CSAMT測量在林西縣曹家營子地區鈾礦勘查中的應用

余弘龍，于兵，牛子良，王曉奇，王洪志

（核工業二四三大隊，內蒙古 赤峰 024000）

0 引言

鈾礦化產于鈾背景值高的地區已被大量事實所證實（賈興洲等，2003①；吳仁貴，2011②），中國核工業地質局自上世紀60年代開始，在大興安嶺中南段通過航空放射性測量和地面普查，發現了眾多鈾異常點，其中處于內蒙古自治區林西縣五十家子鎮西南部的9229號異常點具有較好的異常規模和控制因素，對該點進行槽探揭露工作后，分析結果顯示達到鈾礦化，且與斷裂構造密切相關，顯示了該地區的找礦前景（王青等，2016③）。但地表構造信息較少，已知構造也不能判斷其規模大小及其性質，鈾礦勘查工作難度較大，因此亟需查明該研究區內斷裂構造在地表及深部分布情況，以指導下一步鈾礦勘查工作。

CSAMT是近年來發展較為迅速的電法勘探方法，具有勘探深度大、橫向分辨率高、高阻屏蔽作用小等特點，該方法在推斷深部斷裂及尋找隱伏礦體方面取得了較好的應用效果（屈栓柱等，2018；王甲等，2018；艾虎等，2020），本次工作運用該方法推斷解譯了7條NE向斷裂，通過鉆探工作查證了其中4條斷裂，證實了該方法應用的有效性，達到預期目的。

1 地質概況及巖石電阻率特征

1.1 地質概況

研究區隸屬內蒙古自治區赤峰市林西縣五十家子鎮所轄，勘查區面積29.31 km2，位于五十家子盆地中部（圖1），西側受NE向統部-朝陽大斷裂控制，東側受NE向九連莊-古石廟子山深大斷裂控制，蓋層主要由中侏羅統新民組、上侏羅統滿克頭鄂博組及瑪尼吐組組成，地表出露巖石有凝灰質砂礫巖、凝灰質含礫砂巖、凝灰質砂巖、流紋質晶屑凝灰巖和安山質晶屑凝灰巖；地表侵入巖不發育，僅見兩條規模較小的NE向花崗斑巖脈，與礦化關系較為密切。熱液蝕變以中低溫熱液蝕變為主，主要有硅化、褐鐵礦化、赤鐵礦化、綠泥石化、黃鐵礦化等。鈾礦化與微晶石英及浸染狀赤鐵礦化關系密切（內蒙古自治區地質礦產局，1991；王世成等，2018④）。

圖1 林西縣曹家營子地區地質圖（據王世成等，2018④）

1.2 巖石電阻率特征

為獲得研究區內不同巖石的物性參數特征，對區內巖石露頭及前人施工ZK4鉆孔巖芯進行了定向標本采集，并用泥團法對標本進行了物性測量工作，本次物性參數均為筆者于2018年參與該項目實測，結果見表1。研究區地表露頭巖石中花崗斑巖電阻率最大，平均值1788 Ω·m，具有高阻地球物理特征；安山質晶屑凝灰巖和流紋質晶屑凝灰巖電阻率接近，平均值約為900 Ω·m；凝灰質砂礫巖、凝灰質砂巖電阻率值最低，平均值665 Ω·m，具有低阻地球物理特征；鉆孔中巖石相對于地表巖石電阻率高出300～400 Ω·m；鉆孔中構造、破碎段巖石電阻率最低。由此可以看出，區內巖石的電阻率存在差異，為CSAMT識別斷裂構造提供了有利的物性基礎條件。

表1 研究區主要巖石電阻率

2 CSAMT工作方法

根據本次物探工作技術要求和現有地質資料，共設計剖面線5條，按NW向布置，SW至NE依次命名為L1、L2、L3、L4和L5。本次采用赤道偶極裝置的標量測量方式，水平方向電場（MN）平行于場源（AB），水平磁場垂直于場源布設（圖2），觀測點在發射極AB中垂線上60°的扇形區域內；根據研究區內收發距試驗工作選擇12 km為收發距；最低觀測頻率是根據實測的全頻段測深曲線來確定，視電阻率曲線從頻率16 Hz開始45°角上升（圖3），數據為近區數據，因此最低觀測頻率選擇為16 Hz。

圖2 CSAMT法野外測量布置圖

圖3 CSAMT全頻段測深電阻率曲線

3 數據處理

3.1 數據預處理

測量數據利用儀器自帶的處理軟件CMT-Pro進行預處理，主要進行兩種數據剔除，受干擾影響偏離較大的頻點數據和進入近區的數據。

（1）某個頻率因為噪聲影響，無法解釋時，可對該排列的部分頻點數據剔除，在單點曲線編輯時，標記各頻點偏離較大的數據，使其不參加計算，以提高該頻點的數據質量（李茂等，2005；孟凡興等，2017；李波等，2018），圖4中黑色方塊為剔除的頻點。

