砂岩型铀矿含矿砂体与围岩波阻抗差异初探
——以哈达图矿区钻井岩心为例

李子伟，吴曲波，曹成寅

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

砂岩型铀矿勘查实践表明利用地球物理方法查明地层展布、构造和砂体分布规律对于砂岩型铀矿的研究具有重要意义［1-8］。在众多地球物理方法当中，地震勘探方法具有较大的探测深度和较高的探测精度，是未来砂岩型铀矿地球物理勘探中不可或缺的主要方法之一，其中利用地震方法精细识别含矿砂体是很重要的一个研究方向。探测对象与围岩的波阻抗参数差异是开展地震勘探的前提［9-11］，在油气勘探领域，通过地震岩石物理研究指导油气的勘探与开发已成为常规手段［12-14］，而在砂岩型铀矿勘探领域，砂岩型铀矿含矿砂体与围岩的波阻抗参数差异是开展地震勘探方法研究的基础，以往学者开展了部分含矿砂体的物性参数的分析研究［15-17］，但未针对性地开展和地震勘探相关的波阻抗等弹性参数研究。

本研究基于哈达图矿区的钻井岩心样品，进行了样品纵横波速度和波阻抗等弹性参数的测量和计算，初步分析研究了含矿砂体和围岩的密度、纵横波速度和纵横波阻抗等参数的差异，为后续的砂岩型铀矿地震岩石物理研究指明了方向，同时研究结果也可以为砂岩型铀矿地震勘探工作提供依据。

1 研究区岩性特征

哈达图矿床位于二连盆地中西部乌兰察布坳陷中东部的齐哈日格图凹陷，该地区基底埋深在1 000～1 600 m，主要由古生界中、浅变质岩系、侏罗系火山岩-碎屑岩系和华力西-燕山期侵入岩组成。中新生代沉积盖层发育齐全，根据相关的区域地质资料，沉积地层由老到新分别为侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。

本次研究的含铀矿目的层主要为下白垩统腾格尔组和赛汉组。

1） 腾格尔组（K1t）

腾格尔组厚度一般在500～2 000 m 之间，根据岩性可分为两段： 腾格尔组一段 （K1t1）主要为灰白、浅灰色砂质砾岩、泥砾岩、砂岩夹灰、深灰色泥岩；腾格尔组二段（K1t2）以灰、深灰色、黑色页岩、块状泥岩为主，夹灰白色砂岩和砾岩，其下部以灰、深灰色大套泥岩为主夹砂岩，中部以深灰色泥岩、粉砂岩为主夹泥灰岩、劣质油页岩、钙质砂岩等，砂岩以中粗粒为主，上部岩性为一套灰、深灰色泥岩为主夹薄层粉砂岩、砂岩，泥岩质纯，性脆且硬，砂岩中含泥较多。

2） 赛汉组（K1s）

赛汉组厚度一般在100～500 m 之间，是本区最重要的铀矿找矿目的层，以砂质砾岩、泥岩为主，与下伏腾格尔组和上覆古、新近系呈不整合接触。该组下部为灰色粉砂岩、砂质砾岩夹泥岩，其底部的灰绿、绿灰色（兰灰色）块状砂质砾岩层；中部为绿灰色泥岩夹碳质泥岩和褐煤线；上部为绿灰色、灰色砂质砾岩、含砾砂岩夹灰色或棕红色泥岩。

2 岩石样品采集与制样

在哈达图矿区的钻井中采集了20 块样品用于本次弹性参数测量，其中矿心12 块，围岩8 块，具体情况如表1 所示。

本次采集的岩石样品由于埋深较浅（260～290 m），压实程度不高，在测量前基本处于散碎龟裂状态，极易破碎（图1），常规的机械或手工取心方法均不可用，无法获取原始状态成型实验样品，因此本次实验采用合成制样方法获取满足测量要求的实验样品，再对合成样品进行密度和纵横波速度的测量，合成制样方法流程见图2。

表1 岩石样品一览表Table 1 List of rock samples

图1 岩石样品的原始状态Fig.1 Original state of rock samples

制样过程中，需要对以下几个关键点进行重点把握：

图2 岩石样品合成制样流程示意图Fig.2 Schematic diagram of synthetic sample preparation process

1） 保持每次制样原岩粉末装入量一致；

2） 保持每次压制样品时压力一致；

3） 保持每个样品压制时间为24 h。

通过把握以上3 处关键点，再加上压制磨具的约束，可以最大程度保持每个样品初始重量及形成条件一致，尽量保证每个样品的密度仅与其粉末颗粒大小及颗粒几何形态相关。

3 测量与计算方法

本文主要开展了含矿砂体及围岩的地面温压条件下密度、纵波速度和横波速度的测量，并基于测量结果计算了样品的纵横波阻抗。

3.1 密度测量方法

实验室样品为均匀圆柱形态的合成样品，因此采用量积法测量样品密度，通过测量样品质量及体积，计算得到样品的密度。样品质量通过电子天平测量，样品体积通过使用游标卡尺测量样品长度及直径计算得到。

