CSAMT正演模擬技術(shù)在松遼盆地南部砂體儲層預(yù)測研究中的應(yīng)用

蘇曉波，張韶華，寧君，王殿學(xué)，徐紅軍，臧亞輝，黃笑

（核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰，024000）

松遼盆地是一個(gè)鈾與煤、石油、天然氣共生的陸相能源盆地，盆地內(nèi)砂巖型鈾礦主要位于層間氧化還原過渡帶內(nèi)，成礦地質(zhì)條件嚴(yán)格，控礦因素多，查明鈾礦床的成礦地質(zhì)環(huán)境和追蹤容礦砂體的分布是勘查過程中的重要任務(wù)［1-2］，目前盆內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了錢家店、二龍山、寶龍山等鈾礦床。砂體是砂巖型鈾礦最重要的成礦條件之一，它既是含鈾含氧水運(yùn)移的通道，同樣是鈾礦賦存的有利空間，因此查明砂體的分布位置、形態(tài)、埋深對于砂巖型鈾礦的勘查具有非常重要的意義［3-6］。鉆探對于鈾礦體定位準(zhǔn)確，然后通過測井可以獲得深部鈾礦化和地質(zhì)信息，但鉆探成本高，單靠鉆探查明一個(gè)鈾礦床需要投入巨大的工作量。在砂巖型鈾礦勘查中，為了有效配合地質(zhì)工作，減少鉆探工作量，縮短勘探周期，早日實(shí)現(xiàn)找鈾突破，尋找一種有效的物探方法無疑是當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)踐中的當(dāng)務(wù)之急［7］。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是在音頻大地電磁法（AMT）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的采用可控長導(dǎo)線源進(jìn)行頻率測深的電磁勘探方法，克服了天然場信號弱、隨機(jī)性強(qiáng)的缺點(diǎn)，該方法分辨率高、探測深度范圍大、工作效率高，目前在石油、天然氣和地?zé)犷I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［8-10］。但現(xiàn)階段在研究盆地蓋層厚度、基底起伏、成礦目的層分布以及確定隱伏構(gòu)造方面地震勘探方法應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是分辨率更高，但是地震方法成本高，在地質(zhì)條件差的地區(qū)很難獲得高品質(zhì)的資料，給解釋帶來較大困難。本文主要論述在松遼盆地南部開展CSAMT 方法的可行性，驗(yàn)證CSAMT方法是否可以作為砂巖型鈾礦勘查的有效技術(shù)手段。

松南八仙筒地區(qū)地層多且復(fù)雜，通過以往鉆孔巖心的物性資料來看，各地層之間的電阻率差異不大，因此對該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行CSAMT 正演模擬，在理論上驗(yàn)證CSAMT 方法是否可以劃分目的層，圈定砂體空間展布可以有效減少勘探盲目性，從而提高找礦效率。

1 地質(zhì)概況

八仙筒地區(qū)位于松遼盆地西南部，區(qū)內(nèi)分布3 個(gè)構(gòu)造單元，包括哲中凹陷、舍伯吐凸起和哲東南隆起。三級構(gòu)造單元的形成改變了地下的水動力條件，有利于后生氧化作用，形成具有一定規(guī)模的層間氧化帶，為鈾成礦提供了有利條件［11-13］。區(qū)內(nèi)“下斷、上坳”的蓋層結(jié)構(gòu)有利于下伏斷陷地層中的大量還原流體沿著構(gòu)造通道運(yùn)移至上覆的坳陷地層中，為砂巖后生還原改造提供條件［14］?；字饕獮槭?二疊系變質(zhì)巖。目的層姚家組（K2y）分布廣泛，其上覆為嫩江組（K2n），下伏為青山口組（K2qn）、下白堊統(tǒng)義縣組（K1y）或石炭-二疊系變質(zhì)巖（C-P），形成了穩(wěn)定的頂?shù)装甯羲畬?。含礦目的層為姚家組砂體，受沉積相帶控制，在八仙筒地區(qū)發(fā)育有利成礦的辮狀河相砂體，砂體厚一般為80～145 m，含砂率一般為70%～90%，滲透性成層性較好，為本區(qū)有利的成礦砂體。巖性以褐紅、磚紅、灰色中細(xì)砂巖為主，下部常見為紫紅色砂質(zhì)礫巖，為鈾成礦提供了有利的相帶條件［15］。