（2）前面雖然已經選擇了最低頻率以保證測量數據為遠區數據，但在實際測量中為了獲得可靠的信噪比，尤其是研究區設計反演深度較小，收發距不可能太大，而采用人工場源同時會導致測量時部分低頻數據進入近區（李茂等，2009）。可控源反演軟件采用的都是以MT反演計算方法為基礎，主要針對遠區數據進行反演計算。因此，要求反演數據必須為遠區及過渡區數據，近區數據不能參與反演，必須對近區數據進行剔除，近區數據表現為電阻率-頻率圖上呈45°的直線上升（黃力軍等，2006），圖4中藍色方塊為近區數據剔除的頻點。

圖4 數據預處理頻率-視電阻率曲線

3.2 反演初始模型選擇

近年來的工作實踐表明，不同初始背景模型對實測數據的反演結果，在地電結構上總體表現基本一致，本次數據處理中反演初始模型選用了均勻半空間模型。

3.3 地形改正

地形改正根據剖面上各測點的實際標高進行網格劃分，生成實際地形的網格模型，結合表層電阻率構成一個帶地形的二維地電模型，由該模型出發進行二維正演、反演計算，達到間接消除地形影響的目的。

本次測量剖面地形高差為30～110 m，需進行地形改正。

3.4 反演成圖

經上述各項數據處理后，采用圓滑模型反演（Occam）算法對卡尼亞電阻率與阻抗相位進行迭代計算，確定反演模型的電性分布特征，該軟件實際是根據野外實測數據求一個多層地球物理模型的最光滑解，模型采用均方誤差來衡量數據擬合度及模型的粗糙度，要求所得模型圓滑，數據擬合誤差最小。所計算最小誤差的模型電阻率數據即可網格化繪制反演視電阻率斷面圖（王振亮等，2018）。圖5為實測電阻率、相位與最小誤差模型數據的擬合曲線圖，本次處理擬合誤差閾值設定為10%，最終所有測點擬合誤差均小于7%。

圖5 L1剖面5號測點視電阻率（相位）擬合曲線

4 CSAMT資料解釋推斷

4.1 資料解釋依據

CSAMT反演電阻率斷面圖是最基礎的圖件，該方法主要根據剖面上電阻率的相對變化，結合已知的地質資料進行解譯推斷。異常解釋主要有以下依據：

（1）不同巖石間的電阻率差異：各巖石組分、結構、構造、蝕變和含水量的不同造成電阻率的差異是CSAMT工作方法的基礎條件（孫林柱，2018）。

（2）已知地質資料是綜合解釋的重要條件：不同巖石之間一般具有不同的電阻率，但巖石的電阻率受多種因素影響，如溫度、壓力和含水量等；斷裂的性質也會造成反演結果的多解性，如張性斷裂充水后電阻率斷面可能表現為不連續現象。因此反演結果與已知地質資料相悖時，應當分析其產生原因，并給出合理的推斷解譯。

（3）橫向和縱向上的異常變化：電阻率橫向上的變化反應構造、蝕變特征的存在或者巖性變化，垂向的異常梯度帶為斷層位置；電阻率縱向變化往往為巖性的變化，橫向梯度帶的中心一般解譯為巖性分界面。值得注意的是，同一地層不同巖性之間有相似成巖環境，其巖石的電阻率基本一致，因此電阻率的變化也可以變現為地層的變化（朱偉等，2018）。

4.2 鉆探查證

圖6為ZK4鉆孔綜合剖面圖，該剖面位于工作區NE部，地表出露上侏羅統滿克頭鄂博組流紋質晶屑凝灰巖與中侏羅統新民組凝灰質砂礫巖，電阻率斷面上表現為兩條低阻梯度帶，電阻率變化范圍為20～631 Ω·m。根據ZK4鉆孔揭露情況來看，0～70 m巖性為上侏羅統滿克頭鄂博組的流紋質晶屑凝灰巖，巖石完整且發育強烈硅化，為高阻層；70～206 m巖性為中侏羅統新民組的含礫砂巖，巖石裂隙發育，充填褐鐵礦化表明其為含水層，為低阻層；206～256 m巖性為中侏羅統新民組的含礫砂巖，巖石完整且發育強烈硅化，為高阻層，與反演電阻率剖面基本吻合。

圖6 ZK4鉆孔綜合剖面圖

結合地質鉆孔資料及電阻率剖面，根據前節“資料解釋依據”，綜合分析后建立了工作區的地質解釋依據：

（1）地表水平方向的低阻梯度帶為風化帶，根據ZK2、ZK3鉆孔巖芯編錄結果可知，0～10 m一般為風化碎石帶、風化塊石帶，風化裂隙帶最深可達30 m。風化帶呈低阻電性特征，反演電阻率一般為79～501 Ω·m。

（2）低阻梯度帶為構造破碎帶及其“影響”區域，低阻梯度帶中心即為破碎帶位置，呈低阻電性特征，反演電阻率一般為20～794 Ω·m。“影響”區域即為構造破碎帶兩側，厚度較大，其中存在小規模的次級斷裂，巖石裂隙發育，蝕變發育褐鐵礦化、綠泥石化等，硅化多以硅質細脈為主，呈低阻電性特征，反演電阻率一般為100～794 Ω·m。