具体的测量流程如下：

1） 将样品放置在干燥箱内24 h 做干燥处理；

2） 采用游标卡尺测量圆柱形岩石样品的直径和长度，利用（1）式计算样品的体积；

式中： V 为样品的体积，单位为m3；d 为样品的直径，单位为m；L 为样品的长度，单位为m。

3） 用电子天平测定样品的质量，用m 表示；

4） 通过（2）式计算干样品密度。

式中： ρ 为样品的密度，单位为kg·m-3；m 为样品的质量，单位为kg；V 为样品的体积，单位为m3。

3.2 波速测量方法

本文采用超声脉冲透射法测定样品岩石的纵、横波速度，通过测量声波在样品中的传播时间来计算样品波速。波速测量系统（图3）包括纵、横波声波换能器（纵横波探头）、波形脉冲发生接收器、示波器和数据采集电脑。声波换能器放置在样品两端，与波形脉冲发生接收器相连，而波形脉冲发生接收器再与示波器相连，后者与数据采集电脑连接，由此构成一个完整的声波速度测量系统。

图3 岩石常温常压声波速度测量系统结构示意图Fig.3 Structural diagram of rock acoustic wave velocity test system in normal temperature and pressure

采用的设备为Tektronic 的DPO2000 型示波器和PANAMETRICS 生产的纵波探头（主频1 MHz）的和横波探头（主频0.5 MHz），如图4所示。根据样品的长度和超声波通过样品的时间，利用（3）式和（4）式计算波速。

图4 岩石常温常压声波速度测量系统 （中科院地质与地球物理研究所）Fig.4 Rock acoustic wave velocity test system in normal temperature and pressure （Inslitute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences）

式中： vp为岩石样品的纵波速度，单位为m·s-1；L 为样品的长度，单位为m；Tp为纵波通过样品的走时，单位为s。

式中： vs为岩石样品的横波速度，单位为m·s-1；L 为样品的长度，单位为m；Ts为横波通过样品的走时，单位为s。

3.3 波阻抗计算方法

岩石的波阻抗即指岩石中的纵波速度与岩石密度的乘积，表明波在岩体中传播时，运动着的岩石质点产生单位速度所需的扰动力，反映了岩石对动量传递的抵抗能力。

本文基于密度和波速的测量结果，采用（5）式和（6）式完成纵波阻抗和横波阻抗的计算。

式中： AIp为岩石样品的纵波阻抗，单位为kg·m-3·m·s-1；ρ 为岩石样品的密度，单位为kg·m-3；vp为岩石样品的纵 波速度，单位为m·s-1。

式中： AIs为岩石样品的横波阻抗，单位为kg·m-3·m·s-1；ρ 为岩石样品的密度，单位为kg·m-3；vs为岩石样品的横波速度单位为m·s-1。

4 测量结果分析

通过本文的合成制样方法完成了样品的制作，通过制样过程中的观察发现，围岩合成样品颜色较浅，呈浅灰白色或浅黄色，而矿心合成样品基本呈深灰色；同样粉碎条件下矿心样品粉末颗粒明显小于围岩样品粉末颗粒，同样压力条件下制样，围岩合成样品明显更为疏松。图5 为完成弹性参数测量后的合成样品，在实验测量过程中围岩合成样品基本都会出现崩边破损，而矿心合成样品则几乎无破损。

图5 完成测量后的合成样品Fig.5 Synthetic samples after testing

利用本文的弹性参数测量方法，完成了20 块样品的密度、纵横波速度的参数测量，并计算了纵波阻抗和横波阻抗，针对结果进行了初步分析。

4.1 密度参数结果分析

通过测量，岩石样品的密度范围分布情况如图6 所示。围岩合成样品共8 块，密度均小于2 000 kg·m-3，范围为1 850～2 000 kg·m-3。矿心合成样品共12 块，密度均大于2 000 kg·m-3，范围为2 000～2 200 kg·m-3，各密度区间样品个数分布较为均匀。

图6 岩石样品密度范围分布Fig.6 Distribution of density range of rock samples

通过密度参数结果分析可以发现，矿心与围岩的合成样品密度值范围存在明显区别，矿心的密度值明显大于围岩的密度值。

4.2 纵波速度测量结果

通过测量，岩石样品的纵波速度范围分布情况如图7 所示。围岩合成样品纵波速度范围为700～1 100 m·s-1，其中有6 块样品纵波速度处于700～900 m·s-1范围内，占送测围岩数量的75%，两块样品纵波速度在900～1 100 m·s-1范围内，占送测围岩数量的25%。矿心合成样品纵波速度范围为900～1 800 m·s-1，其中有10 块样品纵波速度处于1 200～1 800 m·s-1范围内，占送测矿心数量的83.3%，两块样品纵波速度在900～1 100 m·s-1范围内，占送测矿心数量的16.7%。

