CSAMT法在西宁盆地包马庄地区砂岩型铀矿勘查中的应用

郗 昭， 吕 杰

(核工业二○三研究所，陕西 咸阳 712000)

北方中新生代沉积盆地是当前砂岩型铀矿勘查的主要工作地区(籍增贤等，2006；陈戴生等，2006；苗培森等，2017)。西宁盆地砂岩型铀矿找矿潜力大，前人在该区开展了大量的电法找矿工作。可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)属于人工场频率域电磁法，采用的人工场源具有探测深度大、信号稳定、生产效率高等特点，能查明基底埋深、构造展布特征、地层结构及砂体分布范围，是开展砂岩型铀矿勘查工作的有效方法之一(林建勇等，2020；王志宏等，2005；山亚等，2016；李茂等，2011；刘朋梅，2013；米晓利等，2017；王浩锋等，2019)。

笔者在西宁盆地包马庄地区开展了以研究铀成矿地质环境及主砂体分布规律为目的的可控源音频大地电磁测深工作，根据测量结果推测成矿有利区段，为地质找矿工作指明方向。该方法成本低、工作效率高且找矿成果显著，是该区铀矿找矿工作首选的物探方法。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

西宁盆地位于祁连造山带与西秦岭造山带交汇部位，是一个经历多次地壳运动、多期构造变形的地区，由若干侏罗纪、白垩纪的坳陷或断陷叠合而成，后被新生界覆盖(吴向农等，1991；徐新文等，2020)。本次工作区位于西宁盆地北缘，大地构造位置处于中祁连陆块-新元古代-早古生代中晚期岩浆弧带，主构造线方向为北西向，地层、岩浆岩均沿主构造线方向分布。在陆块接合部位，发育稳定构造斜坡，岩浆热液活动频繁，已发现大量砂岩型、热液型铀矿(化)、铀异常点带，显示出较好的找矿前景。区内地层出露齐全，具明显的双层结构，盆地基底由古元古界-古生界变质岩系组成，主要发育北西向和北东东向两组断裂。盖层主要为白垩系、古近系、新近系，其次为侏罗系，分布较为局限，构造简单，找矿目的层多为平缓单斜层，只有少数宽缓褶皱发育。在隆起与坳陷带边缘发育有稳定的构造斜坡(仲星等，2018)。其中元古界主要为一套中-高级变质岩相的片岩、片麻岩、绿片岩，构成了区域基底；下古生界主要为寒武-志留系深海沉积岩系和火山岩系；上古生界包括泥盆系海陆相碎屑岩和火山岩系、石炭系和二叠系浅海相及海陆交互相含煤碎屑岩系。砂岩型铀矿主要赋存在中生界下白垩统河口群(K1hk，图1)，构造不发育(荆国强等，2017)。

图1 西宁盆地包马庄地区地质及测点位置图Fig.1 The geological map of in Baomazhuang area of Xining basin1.第四系全新统；2.第四系中更新统；3.新近系中新统咸水河组；4.上白垩统民和组；5.下白垩统河口群下岩组；6.下白垩统河口群上岩组；7.地名；8.地质界线；9.矿化孔；10.工业孔；11.CSAMT测点

1.2 地球物理特征

通过收集前人在区内钻探测井资料，对地层及岩性视电阻率特征进行整理统计(表1，表2)。区内地层由上而下分别为第四系、古-新近系、白垩系和元古界。由表1可知区内第四系为冲、洪积的砾、砂砾、砂、黏土、风成沙，视电阻率总体为中高阻特征，但不同地段变化较大；古-新近系为含砾砂岩、砂砾岩、砂岩夹泥岩及含砾粗砂岩，为中低阻特征；上白垩统民和组以泥岩、粉砂质泥岩、砾岩、细砾岩、粗-细砂岩为主，表现为中阻特征。下白垩统河口群上岩组岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩等，总体为中低阻特征，河口群下岩组砂岩、粗砂岩及砂砾岩，整体表现为中高阻特征，三叠系为高阻特征。

表1 包马庄地区地层视电阻率统计表Table 1 Apparent resistivity statistic of strata in Baomazhuang area