（3）工作區主要兩種巖性在物性參數測量上有電性差異，但在實際解釋中沒有明顯差異，反演電阻率剖面上均為連續的高阻梯度帶，呈高阻電性特征，反演電阻率一般為1000～5012 Ω·m。

4.3 典型剖面的推斷解譯

L3剖面（圖7）地表0～30 m低阻梯度帶對應風化帶。根據鉆孔ZK2與ZK3揭露情況可知標高580 m以上均為凝灰質砂巖與凝灰質含礫砂巖，由此該剖面巖性均解釋為中侏羅統新民組巖石；標高900 m以下有三條低阻梯度帶，表現為橫向與縱向的電阻變化，結合鉆孔揭露情況，解釋為F1、F2、F5三條斷裂，根據其低阻帶中心位置推測出F1傾向北西，傾角51°左右，F2傾向南東，傾角59°左右，F5傾向北西，傾角65°左右。

圖7 L3號剖面反演電阻率斷面及地質解釋

L5剖面（圖8）在標高900 m左右，水平距離0～160 m、260～380 m、480～670 m表現為高阻梯度帶對應地表出露的流紋質晶屑凝灰巖；根據鉆孔ZK4揭露情況可知，在孔深70 m以下均為凝灰質礫巖與凝灰質含礫砂巖，由此該剖面主要解譯為中侏羅統新民組巖石；標高900 m以下有五條低阻帶，表現為橫向與縱向的電阻變化，結合鉆孔揭露情況，解釋為F1、F2、F3、F4、F5五條斷裂，根據其低阻帶中心位置推測出F1傾向北西，傾角46°左右，F2傾向南東，傾角61°左右，F3傾向北西，傾角47°左右，F4傾向南東，傾角61°左右，F5傾向北西，傾角51°左右。

圖8 L5號剖面反演電阻率斷面及地質解釋

4.4 應用效果分析

應用CSAMT測量在林西縣曹家營子地區硬巖型鈾礦勘查中探測斷裂的分布，工作區主要以NE向斷裂為主，部署的5條可控源剖面分布在9229異常點及其兩側。根據反演電阻率剖面，結合工作區填圖及鉆孔資料推斷了7條NE向主要斷裂（圖9～10）。

圖9 研究區解釋斷裂立體斷面圖

整體上來看L1剖面南側、L4剖面北側應為兩條規模較大的NW向斷裂被風化剝蝕形成溝谷地貌，本次推斷的7條斷裂為其次級斷裂。L1、L4剖面上早期NE向斷裂被風化剝蝕，因此F3、F4、F7斷裂在水平空間中不連續。

F1、F2、F5斷裂連續分布在L2～L5號剖面上，F1、F5為工作區主要含礦斷裂，施工的鉆孔ZK2、ZK3、ZK4均揭露到1～7 m的構造破碎帶且在其上盤發現多段工業鈾礦體，巖石發育與鈾成礦密切相關的硅化、赤鐵礦化。因其巖石較為破碎、裂隙發育而呈低阻電性特征，反演電阻率一般在100～794 Ω·m。

F6斷裂分布在L1、L2號剖面上，在L2號剖面上施工的ZK1揭露到F6斷裂，其厚度在3 m左右，發現一段工業鈾礦體；L1號剖面上斷裂上盤為連續的低阻梯度帶，其原因是巖石被風化剝蝕，形成了厚大的風化裂隙帶，呈低阻電性特征。

5 結論

（1）通過本次CSAMT測量，解釋規模較大的NE向F1～F7七條斷裂（圖10），推斷出了各巖性在深部的分布情況，結合地表異常、礦化信息及鉆孔揭露成果圈定了一片長3 km、寬1 km的鈾找礦靶區，為該地區的鈾礦勘查工作提供了依據，擴大了該區的鈾找礦成果。

圖10 研究區地質-物探綜合成果圖

（2）CSAMT方法在本次找礦過程中發揮了重大的作用.物探異常驗證見礦，證明了運用CSAMT方法尋找同類型鈾礦大有可為。本次找礦成功案例為合理運用物探方法尋找鈾礦提供了借鑒，同時預示了該地區深部及外圍具有很大的找礦前景。

注 釋

①賈興洲,張興山,邢邵和.2003.內蒙古大興安嶺南段火山巖型鉬鈾成礦地質特征及遠景選區[R].核工業二四三大隊.

② 吳仁貴.2011.河北省沽源-內蒙古紅山地區火山巖鈾礦成礦條件研究[R].東華理工大學.

③王青,李長華,王世成,馬振宇,吳燕清.2016.內蒙古林西-烏蘭浩特地區鈾礦遠景調查[R].核工業二四三大隊.

④ 王世成,王青,李長華.2018.內蒙古赤峰市五十家子-新城子地區鈾礦資源調查評價[R].核工業二四三大隊.