广域电磁法在松辽盆地南部宝龙山地区砂岩型铀矿勘查中的应用

段书新，陈聪，师钦俊，汪硕，刘祜

（核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

作为我国东北地区最大的中-新生代陆相沉积盆地，松辽盆地是一个铀、煤、石油、天然气等能源共生的盆地。20 世纪60 年代，核工业系统在盆地边缘开展了零星的放射性普查工作，拉开了松辽盆地铀矿勘查的序幕。20 世纪90 年代，我国铀矿勘查工作重点开始转向北方砂岩型铀矿，松辽盆地铀矿勘查自此取得持续突破，目前已在盆地西南部陆续发现了钱家店、宝龙山、二龙山等多个铀矿床，逐步奠定了松辽盆地成为我国北方铀矿勘查与开发大基地的基础［1-2］。整体来看，松辽盆地西南部砂岩型铀矿主要位于层间氧化还原过渡带内，其盖层中的上白垩统姚家组以较好的沉积条件、稳定的“泥-砂-泥”结构、较广的分布范围和相对完善的“补-径-排”水动力体系等优势，成为盆内重要的铀矿目的层［3-5］。

针对北方砂岩型铀矿，前人创新发展了大地电磁（MT）、音频大地电磁（AMT）和可控源音频大地电磁（CSAMT）等一系列以探查深部成矿环境为目的的频率域电磁勘探方法，在识别研究区地层结构、划分砂体等方面取得了较好的应用效果［6-10］。广域电磁法（Wide Field Electromagnetic Method，简称WFEM）自2005 年提出以来，已在地热、油气、多金属矿产勘查等多个领域得到成功应用［11-13］，并逐渐延伸到铀矿勘查领域［14］。本文通过松辽盆地南部宝龙山地区WFEM 与AMT 同剖面对比试验，论证WFEM 的测深能力和探测效果，浅析该方法在我国砂岩型铀矿勘查中的应用效果。

1 地质地球物理概况

1.1 基底与盖层

研究区位于内蒙古通辽市科左中旗宝龙山地区，松辽盆地西南部钱家店凹陷东北部、白兴吐构造剥蚀天窗的东侧。

根据前人研究成果，松辽盆地南部基底主要为石炭-二叠系浅变质的（碳质）板岩和结晶灰岩，向东、东南方向逐渐过渡为花岗岩和侏罗系火山碎屑岩［1］；盖层从浅至深主要发育第四系（Q）、泰康组（N2t）、明水组（K2m）、四方台组（K2s）、嫩江组（K2n）、姚家组（K2y）、青山口组（K2qn）和泉头组（K2q）［15］。宝龙山地区出露地层主要有泰康组（N2t）、嫩江组（K2n）、姚家组（K2y）、辉绿岩脉（βμ）和基底花岗岩（γ4）等（图1）。1—新近系泰康组；2—白垩系嫩江组；3—白垩系姚家组；4—辉绿岩脉；5—花岗岩；6—整合地质界线；7—不整合地质界线；8—断裂；9—铀矿床；10—地名。

图1 松辽盆地南部宝龙山地区地质略图（据文献［16］修改）Fig.1 Geological sketch of Baolongshan area in southern Songliao Basin（Modified after reference［16］）

1.2 电阻率特征

根据核工业二四三大队、核工业航测遥感中心在该区开展的测井、CSAMT 探测资料统计结果，除深部基底表现为明显的超高电阻率特征外，区内盖层电阻率分布具有如下特征（图2）［10，17］：

以10、30 Ω·m 作为盖层中低阻、中阻、高阻的电阻率分界面，则区内盖层可以图2 中蓝线所示电性界面分为四层结构。第四系（Q）、泰康组（N2t）为高阻层，明水组（K2m）、四方台组（K2s）为中阻层，嫩江组（K2n）为低阻层，姚家组（K2y）、青山口组（K2qn）、泉头组（K2q）为中阻层。上述电性差异为该区电磁方法的应用提供了便利条件。

图2 松辽盆地南部盖层电阻率分布柱状图Fig.2 Histogram of electro resistivity of cap rocks in southern Songliao Basin

2 广域电磁法及工程部署

2.1 广域电磁法简介

广域电磁法（WFEM）通过人工接地场源建立谐变电磁场，向地下发送不同频率组合交变电流的同时，在不限于传统“远区”的广大区域内观测任意一个电磁场分量，计算广域视电阻率，进而达到探测具有电性差异的地质目标体的目的［18-19］。

与传统感应类电磁法利用正交的电磁场计算卡尼亚视电阻率不同，WFEM 定义的广域视电阻率仅由任意一个电场或磁场分量即可精确解出。以当前应用相对较多的广域电磁法E-Ex旁侧装置为例，其野外观测装置如图3所示。

