骆燕 刘波 张伟盟刘彦涛程莎莎

(1.核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050002;2.中核集团铀资源地球物理勘查技术(重点实验室),河北 石家庄 050002;3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室,河北 石家庄 050002)

内蒙古东部阿巴嘎旗及其以北地区是内蒙古东部新生代火山活动相对集中的地区之一,在阿巴嘎旗、锡林浩特、灰腾梁等地出露有大面积新生代玄武岩[1]。据国外有关铀矿地质资料,阿巴嘎旗北部蒙古国境内的达里甘嘎地区玄武岩盖下发现了大型砂岩型铀矿床。其上覆玄武岩与阿巴嘎旗玄武岩同为晚更新世喷发,并且是连为一体的[2]。玄武岩为古河道提供了后期热源,促进铀的再次活化、迁移,并对已形成的铀矿化起到了保护作用。为了解研究区砂岩型铀成矿空间特征,首先需要摸清玄武岩覆盖层的展布形态和分布范围,并将其剥离。

我国对玄武岩覆盖区开展地球物理探测及研究主要集中在吉林长白山地区[3--6],内蒙古乌兰察布[7]、内蒙古阿巴嘎旗[8]、山东蓬莱[9]、江汉油田[10]等玄武岩覆盖区也开展过相应研究。通常使用的地球物理方法有:电磁法[4--5,8]、磁法[6]、地震法[10--12]、重力法[6]等。针对大面积玄武岩覆盖区,常规的物探方法具有一定的局限性。本次研究使用最新获取的二连盆地阿巴嘎旗地区东部航空瞬变电磁(TEM)及航磁数据,在资料解释的基础上有效地探测了研究区玄武岩的空间展布特征。

航空TEM(瞬变电磁法)测量通过人工发射脉冲电流,接收地下导电介质感应电磁场(亦称为“二次场”)响应,进而分析多种电磁场信息,推断解释场源体电性分布,以达到探测地质目标体或解决地质问题的目的。该方法具有分辨率高、对低阻异常敏感等优势,在多金属矿产勘查中应用广泛[13--17],探测效果显著,在新水井--芨岭地区硬岩型铀矿勘查中已有应用[18--19],在砂岩型铀矿勘查中尚属首次。

1 地质概况

阿巴嘎旗地区(研究区)跨二连盆地马尼特坳陷和苏尼特隆起两个二级构造单元。贺根山岩石圈断裂呈北东东向横贯全区,控制着北部马尼特坳陷和南部苏尼特隆起的形成、发育与空间展布。

区内零星岀露下古生界志留系、上古生界泥盆系、石炭系和二叠系;中生界出露少量上侏罗统、下白垩统巴彦花群和上白垩统二连组,新近系和第四系几乎覆盖全区。第四系正常沉积物为冲洪积砂砾、湖积黏土和风成砂,主要分布于研究区北部。上更新统玄武岩(β1)呈岩盖状大面积分布于研究区中南部,玄武岩最厚达143 m[20]。北部零星分布的玄武岩呈北西西向带状展布。根据已知地质资料可知研究区上更新统玄武岩视电阻率一般大于70Ω·m[21]。

2 玄武岩覆盖层解释技术

2.1 玄武岩覆盖层航磁解释

通过研究发现,已知资料的上更新统玄武岩区对应曲线图上正负剧烈跳动的带状磁异常区,推测这些异常由玄武岩引起。本次玄武岩信息提取过程中,为确定玄武岩岩性,使用航磁ΔT及航磁ΔT高通滤波(截止波长20采样点)剖面进行综合分析。

图1为L1020线0～50 km 航磁ΔT及航磁ΔT高通滤波曲线图,在该图中有5处航磁异常,其中1号异常航磁ΔT曲线较为圆滑,经高通滤波后异常消失,推测不是玄武岩的反映;2～5号异常航磁ΔT曲线表现为正负剧烈跳动的“尖峰”异常,经高通滤波后表现为正负跳跃的尖刺状异常,主要特征为:

图1 L1020线0～50 km 航磁ΔT 及航磁ΔT 高通滤波曲线图Fig.1 AeromagneticΔT and it's high pass filter curve at the segment of 0～50 km in survey line L1020

1)航磁ΔT曲线上表现为正负剧烈跳动的尖峰状异常,异常幅值在100～800 n T 之间;单个异常宽度较小,一般不超过1 km;