區(qū)內(nèi)基底斷裂發(fā)育，多數(shù)斷裂形成于中生代，按形成時(shí)間由早到晚大致可分為EW、NE、NW 向3 組斷裂，以NE 向斷裂最為發(fā)育，斷裂往往對構(gòu)造單元具有明顯控制作用，其切穿了中、新生代沉積蓋層并貫通基底，溝通了深部還原流體與中、新生代地層的聯(lián)系，為后生砂巖型鈾成礦提供了足夠的還原劑［16-17］。

2 巖層電性特征及其2.5 維CSAMT 典型正演模型的建立

影響巖石電阻率大小的因素除了巖層所含水分、溫度等外在因素，最主要的因素就是巖石的成分與結(jié)構(gòu)［18］。沉積巖中巖石電阻率大小主要取決于巖石顆粒大小，顆粒越大電阻率越高，因此沉積巖中電阻率從大到小依次為礫巖、砂礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，這為CSAMT 方法探測該類型的砂體提供了物性條件。根據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦來看，構(gòu)成鈾礦化的砂體主要以砂礫、細(xì)砂和粗砂為主［3］。

根據(jù)該地區(qū)鉆孔統(tǒng)計(jì)的巖層地球物理特征資料，第四系表現(xiàn)為高阻特征，明水組和四方臺組表現(xiàn)為中阻特征，嫩江組表現(xiàn)為低阻特征，姚家組、青山口組、泉頭組表現(xiàn)為中低阻特征，下白堊統(tǒng)表現(xiàn)為中高阻特征，基底為石炭-二疊系變質(zhì)巖、前古生代變質(zhì)巖及花崗巖等，表現(xiàn)為高阻。各地層電阻率存在差異，為CSAMT 方法的開展提供了有利的理論前提。但是除第四系及基底高阻外，其他地層之間的電阻率差異不大。

目前一維、二維正演模擬技術(shù)發(fā)展較為成熟，但是用一維、二維模型來模擬實(shí)際中真實(shí)的三維大地模型，將導(dǎo)致正演結(jié)果誤差較大，而三維正演數(shù)值模擬技術(shù)受硬件等條件限制，計(jì)算效率較低，因此少見于應(yīng)用。綜上所述我們優(yōu)選2.5D 正演模擬技術(shù)進(jìn)行研究，原因?yàn)椋貉芯繀^(qū)的地層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，更接近于二維模型；2.5D 正演數(shù)值模擬指的是源為三維、模型為二維的地球物理模擬問題［19-21］，具有重要的實(shí)用價(jià)值，它將復(fù)雜的三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，大大減小計(jì)算矩陣的大小，計(jì)算速度快，計(jì)算精度高［22］，因此本次試驗(yàn)研究采用雙二次插值的2.5D 有限元正演算法。

為了研究八仙筒地區(qū)目的層砂體的正演響應(yīng)特征，根據(jù)其他方法和施工鉆孔已查明的常見層位及地電特征（表1），設(shè)計(jì)了如圖1 所示的2.5D 可控源正演模型。模型在X 方向和Z 方向上無限長以消除邊界效應(yīng)的影響，模型沿Y方向無限延伸，發(fā)射源長1 km，收發(fā)距10 km，計(jì)算區(qū)域如圖1 虛線所選區(qū)域，斷裂F1傾向—X 方向，傾角75°。

圖1 2.5D CSAMT 正演模型Fig.1 2.5D CSAMT forward model

表1 八仙筒地區(qū)巖層地球物理特征統(tǒng)計(jì)Table 1 The geophysical characteristics of strata in Baxiantong area

模型正演計(jì)算采用個(gè)人fortran 編寫的基于等參變換的雙二次插值2.5D 可控源程序，正演結(jié)果為TM 模式下共計(jì)31 個(gè)計(jì)算頻率（1～8192 Hz）所對應(yīng)的卡尼亞視電阻率及阻抗數(shù)據(jù)。對正演數(shù)據(jù)進(jìn)行二維OCCAM 反演，則可以得到二維反演視電阻率斷面圖（圖2）。

圖2 正演模型響應(yīng)二維反演視電阻率斷面圖Fig.2 2D inversion profile of apparent resistivity responded by forward model

由圖2 所示的二維反演視電阻率斷面圖可以看出，反演視電阻率斷面特征與我們設(shè)計(jì)的正演模型特征相吻合，各地層的深度及厚度與正演模型也較為一致。在水平方向上1 200～1 400 m 兩側(cè)的電性層出現(xiàn)了水平方向上突然的抬升，可以判定是由F1斷裂引起的。據(jù)此說明，在該地區(qū)的沉積盆地中應(yīng)用CSAMT 方法進(jìn)行地層探測是可行的。

