1580m、1820～1950m、2140～2400m。從圖3中可以看出，地下鈾礦床發(fā)育不連貫，并且?jiàn)A雜著滲透性巖石礦化體和非滲透性巖石礦化體。

圖3 5號(hào)測(cè)線自電位剖面圖

1號(hào)測(cè)線總長(zhǎng)3600m，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，自然電位曲線變化較明顯，變化特征中間隆起，兩側(cè)凹陷，從而表明本段氧化帶發(fā)育較為良好。梯度變化段主要在1300～3150m，推測(cè)鈾礦體發(fā)育在該位置。

圖4 1號(hào)測(cè)線自電位剖面圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)初勘礦區(qū)的自然電位試驗(yàn)工作，結(jié)合研究理論對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析，從而得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)不同形狀的礦床進(jìn)行自然電場(chǎng)計(jì)算，可以得知自然電位剖面圖與電位梯度曲線可以很好地反映地下鈾礦體的大致分布情況及礦體傾向，從而粗略估算鈾礦床規(guī)模的大小。反演模擬計(jì)算采用了自然電位概率成像法，通過(guò)模擬地下空間正負(fù)電荷累積過(guò)程，編寫(xiě)運(yùn)算方法，并應(yīng)用相關(guān)軟件成圖，從而獲得的地下空間的場(chǎng)值分布，其成像結(jié)果較為精確。

（2）在洪海溝礦區(qū)測(cè)得的研究數(shù)據(jù)表明，通過(guò)對(duì)自然電位曲線的梯度變化的分析可以得到地下深部礦床所處位置的地球物理化學(xué)環(huán)境。再結(jié)合測(cè)線剖面圖可以看出，在自然電位曲線梯度起伏明顯處都具有較好的礦化現(xiàn)象。從最終得出的研究區(qū)域自然電位剖面圖與電位等值線圖可以看出，地下水的水流方向是影響鈾礦發(fā)育方向的主要因素。再結(jié)合初勘所得數(shù)據(jù)成果，可以大致判斷鈾礦床的地下空間分布，為鈾礦的開(kāi)采提供有力的技術(shù)支持。

[1] 孫澤軒.滇西新生代盆地與砂巖型鈾礦成礦[D].成都理工大學(xué),2007.

[2] 區(qū)小毅，朱向泰，李瑞.EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用[J].地質(zhì)找礦論叢，2007,22（4）：306-310.

[3] 湯洪志，鄧居智.電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2015.

[4] 張宗嶺.自然電位地形改正探討[J].Geology and Prospecting,1989,25(11):38-42.

[5] 王君恒,耿煜.自然電位梯度測(cè)量中的地形改正[J].地球物理學(xué)報(bào),2015,58(11):3815-3824.