2)航磁ΔT高通滤波曲线上表现为正负跳跃的尖刺状异常,异常幅值绝对值一般大于3 n T。

根据火成岩的磁性,喷出岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近,其磁化率的一般特征相同。由于喷出岩迅速且不均匀地冷却,结晶速度快,使磁化率离散性大[22]。因此本区航磁异常经高通滤波后突出高频信息推测由玄武岩引起,即2～5号异常为玄武岩引起。

2.2 玄武岩覆盖层航空TEM 解释

根据以往物性资料,马尼特坳陷西南部及乌兰察布坳陷东北部玄武岩视电阻率较高,一般在70Ω·m 以上[21],因此在反演电阻率断面图上首先进行断面电性分层解释。根据断面电阻率特征,从上而下玄武岩位于第一电性层。

玄武岩底界面的解释推断,主要根据反演电阻率断面进行识别。纵观所有电阻率断面发现,玄武岩覆盖层与下伏低阻层之间存在明显电性差异。虽然在反演电阻率剖面上部均有一水平层状中高阻层,但这并不全是玄武岩层的反映。从航磁ΔT曲线和高通滤波曲线可以看出,在曲线的不同部位,异常特征存在较明显的差异。其中一些地段航磁ΔT曲线表现为正负剧烈跳动的“尖峰”异常,经高通滤波后表现为正负跳跃的尖刺状异常,具备典型的火山岩磁场特征,推测该异常为玄武岩盖层引起。而有些地段航磁ΔT曲线则较为圆滑,经高通滤波后异常消失,磁异常曲线平缓,推测为深部磁性体引起。由上述航空TEM 及航磁特征分析可知,上部中高阻层大致存在两种情况,根据航磁测量结合航空TEM 结果可以识别玄武岩空间展布特征。

图2 为L1020 线0～6 km 航磁及航空TEM 综合断面图,由图可知,该段航磁异常(1号)在反演电阻率断面图上表层为一薄层中高阻体,且高阻连续性不佳,航磁ΔT曲线表现为缓起伏的曲线特征,高通滤波后则变为低幅平缓曲线,故推断该异常不是玄武岩引起的。

图2 L1020线0～6 km 综合断面图Fig.2 Comprehensive section at the segment of 0～6 km in survey line L1020

图3为L1020线44～50 km 综合断面图,由图可知,该段航磁异常(5号)处,反演电阻率断面图上表层也为一层中高阻,反演电阻率值一般大于100Ω·m,最高可达上千Ω·m,高阻层的连续性好。航磁ΔT曲线具有强烈高频起伏变化特征,高通滤波后虽然幅值有所降低,但曲线基本形态未发生明显变化。故此,可以根据上述航磁ΔT及航磁ΔT高通滤波特征,判断该异常由玄武岩引起;以电阻率断面图中的表层高阻层与下层中低阻过渡带作为玄武岩盖层底界面。

2.3 玄武岩覆盖层航磁、航空TEM 异常特征

根据上述解释技术总结玄武岩覆盖层航磁及航空TEM 异常特征:

图3 L1020线44～50 km 综合断面图Fig.3 Comprehensive sections at the segment of 44～50 km in survey line L1020

航磁ΔT剖面上,正负剧烈跳动的尖峰状异常,幅值在100～800 n T 之间;单个异常宽度较小,一般不超过1 km。航磁ΔT高通滤波曲线上表现为正负跳跃的尖刺状异常,异常幅值绝对值一般大于3 n T。通过该航磁特征,可以推断玄武岩岩性。

航空TEM 反演电阻率断面图上,地表往下第一电性层;电阻率值一般在100～700Ω·m之间,局部地段大于1 500Ω·m。根据玄武岩盖层电阻率特征,并结合上述解释的平面范围,推断解释出玄武岩的底界面位置。

通过航磁ΔT及航磁ΔT高通滤波剖面确定玄武岩岩性,通过航空TEM 反演电阻率断面划定玄武岩层底界面,大致查明了玄武岩覆盖层的厚度及其空间展布特征,从而将表层玄武岩剥离。

3 研究区玄武岩覆盖层剥离

3.1 推断玄武岩盖层平面投影

将剖面上玄武岩层的位置标注在平面图上,结合已知玄武岩层分布范围,推测玄武岩层的平面范围。由图4可知,推测的玄武岩主要分布在研究区东南部,整体上与已知玄武岩范围吻合。阿巴嘎旗、马幸呼都格东部及东南部零星出露的侵入岩,在本次推测过程中均能与玄武岩区区分。东南部玄武岩层大范围分布区中,未将网状的第四系沉积物与玄武岩层区分,推测这与第四系沉积物分布范围小且零散有关。