从表2可以看出区内岩石的视电阻率与矿物颗粒大小呈正相关，其中砂砾岩的平均视电阻率为35.6 Ω·m；细-粗砂岩视电阻率接近，平均为23.8 Ω·m；泥岩视电阻率平均为12.6 Ω·m。通过统计分析可知，盖层中泥岩视电阻率值较小，砂砾岩视电阻率值最高。由泥岩-砂岩-砾岩视电阻率呈递增趋势，表现为粒度越粗视电阻率越高，各岩性之间存在较显著的电性差异。综合以上分析，结合CSAMT反演电阻率断面来看，包马庄地区第四系与下伏地层之间、基底与盖层之间存在较明显的电性差异；白垩系下统河口群上下岩组因岩性、岩相组合的不同，其视电阻率也存在一定的差别。因此工作区地层和岩性之间的电性差异，不仅为该区开展电法测量划分电性层提供了地球物理前提，而且为成果资料的处理和解释奠定了基础。

表2 包马庄地区岩性视电阻率统计表Table 2 Apparent resistivity statistic of lithology in Baomazhuang area

2 CSAMT法的工作原理、方法及数据处理

2.1 基本原理

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)的基础上发展起来的一种人工源频率域电磁测深方法。该方法主要是为了克服音频大地电磁法(AMT)场源强度较弱、低信噪比及观测困难的缺点，改用人工控制电磁场的频率、场强和方向以便获取更好探测效果的一种电磁测深方法(李金铭，2005；杨强等，2021)。其通过改变供电和测量频率，达到频率测深的目的，用测量相应频率的电场分量和与之正交的磁场分量计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位。计算公式为：

Φz=ΦEx-ΦHy

式中，f为频率(Hz)，ρs为视电阻率(Ω·m)，φ为阻抗相位，E为电场分量(V/m)，H为磁场分量(A·m)。

2.2 工作方法

本次CSAMT测量使用的仪器为V8多功能电法仪，采用赤道偶极装置进行标量测量(图2)，测量区域分布在供电电极中垂线两侧30°张角的扇形范围内。每个排列共用一个磁道，最多可测9个数据点。V8发射机为TXU-30，V8接收机主机编号为4 437，其分机编号为4 453和4 455。磁探头一般在排列的中心点附近，垂直于场源布设。测量电极平行于场源(AB)，为硫化铅不极化电极，接收偶极距为100 m。供电极AB极距为2 km，数据采集频段为1～7 680 Hz，仪器设定为自动循环盲采方式，一次循环测量时间一般需40 min。

图2 CSAMT观测装置示意图Fig.2 The schematic diagram of CSAMT observation installment

2.3 数据处理

本次数据处理主要包括预处理、静态位移校正和1D、2D反演处理等。具体处理流程如图3所示。

图3 CSAMT数据处理流程图Fig.3 The flow diagram of CSAMT data processing

3 应用实例

在充分掌握工作区已有地质、物探等资料的基础上，利用反演计算所确定的反演电阻率断面图，结合不同地质体的电性差异，通过综合分析研究对区内地质体的埋深、形态、空间展布及断裂构造等做出合理的推断解释。

通过分析测量数据的卡尼亚电阻率及阻抗相位断面，对其进行1D和2D反演，并结合已知钻孔地层、岩性，对比分析确定反演电阻率断面图中的电性层地质解释依据，在此基础上对反演电阻率断面图进行地质推断解释。

3.1 反演电阻率断面图解释依据

3.1.1 井旁测深及反演电阻率断面图对比分析

图4为过钻孔ZKB0-2的CSAMT法测量反演电阻率断面与地质编录对比图，钻孔深度为425 m。对比分析图4A与图4B可知，图4B反演电阻率断面图纵向上可分为明显的4个电性层：断面图上部的中高阻电性层，反演电阻率大于50 Ω·m，为第四系砂砾、沙土等的反映；中上部的中低阻电性层，反演电阻率小于20 Ω·m，为下白垩统河口群上岩组粉砂岩、泥质砂岩的反映；中下部的中阻电性层，反演电阻率一般为20～50 Ω·m，为下白垩统河口群下岩组砂岩等的反映；下部的中高阻电性层，反演电阻率大于50 Ω·m，为三叠系砂砾岩及基底电性特征的综合反映。

3.1.2 电性层地质解释依据

依据区域地质资料、电性特征，对反演电阻率断面(图4B)与已知钻孔资料的综合对比分析，建立了区内电性层的地质解释依据(表3)。

图4 过钻孔ZKB0-2CSAMT测量反演电阻率断面与地质编录对比图Fig.4 Comparison of CSAMT inversion resistivity section and geological cataloging of over-borehole ZKB0-2A.钻孔综合柱状图；B.反演电阻率断面图;1.第四系；2.河口群上岩组；3.河口群下岩组；4.三叠系；5.测井平均电阻率；6.视电阻率等值线