通过纵波速度参数结果分析可以发现，除个别样品外，矿心与围岩的合成样品纵波速度值范围存在明显区别，矿心的纵波速度值整体要大于围岩的纵波速度值。

4.3 横波速度测量结果

通过测量，岩石样品的横波速度范围分布情况如图8 所示。围岩合成样品横波速度范围为400～800 m·s-1，其中有7 块样品横波速度处于400～600 m·s-1范围内，占送测围岩数量的87.5%，1 块样品横波速度处于700～800 m·s-1范围内，占送测围岩数量的12.5%。矿心合成样品横波速度范围为600～1 200 m·s-1，其中有10 块样品横波速度处于800～1 200 m·s-1范围内，占送测矿心数量的83.3%，有两块样品横波速度处于600～800 m·s-1范围内，占送测矿心数量的16.7%。

图7 岩石样品纵波速度范围分布Fig.7 Distribution of P-wave velocity range of rock samples

图8 岩石样品横波速度范围分布Fig.8 Distribution of S-wave velocity range of rock samples

通过横波速度参数结果分析可以发现，除个别样品外，矿心与围岩的合成样品横波速度值范围存在明显区别，矿心的横波速度值整体要大于围岩的横波速度值。

4.4 纵波阻抗结果分析

通过计算，岩石样品的纵波阻抗范围分布情况如图9 所示。围岩合成样品纵波阻抗范围为1.4×106～2.2×106kg·m-3·m·s-1，其中有6 块样品纵波阻抗处于1.4×106～1.8×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测围岩数量的75%，有两块样品纵波阻抗处于1.8×106～2.2×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测围岩数量的25%。矿心合成样品纵波阻抗范围为1.8×106～4.2×106kg·m-3·m·s-1，其中有11块样品纵波阻抗处于2.2×106～4.2×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测矿心数量的91.7%，有1 块样品纵波阻抗处于1.8×106～2.2×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测矿心数量的9.3%。

通过纵波阻抗的结果分析可以发现，除个别样品外，矿心与围岩的合成样品纵波阻抗值范围存在明显区别，矿心的纵波阻抗值整体要大于围岩的纵波阻抗值。

4.5 横波阻抗结果分析

通过计算，岩石样品的横波阻抗范围分布情况如图10 所示。围岩合成样品横波阻抗范围为0.8×106～1.7×106kg·m-3·m·s-1，其中有7 块样品横波阻抗处于0.8×106～1.1×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测围岩数量的87.5%，有1 块样品横波阻抗处于1.4×106～1.7×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测围岩数量的12.5%。矿心合成样品横波阻抗范围为1.1×106～2.9×106kg·m-3·m·s-1，其中有10块样品横波阻抗处于1.7×106～2.9×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测矿心数量的83.3%，有两块样品横波阻抗处于1.1×106～1.7×106kg·m-3·m·s-1范围内，占送测矿心数量的16.7%。

图9 岩石样品纵波阻抗范围分布Fig.9 Distribution of P-wave impedance range of rock samples

图10 岩石样品横波阻抗范围分布Fig.10 Distribution of S-wave impedance range of rock samples

通过横波阻抗的结果分析可以发现，除个别样品外，矿心与围岩的合成样品横波阻抗值范围存在明显区别，矿心的横波阻抗值整体要大于围岩的横波阻抗值。

4.6 阻抗参数的交汇分析

不同岩石间的波阻抗差异是地震勘探方法识别不同岩石的基础，我们对围岩样品和矿心样品的波阻抗进行交汇分析，图11 为横波阻抗与纵波阻抗的交汇结果，图中横轴为纵波阻抗，纵轴为横波阻抗，从交汇分析结果可以看出，除个别样品外，围岩样品与矿心样品在交汇图上可以很好区分显示，基于此差异，可以为利用波阻抗区分含矿砂体与非含矿砂体提供理论依据。

图11 岩石样品纵波阻抗与横波阻抗的交汇分析结果Fig.11 Cross-plot analysis results of P-wave impedance and S-wave impedance of rock samples

5 结论

波阻抗参数差异是地震勘探的基础，本文开展了砂岩型铀矿含矿砂体及围岩的弹性参数的测量，获取了含矿砂体及围岩的密度、纵波速度和横波速度参数，在此基础上，计算了纵波阻抗和横波阻抗参数，并进行了初步分析，取得了如下几点认识：

1） 基于二连盆地齐哈日格图凹陷的钻井岩心，采用人工制样方法制作了含矿砂体的围岩样品，并进行了弹性参数测量，在此条件下的测量结果表明，含矿砂体的密度、纵波速度和横波速度均大于围岩的密度，依据密度、纵波速度和横波速度可以较好地区分该批含矿砂体和围岩；

2） 纵波阻抗和横波阻抗的交汇分析结果表明，围岩样品和矿心样品在交汇图上处于不同的空间区域，利用纵横波阻抗可以较好地区分该地区的围岩与含矿砂体，这一结论为砂岩型铀矿地震勘探技术的研究提供了物性基础。

致谢：本文的岩石样品测量工作由中科院地质与地球物理研究所完成，中国石油大学（北京）也参与了部分研究工作，在此一并表示感谢。