图3 广域电磁E-Ex 旁侧装置示意图Fig.3 Schematic diagram of E-Ex side device in WFEM

2.2 电磁探测工程部署

为充分剖析广域电磁法在砂岩型铀矿勘查中的应用效果，开展了WFEM 与AMT 相同剖面、相同测点、不同方法的对比试验（图4）。图4 中红色为AMT 测线，蓝色为WFEM 测线，其长度分别为3 000 m 和8 850 m，点距均为75 m。为验证广域电磁法在砂岩型铀矿勘查中的应用效果，收集了测线附近的宝13-1、宝11-3 两个钻孔以便进行工程验证对比。

图4 宝龙山地区WFEM 与AMT 测线部署Fig.4 Layout of WFEM and AMT survey lines in Baolongshan Area

AMT 探测利用MTU5A+AMTC30组合，同时采集 相互正交的Ex、Hy和Ey、Hx电磁场信号。为保证采集到AMTC30 探头灵敏度范围内完好的最低有效频率，AMT 单点采集时间不低于40 min。

WFEM 探测采用图3 所示的E-Ex旁侧装置进行数据采集，所用仪器为湖南继善高科的JSGY-2广域电磁仪（180 kW），工作参数分别为：供电电极长度AB=1.2 km，收发距R=7.8 km，发射电流I=100 A，频组为11、10、9、8、7、6、5、4、3、1，每个频组由7 个频率组成，具体频率成分见表1。野外现场为获取高质量原始数据，每个频组的叠加次数不少于5 次，每个频点实测电场均方根误差不大于5%。

表1 宝龙山地区广域电磁探测工作频率统计Table 1 Statistics on working frequencies of WFEM detection in Baolongshan area

3 WFEM 与AMT 方法对比

3.1 采集频率对比

作为天然源频率域电磁法的代表，AMT 卡尼亚视电阻率的计算需满足平面波场垂直入射假设，而这一假设只有当场源位置无穷远时才能基本满足。故AMT 的场源多为宇宙中远离地球的太阳风、雷暴、磁暴等天然电磁场信号，其频率成分和幅值大小是自然存在而不受人为控制的。相比较而言，WFEM 是人工源频率域电磁勘探方法，其场源是根据探测需要而人为建立的电磁场，频率成分和幅值大小均是人为可控的。故两者的采集频率存在一定的差异。

本次宝龙山地区WFEM 与AMT 两种方法的有效采集频率如图5 所示。由图可知，两种方法的频率分布密度大致相同，在一个数量级范围内均有13 个频点。高、中频部分，AMT 较WFEM 仅多1 个频点（10 400 Hz），表明两种方法对浅部地质体的探测能力一致；低频部分，WFEM 的最低有效频率远小于AMT，表明其探测深部地质体的能力优于AMT。

图5 宝龙山地区WFEM 与AMT 有效采集频率对比Fig.5 Comparison of effective acquisition frequency between WFEM and AMT in Baolongshan Area

3.2 视电阻率曲线对比

视电阻率曲线反映的是测点位置处电阻率随频率（深度）的变化，它是野外原始资料优劣的直接最直观反映，亦是影响探测效果好坏的决定因素。将AMT 与WFEM 两种方法在同一位置上的视电阻率曲线进行对比，得到对比曲线如图6 所示。

整体来看，两种不同方法得到的视电阻率曲线形态基本一致。高、中频范围内，图6b 中两种方法的曲线形态、走势及视电阻率值基本一致；图6a 中AMT 方法在300～5 000 Hz 频率范围内视电阻率值跳动较大且无明显的曲线形态和走势，WFEM 则保持了较好的曲线形态和规律性的视电阻率值变化。低频范围内，根据视电阻率曲线形态可判断AMT 最低有效频率约为10 Hz 而WFEM的最低有效频率可至0.1 Hz。

图6 宝龙山地区WFEM 与AMT 同测点视电阻率曲线对比Fig.6 Comparison of apparent resistivity curves of WFEM and AMT at the same station in Baolongshan area

3.3 探测深度及探测效果对比

根据前述两种不同方法的视电阻率曲线对比（图6），本次AMT 实际最低有效频率在10 Hz左右，根据趋肤深度公式，预估其有效探测深度约为500 m。对上述两种数据进行相同反演软件及参数的二维反演，反演均采用TM 反演模式，其中AMT“死频带”和10 Hz 以后的尾支离散点则进行了飞点剔除处理，得到AMT 与WFEM两种不同方法相同剖面上的反演电阻率等值线对比如图7所示。