表3 包马庄地区电性层及地层(岩性)对应关系表Table 3 Correspondence between electrical layers and strata (lithology) in Baomazhuang area

(1)第1电性层。反演电阻率变化较大，一般为20～150 Ω·m，为中高阻，位于断面图的上部，厚度变化比较大，推测主要为冲、洪积的砾、砂砾、砂、黏土、风成沙等，与表层的第四系相对应。

(2)第2电性层。反演电阻率一般为8～40 Ω·m，为中低阻，位于断面图上部，推测岩性为含砾砂岩、砂砾岩、砂岩夹泥岩及含砾粗砂岩等，与表层的古近系相对应。

(3)第3电性层。反演电阻率一般为15～50 Ω·m，为中阻，位于断面图中上部，推测岩性为泥岩、粉砂质泥岩、砾岩、细砾岩、粗-细砂岩等，与区域上的上白垩统民和组相对应。

(4)第4电性层。反演电阻率一般为5～35 Ω·m，为中低阻，分布较为广泛，位于断面图中部，推测岩性为砂岩、粉砂岩、泥质砂岩等，与区域上的下白垩统河口群上岩组的滨浅湖-扇前缘相对应。

(5)第5电性层。反演电阻率一般为20～70 Ω·m，为中高阻，位于断面图中下部，推测岩性为砂岩、砂砾岩等，与区域上的下白垩统河口群下岩组扇前缘-扇中相对应。

在第3、4、5电性层中，反演电阻率小于15 Ω·m的低阻，推测为下白垩统河口群上岩组泥岩、粉砂质泥岩的反映；反演电阻率为35～70 Ω·m的中高阻体，推测为下白垩统河口群下岩组砾岩、含砾粗砂岩的反映；位于团块状低阻体过渡带呈透镜状、似层状分布且反演电阻率值为15～35 Ω·m(部分地段可达50 Ω·m)的中阻体，推测为下白垩统河口群古河道砂岩、粉砂岩、粗砂岩及砂砾岩的反映。从本次反演结果及地质资料分析，下白垩统河口群古河道砂体(表现为中阻特征)在横向上分布不均衡，大部分地段和泥岩、粉砂质泥岩交错发育。

(6)第6电性层。反演电阻率一般大于70 Ω·m，呈高阻特征，多位于断面的底部，岩性复杂多样，与区域上的中元古代、新元古代及早古生代变质岩系相对应，为工作区基底电性特征的反映。

3.2 反演电阻率断面图地质推断解释

包马庄地区共完成2条CSAMT法测线，反演电阻率断面见图5和图6。由图5和图6可以看出，区内反演电阻率具有北高南低、上低下高的电性特征，总体反映了北部基底直接出露地表或埋深较浅，南部基底埋深较大，盖层多为白垩系下统河口群。笔者根据反演电阻率断面和地电特征的对比分析结果，并结合地质情况对其进行地质推断解释。

3.2.1 L1线地质推断解释

L1线位于工作区东北部，测线方位为131°，总长度为2.9 km；其反演电阻率及解释断面见图5。从图5中可以看出，整条断面总体呈东南倾单斜形态展布。结合该断面平距1.95 km处ZKB6-1钻孔揭露情况，推断纵向上大致可分为5层，分别呈中高阻-中阻-低阻-中高阻-高阻电性特征。其中第1至第2电性层在反演电阻率断面图上呈不连续分布，局部地段剥蚀缺失；第3至第5电性层在反演电阻率断面图上连续分布。各电性层在断面中不同位置深度与厚度变化较大，其分布情况及地质推断解释情况如下：

图5 包马庄地区CSAMT测量L1线反演电阻率(a)及推断解释断面图(b)Fig.5 Inversion resistivity(a) and inferred interpretation section(b) of line L1 CSAMT measurement in Baomazhuang area1.第四系(电阻率>20 Ω·m)；2.民和组(电阻率为15～50 Ω·m)；3.河口群上岩组(电阻率为10～35 Ω·m)；4.河口群下岩组(电阻率20～70 Ω·m)；5.中元古代、新元古代及早古生代基底(电阻率>70 Ω·m)；6.推断砂体；7.推断泥岩；8.推断砂砾岩；9.电性层界线；10.钻孔及编号

(1)第1电性层位于反演电阻率断面顶部，推测为第四系冲、洪积的砾、砂砾、砂、黏土、风成沙等。其分布于平距为1.0～1.9 km、2.3～2.5 km及2.8～3.2 km处，反演电阻率值大于20 Ω·m，表现为中高阻特征，厚度为0～30 m。