研究区北部零星分布的玄武岩呈北西或北北西向带状展布。由于测线间距较大,L1010线与L1020线北缘平距0～15 km 之间的玄武岩未被探测到。同样的情况在L1070 线与L1080线北部、L1110线与L1120线北部也同样存在。由此可知,航空TEM 测线间距过大会导致测线间地质要素推断解释部分缺失,因此建议测量间距不宜过大,一般不大于500 m。

3.2 玄武岩厚度

将玄武岩顶界面高程(DEM)减去底界面高程(推断)得到玄武岩层厚度数据,并绘制成平面图(图5),通过分析发现,玄武岩厚度总体表现为以玄武岩通道为中心向周围厚度逐渐变薄的特征。

图4 研究区玄武岩层分布Fig.4 Basalt cover in the study area

根据提取的玄武岩空间信息,经统计除玄武岩通道外,推断玄武岩平均厚度为66 m。统计推断玄武岩分布面积约为4 146 km2,地质图上统计研究区玄武岩出露面积为3 438 km2,所推断圈定玄武岩层分布范围较出露范围扩大708 km2。玄武岩层有如下空间分布特征:

1)研究区北部玄武岩分布较分散,且以水平薄层为主,一般厚度在10～50 m 之间,局部可达70～80 m。在靠近贺根山断裂带北侧的L1010、L1040线上和北部的乌兰乌苏西,有3处厚度大于100 m 的玄武岩覆盖区,与反演电阻率断面解释结合分析,推测为玄武岩喷溢通道,最大值处为火山颈位置。

2)以中部的贺根山断裂为界,研究区南部与北部相比,玄武岩分布特征明显不同。厚度明显大于北部,且变化较大。一般厚度在30～75 m 之间,局部地段厚度大于100 m。厚度在30～75 m 之间的玄武岩在断面上呈水平层状展布,推测为岩浆溢流形成;局部厚度较大地段多呈“鼓包”状正地形,往往下面或附近发育有玄武岩喷溢通道,或者是近直立的火山颈。

3)在阿巴嘎旗北和乌沙呼都格东分布有两个极厚的玄武岩地段,高值区呈团块状,推测此处玄武岩以“中心式”喷发为主,喷发通道分布密集。其他地段分布较分散,推测为“裂隙＋中心式”喷发活动的结果。

4)结合反演电阻率断面地质解释分析,在研究区南部隆起带上,次级凹凸单元上的玄武岩厚度也存在明显差异,局部凹陷内玄武岩分布往往较薄,一般厚度约30～50 m,而凸起地段玄武岩的分布却较厚,一般厚度大于70 m,局部大于100 m。

图5 研究区玄武岩层厚度等值线图Fig.5 Contour map of basalt cover thickness in the study area

3.3 玄武岩覆盖层数据库

逐线提取断面推断的玄武岩底界面海拔数据,并将其与基础物探数据库合并,生成玄武岩空间位置数据库。该数据库既包括基础物探数据库中的平面坐标数据及反演电阻率数据,同时也加入了玄武岩顶/底界面海拔高程数据及计算出的玄武岩厚度数据。图6为根据数据库绘制的研究区玄武岩盖层三维示意图。

4 结论

1)首次通过在玄武岩覆盖区开展航空TEM 测量,将先进的航空TEM 技术引入到砂岩型铀矿勘查中。根据航空TEM 及航磁综合信息研究与分析,确定了剥离玄武岩层的技术方法,为寻找玄武岩覆盖层下方的砂岩型铀矿提供了重要的资料依据,表明该方法在玄武岩覆盖区的应用研究是成功的。

图6 研究区玄武岩盖层三维示意图Fig.6 Three dimensional schematic diagram of basalt cover in the study area

2)航空TEM 及航磁综合测量周期短、效率高、相对成本低、效果明显,通过航空TEM及航磁综合信息不仅可以剥离玄武岩盖层,还可以研究覆盖层下的深部地层结构、构造特征,识别古河道(谷)展布及砂体分布情况,能为砂岩型铀矿成矿环境研究提供基础资料,值得在我国盆地砂岩型铀矿勘查中大面积推广应用。