3 CSAMT 正演模擬結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中的驗(yàn)證

通過以上2.5D CSAMT 正演數(shù)值模擬在理論上表明CSAMT 方法能夠有效獲得該地區(qū)地層的電性結(jié)構(gòu)特征。但在實(shí)際工作中，真實(shí)大地結(jié)構(gòu)為三維，而且地層、巖性和構(gòu)造等更為復(fù)雜，CSAMT方法是否可以作為該地區(qū)砂巖型鈾礦勘查的有效方法還需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證。

根據(jù)已有的地質(zhì)資料，在八仙筒工作區(qū)內(nèi)布設(shè)了一條方向SE、長18 km 的可控源T1 剖面，該剖面穿過哲中凹陷和哲東南凸起（圖3），點(diǎn)距200 m，測線方位135°；共設(shè)計(jì)41個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍1～8 533 Hz，收發(fā)距13 km，場源長度為1 200 m。本次測量采用加拿大Phoenix 公司生產(chǎn)的V8 多功能電法儀，數(shù)據(jù)預(yù)處理采用V8多功能電法儀配套軟件CMTProVersion，首先對野外采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將出現(xiàn)的壞段頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)嗵幚?；其次校正電極點(diǎn)位坐標(biāo)偏差，對原始數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行圓滑處理；最后進(jìn)行地形改正以此來消除地形和靜態(tài)效應(yīng)的影響。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)采用Pioneer軟件進(jìn)行二維反演，得到了二維視電阻率反演等值線平面圖。

圖3 勘探區(qū)CSAMT 測量剖面布置Fig.3 The layout of CSAMT profiles in exploration area

從CSAMT 二維視電阻率反演剖面和地質(zhì)解譯斷面圖（圖4）中可以看出，該剖面地電結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為5～6 層的電性結(jié)構(gòu)，電阻率表現(xiàn)為：第四系和基底表現(xiàn)為高阻，泥巖表現(xiàn)為低阻，砂巖表現(xiàn)為中阻。在剖面13～14 km 處，電阻率在水平方向上發(fā)生整體的抬升，推斷存在F1斷裂，傾向NW，傾角大約60°。

圖4 八仙筒地區(qū)T1 線CSAMT 二維視電阻率反演剖面和地質(zhì)解譯斷面Fig.4 The CSAMT apparent resistivity inversion section and geological interpretation of line T1 in Baxiantong area

剖面起點(diǎn)至F1 斷裂，該段表現(xiàn)為6 層結(jié)構(gòu)：

第一電性層：反演視電阻率為65～250 Ω·m的高阻層，橫向變化連續(xù)穩(wěn)定，厚度大約為100 m，推斷與表層第四系（Q）干燥的風(fēng)成沙、砂礫石、沖洪積物相對應(yīng)，該層由NW 向SE 逐漸變??；

第二電性層：反演視電阻率為12～47 Ω·m的中阻層，橫向展布連續(xù)穩(wěn)定，厚度大約在200～360 m，推斷該中低阻層為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及砂礫巖。結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為上白堊統(tǒng)明水組（K2m）、四方臺組（K2s）；

第三電性層：反演視電阻率為5～12 Ω·m的低阻層，橫向展布連續(xù)穩(wěn)定，厚度大約在200～280 m，推斷該低阻層為以泥巖為主的沉積層，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為上白堊統(tǒng)嫩江組（K2n）；

第四電性層：反演視電阻率為12～57 Ω·m的中阻層，橫向展布連續(xù)穩(wěn)定，厚度大約在400～700 m，反映以中細(xì)砂、粗砂、砂質(zhì)礫巖互層為主的沉積層，推斷此中阻層由砂巖引起。根據(jù)地質(zhì)資料，解釋為上白堊統(tǒng)姚家組（K2y）、青山口組（K2qn）、泉頭組（K2q）；

第五電性層：反演視電阻率為57～80 Ω·m的中高阻層，橫向展布連續(xù)穩(wěn)定，厚度大約在300～500 m，反映為粗砂、含礫石層為主夾薄層泥巖、粉砂巖的沉積層，推斷此中高阻層由砂礫巖引起。根據(jù)地質(zhì)資料，解釋為下白堊統(tǒng)（K1）；

第六電性層：反演視電阻率大于80 Ω·m 的高阻層，其頂板埋深在標(biāo)高-1 000～-1 200 m 之間，解譯為石炭-二疊系變質(zhì)巖、前古生代變質(zhì)巖或花崗巖基底。