(2)第2电性层位于反演电阻率断面顶部，推测为上白垩统民和组砾岩、细砾岩、粗-细砂岩、泥岩、粉砂质泥岩。其分布于平距为2.2～3.9 km处，反演电阻率值为15～50 Ω·m，表现为中阻特征，厚度为0～170 m，在东南段大面积出露地表，西北段剥蚀缺失。

(3)第3电性层位于反演电阻率断面中上部，推测为下白垩统河口群上岩组中、细粒砂岩与泥岩、页岩互层等。其分布于平距为1.3～3.9 km处，反演电阻率值为10～35 Ω·m，表现为低阻特征，厚度为0～320 m，在断面中段大面积出露地表，向东南埋深逐渐加大。

该电性层反演电阻率特征表现在小于35 Ω·m的背景下，具有小于15 Ω·m的团块状低阻体，为泥岩、泥页岩互层的反映；中阻体位于团块状低阻体过渡带呈透镜状、似层状分布且反演电阻率值为15～35 Ω·m，为下白垩统河口群上岩组古河道砂体的反映。砂体位置分布于断面平距为1.3～3.9 km处，厚度范围为0～200 m。

(4)第4电性层位于反演电阻率断面中下部，推测为下白垩统河口群下岩组砾岩、含砾砂岩、砂岩等。其分布于平距为1.0～3.9 km处，反演电阻率值20～70 Ω·m，表现为中高阻特征，厚度大于400 m。

该电性层反演电阻率特征表现在小于70 Ω·m的背景下，具有大于35 Ω·m团块状高阻体，为砾岩、含砾粗砂岩的反映；中阻体位于团块状高阻体过渡带呈透镜状、似层状分布且反演电阻率值为20～35 Ω·m，为下白垩统河口群下岩组古河道砂体的反映。砂体位置分布于断面平距为1.0～2.6 km、2.8～3.9 km处，厚度范围为30～300 m。

(5)第5电性层位于反演电阻率断面底部，推测为基底，主要由中元古代、新元古代及早古生代变质岩系组成。其分布于平距为1.0～2.3 km处，反演电阻率值大于70 Ω·m，表现为高阻特征，埋深大于500 m，厚度未测量到底界。

纵观整条断面，基底埋深呈西南深、东北浅的特征，埋深大于500 m；沉积盖层主要为下白垩统河口群上下岩组，主要分布于断面的中上部，上部以砂岩、泥质砂岩等沉积物为主，埋深为0～170 m。下部以砂岩、砂砾岩等沉积物为主，埋深为40～450 m。该断面平距为1.8～3.2 km处，推测发育多段砂体，目的层下白垩统河口群埋深浅，且呈稳定的单斜形态发育，为铀成矿有利地段，应作为下一步铀矿找矿工作的重点区。

3.2.2 L2线地质推断解释

L2线同样位于工作区东北部，测线方位为131°，总长度为2.6 km。其反演电阻率及解释断面见图6。从图6中可以看出，整条断面总体呈东南倾单斜形态展布。结合该断面平距1.85 km处ZKB20-2钻孔揭露情况，推断纵向上大致可分为5层，分别呈中高阻-中阻-低阻-中高阻-高阻电性特征，其中第1至第2电性层在反演电阻率断面图上呈不连续分布，局部地段剥蚀缺失；第3至第5电性层在反演电阻率断面图上连续分布。各电性层在断面中不同位置深度与厚度变化较大，其分布情况及地质推断解释情况如下：

图6 包马庄地区CSAMT测量L2线反演电阻率(a)及推断解释断面图(b)Fig.6 Inversion resistivity(a) and inferred interpretation section(b) of line L2 CSAMT measurement in Baomazhuang area1.第四系(电阻率>20 Ω·m)；2.民和组(电阻率为15～50 Ω·m)；3.河口群上岩组(电阻率为8～35 Ω·m)；4.河口群下岩组(电阻率为20～70 Ω·m)；5.中元古代、新元古代及早古生代基底(电阻率>70 Ω·m)；6.推断砂体；7.推断泥岩；8.推断砂砾岩；9.电性层界线；10.钻孔及编号

(1)第1电性层位于反演电阻率断面顶部，推测为第四系冲、洪积的砾、砂砾、砂、黏土、风成沙等。其分布于平距为1.0～1.6 km、1.9～2.3 km处，反演电阻率值大于20 Ω·m，表现为中高阻特征，厚度为0～30 m。