图7 宝龙山地区WFEM 与AMT 反演电阻率等值线对比Fig.7 Comparison of inversion resistivity contours between WFEM and AMT in Baolongshan area

在500 m 以浅，两种方法的反演等值线形态基本一致，反演电阻率从浅至深大致呈现“高-中-低”三层电性结构。但仔细分析可知：针对150 m 以浅的高阻地层，AMT 方法在平距1500～1 800 m 处出现明显的高阻团块，而WFEM 在此平距范围的成层性相对较好，推测可能是由于AMT 的死频带效应造成该平距位置处视电阻率曲线质量较差而引起。在150～500 m 深度范围内，以4 Ω•m 反演电阻率等值线为例，图7b WFEM 反演电阻率图中该等值线水平方向上起伏更小，更切合砂岩型沉积盆地的实际地质情况。同时，图7b 中低于4 Ω•m 反演电阻率值的层状低阻体顶、底界线清晰，低阻层状体不存在明显地向深部不收敛现象，表现出WFEM 较好的水平分层能力和更优的纵向分辨能力，推测可能与WFEM 能够采集到更低更有效的低频信号有关。

在500 m 以深，AMT 由于最低有效频率的限制，探测效果不理想；WFEM 则由于能够采集到更低的有效频率，故对深部基底的探测能力明显优于AMT。

4 WFEM 探测成果地质解译

图8 为上述试验剖面的广域电磁探测结果。整体来看，反演电阻率断面水平成层性较好，反映了区内较为稳定的地层结构；纵向上，依据反演电阻率断面垂向电性分布特征，可大致划分出研究区五个地层单元。

图8 宝龙山地区B1 线WFEM 探测结果Fig.8 WFEM detection results of exploration line B1 in Baolongshan area

第一地层单元：反演电阻率值在36～14 Ω·m之间，中高阻，推测为第四系（Q）洪积物、砂砾石、风积物和泰康组（N2t）含砾粗砂、中砂、细砂岩等。根据反演电阻率断面，其埋深约为200 m，局部地段有起伏。

第二地层单元：反演电阻率值在14～4 Ω·m之间，中低阻，反演电阻率值随深度增大而变小，推测为四方台组（K2s）的泥岩、中粗粒砂岩、砂砾岩。根据反演电阻率断面，推测四方台组（K2s）顶、底界面埋深分别约为200、390 m，厚度190 m。

第三地层单元：反演电阻率值在4～14 Ω·m之间，中低阻，反演电阻率值随深度增大而增大，与上覆四方台组（K2s）大致呈镜像关系但厚度变薄，推测为嫩江组（K2n）的泥岩。根据反演电阻率断面上的等值线变化，推测嫩江组（K2n）顶、底界面埋深分别约为390、440 m，厚度50 m。

第四地层单元：反演电阻率值在14～70 Ω·m之间，中高阻，反演电阻率值随深度增大而增大，推测为姚家组（K2y）砂、泥岩沉积。根据反演电阻率断面上的等值线变化，推测其顶、底界面埋深分别约为440、550 m，厚度110 m。

第五地层单元：反演电阻率值大于70 Ω·m，高阻，反演电阻率值随深度增大而快速增大，推测为深部花岗岩基底。

根据钻孔揭露结果，宝13-1、宝11-3 测井电阻率（图8 红线）从浅至深大致呈现“高-低-高”三层结构，对应着所钻遇泰康组（N2t）、四方台组（K2s）、嫩江组（K2n）和姚家组（K2y）四个地层（图8 四段岩性柱）的三个电性分界面。整体来看，WFEM 反演电阻率断面垂向电性结构、各地层顶、底界面埋深均与钻孔揭露情况一致，表明WFEM在本次宝龙山地区砂岩型铀矿勘查中取得了较好的应用效果。

5 结论

通过开展松辽盆地南部砂岩型铀矿WFEM与AMT 方法试验对比，得出以下结论：

1）采集频率方面，以传统AMT 方法所采用的AMTC30 探头为例，WFEM 与AMT的高、中频点数基本一致，但WFEM 的最低有效频率远低于AMT，表明其更有利于探测深部地质目标体。

2）原始视电阻率方面，WFEM 不存在死频带现象，最低有效频率较AMT 更低，视电阻率曲线更光滑。

3）探测深度及探测效果方面，WFEM 测深能力更强，水平分层能力和纵向分辨能力均优于AMT。

4）宝龙山地区WFEM 的应用实例表明：WFEM 对浅部沉积地层的水平分层能力和纵向分辨能力较强，可较好地应用于浅层砂体识别等砂岩型铀成矿环境探测中；同时，该方法具有较传统AMT 方法更深的探测能力，可探索应用于松辽盆地北部等较深沉积地层的砂岩型铀矿勘查。