F1斷裂至剖面末端，該段表現(xiàn)為5 層結(jié)構(gòu)：高阻的第四系、中阻的砂巖和高阻的基底。

第一電性層：反演視電阻率值為65～250 Ω·m的高阻層，橫向展布較為穩(wěn)定，厚度平均在30 m左右，該層由NW 向SE 逐漸變薄，基本與表層第四系（Q）干燥的風(fēng)成沙、砂礫石、沖洪積物相對應(yīng)。

第二電性層：反演視電阻率值為12～47 Ω·m中阻層，橫向展布均勻穩(wěn)定，平均厚度大約在100 m左右，該層由NW 向SE逐漸變薄。推斷該中阻層是由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及砂礫巖引起。根據(jù)地質(zhì)資料，解釋為上白堊統(tǒng)四方臺組（K2s）、嫩江組（K2n）；

第三電性層：反演視電阻率12～57 Ω·m 中阻層，分布連續(xù)穩(wěn)定，厚度在500 m 左右，反映以中細(xì)砂、粗砂、砂質(zhì)礫巖互層為主的沉積層，推斷此中阻層由砂巖引起。根據(jù)地質(zhì)資料，解釋為上白堊統(tǒng)姚家組（K2y）、青山口組（K2qn）、泉頭組（K2q）；

第四電性層：反演視電阻率57～80 Ω·m 中高阻層，橫向展布連續(xù)穩(wěn)定，厚度平均在400 m 左右，反映為以粗砂、含礫石層為主夾薄層泥巖、粉砂巖的沉積層，推斷此中高阻層由砂礫巖引起。根據(jù)地質(zhì)資料，解釋為下白堊統(tǒng)（K1）地層；

第五電性層：反演視電阻率大于80 Ω·m 的高阻層，其頂板埋深在標(biāo)高-600～-1000 m 左右，向北西方向傾伏，解譯為石炭-二疊系（C-P）變質(zhì)巖、前古生代變質(zhì)巖或花崗巖基底。

圖5 為施工的鉆孔成果資料，結(jié)合圖3 中鉆孔的位置，ZK曼2-4位于T1線平距6 km處，ZK曼2-2 位于T1 線平距15 km 處附近，鉆孔ZK 曼2-5位于測線的北西側(cè)，ZK曼2-1位于測線的南東側(cè)，ZK 曼2-5 和ZK 曼2-1 可以更好地了解測線兩邊地層的延伸分布情況。

圖5 松遼盆地八仙筒地區(qū)施工鉆孔成果Fig.5 The results of drilling in Baxiantong area of Songliao Basin

圖5可知，ZK曼2-4在400m以下揭露到了姚家組的辮狀河相砂體、ZK 曼2-2 在120 m以下揭露到了辮狀河相砂體。砂體呈北西向展布，砂體含砂率為70%～90%，巖性以磚紅、褐黃、灰色中、細(xì)砂巖為主，砂體滲透性好、成層性好，為本區(qū)有利的成礦砂體。鉆探驗(yàn)證結(jié)果與CSAMT 法反演結(jié)果基本一致，只是個(gè)別層位與CSAMT 方法反演成果略有偏差，可能與數(shù)據(jù)處理過程中個(gè)別參數(shù)選擇不當(dāng)或其他因素有關(guān)，但是總體反映了該地段的地電特征。

4 結(jié)論

通過2.5D 正演模擬技術(shù)的理論驗(yàn)證和CSAMT 方法在該地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用及鉆探驗(yàn)證，表明CSAMT 方法在該地區(qū)進(jìn)行砂巖型鈾礦的勘查是行之有效的。

1）正演模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)模型基本吻合，從一定程度上驗(yàn)證了基于雙二次插值的2.5 維CSAMT 正演模擬算法的正確性及可靠性。

2）通過建立八仙筒地區(qū)典型地電結(jié)構(gòu)進(jìn)行正演模擬響應(yīng)研究，在理論上驗(yàn)證了應(yīng)用CSAMT 方法探測該區(qū)目的層砂體及斷裂的空間展布形態(tài)是可行的。

3）將CSAMT 方法在八仙筒地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果與鉆探成果對比分析，認(rèn)為CSAMT 方法對姚家組地層的砂體有很好的探測能力，反演結(jié)果基本與鉆探結(jié)果一致，證實(shí)CSAMT 方法可以作為該地區(qū)砂巖型鈾礦勘查的有效技術(shù)手段，在勘探前期可根據(jù)CSAMT 方法的優(yōu)勢，為砂巖型鈾礦勘查評價(jià)工作提供依據(jù)和支撐，后期與地震方法結(jié)合起來進(jìn)行解譯，可以最大限度地反映出地下的真實(shí)地層結(jié)構(gòu)。