(2)第2电性层位于反演电阻率断面顶部，推测为上白垩统民和组砾岩、细砾岩、粗-细砂岩、泥岩、粉砂质泥岩。其分布于平距2.8～3.6 km处，反演电阻率值为15～50 Ω·m，表现为中阻特征，厚度为0～100 m，在东南段大面积出露地表，西北段剥蚀缺失。

(3)第3电性层位于反演电阻率断面中上部，推测为下白垩统河口群上岩组中、细粒砂岩与泥岩、页岩互层等。其分布于平距为1.2～3.6 km处，反演电阻率值为8～35 Ω·m，表现为低阻特征，厚度为0～310 m。在断面中段大面积出露地表，向东南埋深逐渐加大。

该电性层反演电阻率特征表现在小于35 Ω·m的背景下，具有小于15 Ω·m的团块状低阻体，为泥岩、泥页岩互层的反映；中阻体位于团块状低阻体过渡带呈透镜状、似层状分布且反演电阻率值为15～35 Ω·m，为下白垩统河口群上岩组古河道砂体的反映。砂体位置分布于断面平距为1.3～3.6 km处，厚度范围为0～250 m。

(4)第4电性层位于反演电阻率断面中下部，推测为下白垩统河口群下岩组砾岩、含砾砂岩、砂岩等。其分布于平距为1.0～3.6 km处，反演电阻率值为20～70 Ω·m，表现为中高阻特征，厚度大于200 m。该电性层反演电阻率特征表现在小于70 Ω·m的背景下，具有大于35 Ω·m团块状高阻体，为砾岩、含砾粗砂岩的反映；中阻体位于团块状高阻体过渡带呈透镜状、似层状分布且反演电阻率值为20～35 Ω·m，为下白垩统河口群下岩组古河道砂体的反映。砂体位置分布于断面平距为1.2～2.6 km处，厚度范围为0～130 m。

(5)第5电性层位于反演电阻率断面底部，推测为基底，主要由中元古代、新元古代及早古生代变质岩系组成。其分布于平距为1.0～2.6 km处，反演电阻率值大于70 Ω·m，表现为高阻特征，埋深大于150 m，厚度未测量到底界。

纵观整条断面，基底埋深呈西南深、东北浅的特征，埋深大于150 m；沉积盖层主要为下白垩统河口群上下岩组，主要分布于断面的中上部，上部以砂岩、泥质砂岩等沉积物为主，埋深为0～100 m。下部以砂岩、砂砾岩等沉积物为主，埋深为20～350 m。该断面平距为1.6～2.6 km处推测发育多段砂体，目的层下白垩统河口群埋深浅，且呈稳定的单斜形态发育，为铀成矿有利地段，应作为下一步铀矿找矿工作的重点区。

根据上述2条断面CSAMT法测量结果，大致查明了工作区基底由西北向东南埋深逐渐加大，总体呈西北浅东南深的斜坡形态展布；大致查明了第四系、古近系厚度及找矿目的层白垩系下统河口群埋深，并推测出多段可能的砂体分布范围，预测了铀成矿有利地段，为下一步的钻探部署提供了重要依据。

3.3 钻探验证情况

为了验证CSAMT法测量成果的可靠性，分别在断面推测的铀成矿有利地段部署钻孔进行了验证。在L1线平距1.95 km和L2线平距1.85 km处分别施工钻孔ZKB6-1和ZKB20-2，其中L1线ZKB6-1为铀工业孔，孔内见到1层工业铀矿体和2层铀矿化。L2线ZKB20-2为铀矿化孔，孔内见到2层铀矿化，见矿情况见表4。铀矿化位于上白垩统河口群上岩组第二岩性段，赋矿岩性为疏松灰色、褐黄色、棕红色细-粗砂岩，受层间氧化带控制。

表4 钻孔见矿情况一览表Table 4 List of drilling and mining conditions

4 结论

(1)CSAMT法测量地质解译结果显示，包马庄地区地层结构纵向上大致可分为5层，分别呈中高阻-中阻-低阻-中高阻-高阻电性特征，分别与第四系、上白垩统民和组、下白垩统河口群上岩组、下白垩统河口群下岩组、基底对应。

(2)CSAMT法测量结果能客观地反映隐伏地质体的电阻率异常分布规律，有效查明了盆地基底埋深大于150 m，目的层下白垩统河口群上下岩组埋深小于450 m。

(3)通过CSAMT法测量，圈定了包马庄地区铀成矿有利区段，长度为0.6～1.4 km、厚度小于300 m，并得到了后期钻探工作的验证。