航空TEM 及航磁資料在剝離玄武巖蓋層中的應用研究
——以阿巴嘎旗地區為例

駱燕 劉波 張偉盟劉彥濤程莎莎

(1.核工業航測遙感中心,河北 石家莊 050002;2.中核集團鈾資源地球物理勘查技術(重點實驗室),河北 石家莊 050002;3.河北省航空探測與遙感技術重點實驗室,河北 石家莊 050002)

內蒙古東部阿巴嘎旗及其以北地區是內蒙古東部新生代火山活動相對集中的地區之一,在阿巴嘎旗、錫林浩特、灰騰梁等地出露有大面積新生代玄武巖[1]。據國外有關鈾礦地質資料,阿巴嘎旗北部蒙古國境內的達里甘嘎地區玄武巖蓋下發現了大型砂巖型鈾礦床。其上覆玄武巖與阿巴嘎旗玄武巖同為晚更新世噴發,并且是連為一體的[2]。玄武巖為古河道提供了后期熱源,促進鈾的再次活化、遷移,并對已形成的鈾礦化起到了保護作用。為了解研究區砂巖型鈾成礦空間特征,首先需要摸清玄武巖覆蓋層的展布形態和分布范圍,并將其剝離。

我國對玄武巖覆蓋區開展地球物理探測及研究主要集中在吉林長白山地區[3--6],內蒙古烏蘭察布[7]、內蒙古阿巴嘎旗[8]、山東蓬萊[9]、江漢油田[10]等玄武巖覆蓋區也開展過相應研究。通常使用的地球物理方法有:電磁法[4--5,8]、磁法[6]、地震法[10--12]、重力法[6]等。針對大面積玄武巖覆蓋區,常規的物探方法具有一定的局限性。本次研究使用最新獲取的二連盆地阿巴嘎旗地區東部航空瞬變電磁(TEM)及航磁數據,在資料解釋的基礎上有效地探測了研究區玄武巖的空間展布特征。

航空TEM(瞬變電磁法)測量通過人工發射脈沖電流,接收地下導電介質感應電磁場(亦稱為“二次場”)響應,進而分析多種電磁場信息,推斷解釋場源體電性分布,以達到探測地質目標體或解決地質問題的目的。該方法具有分辨率高、對低阻異常敏感等優勢,在多金屬礦產勘查中應用廣泛[13--17],探測效果顯著,在新水井--芨嶺地區硬巖型鈾礦勘查中已有應用[18--19],在砂巖型鈾礦勘查中尚屬首次。

1 地質概況

阿巴嘎旗地區(研究區)跨二連盆地馬尼特坳陷和蘇尼特隆起兩個二級構造單元。賀根山巖石圈斷裂呈北東東向橫貫全區,控制著北部馬尼特坳陷和南部蘇尼特隆起的形成、發育與空間展布。

區內零星岀露下古生界志留系、上古生界泥盆系、石炭系和二疊系;中生界出露少量上侏羅統、下白堊統巴彥花群和上白堊統二連組,新近系和第四系幾乎覆蓋全區。第四系正常沉積物為沖洪積砂礫、湖積黏土和風成砂,主要分布于研究區北部。上更新統玄武巖(β1)呈巖蓋狀大面積分布于研究區中南部,玄武巖最厚達143 m[20]。北部零星分布的玄武巖呈北西西向帶狀展布。根據已知地質資料可知研究區上更新統玄武巖視電阻率一般大于70Ω·m[21]。

2 玄武巖覆蓋層解釋技術

2.1 玄武巖覆蓋層航磁解釋

通過研究發現,已知資料的上更新統玄武巖區對應曲線圖上正負劇烈跳動的帶狀磁異常區,推測這些異常由玄武巖引起。本次玄武巖信息提取過程中,為確定玄武巖巖性,使用航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波(截止波長20采樣點)剖面進行綜合分析。

圖1為L1020線0～50 km 航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波曲線圖,在該圖中有5處航磁異常,其中1號異常航磁ΔT曲線較為圓滑,經高通濾波后異常消失,推測不是玄武巖的反映;2～5號異常航磁ΔT曲線表現為正負劇烈跳動的“尖峰”異常,經高通濾波后表現為正負跳躍的尖刺狀異常,主要特征為:

圖1 L1020線0～50 km 航磁ΔT 及航磁ΔT 高通濾波曲線圖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曲線上表現為正負劇烈跳動的尖峰狀異常,異常幅值在100～800 n T 之間;單個異常寬度較小,一般不超過1 km;

2)航磁ΔT高通濾波曲線上表現為正負跳躍的尖刺狀異常,異常幅值絕對值一般大于3 n T。

根據火成巖的磁性,噴出巖在化學和礦物成分上與同類侵入巖相近,其磁化率的一般特征相同。由于噴出巖迅速且不均勻地冷卻,結晶速度快,使磁化率離散性大[22]。因此本區航磁異常經高通濾波后突出高頻信息推測由玄武巖引起,即2～5號異常為玄武巖引起。

2.2 玄武巖覆蓋層航空TEM 解釋

根據以往物性資料,馬尼特坳陷西南部及烏蘭察布坳陷東北部玄武巖視電阻率較高,一般在70Ω·m 以上[21],因此在反演電阻率斷面圖上首先進行斷面電性分層解釋。根據斷面電阻率特征,從上而下玄武巖位于第一電性層。

玄武巖底界面的解釋推斷,主要根據反演電阻率斷面進行識別?？v觀所有電阻率斷面發現,玄武巖覆蓋層與下伏低阻層之間存在明顯電性差異。雖然在反演電阻率剖面上部均有一水平層狀中高阻層,但這并不全是玄武巖層的反映。從航磁ΔT曲線和高通濾波曲線可以看出,在曲線的不同部位,異常特征存在較明顯的差異。其中一些地段航磁ΔT曲線表現為正負劇烈跳動的“尖峰”異常,經高通濾波后表現為正負跳躍的尖刺狀異常,具備典型的火山巖磁場特征,推測該異常為玄武巖蓋層引起。而有些地段航磁ΔT曲線則較為圓滑,經高通濾波后異常消失,磁異常曲線平緩,推測為深部磁性體引起。由上述航空TEM 及航磁特征分析可知,上部中高阻層大致存在兩種情況,根據航磁測量結合航空TEM 結果可以識別玄武巖空間展布特征。

圖2 為L1020 線0～6 km 航磁及航空TEM 綜合斷面圖,由圖可知,該段航磁異常(1號)在反演電阻率斷面圖上表層為一薄層中高阻體,且高阻連續性不佳,航磁ΔT曲線表現為緩起伏的曲線特征,高通濾波后則變為低幅平緩曲線,故推斷該異常不是玄武巖引起的。

圖2 L1020線0～6 km 綜合斷面圖Fig.2 Comprehensive section at the segment of 0～6 km in survey line L1020

圖3為L1020線44～50 km 綜合斷面圖,由圖可知,該段航磁異常(5號)處,反演電阻率斷面圖上表層也為一層中高阻,反演電阻率值一般大于100Ω·m,最高可達上千Ω·m,高阻層的連續性好。航磁ΔT曲線具有強烈高頻起伏變化特征,高通濾波后雖然幅值有所降低,但曲線基本形態未發生明顯變化。故此,可以根據上述航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波特征,判斷該異常由玄武巖引起;以電阻率斷面圖中的表層高阻層與下層中低阻過渡帶作為玄武巖蓋層底界面。

2.3 玄武巖覆蓋層航磁、航空TEM 異常特征

根據上述解釋技術總結玄武巖覆蓋層航磁及航空TEM 異常特征:

圖3 L1020線44～50 km 綜合斷面圖Fig.3 Comprehensive sections at the segment of 44～50 km in survey line L1020

航磁ΔT剖面上,正負劇烈跳動的尖峰狀異常,幅值在100～800 n T 之間;單個異常寬度較小,一般不超過1 km。航磁ΔT高通濾波曲線上表現為正負跳躍的尖刺狀異常,異常幅值絕對值一般大于3 n T。通過該航磁特征,可以推斷玄武巖巖性。

航空TEM 反演電阻率斷面圖上,地表往下第一電性層;電阻率值一般在100～700Ω·m之間,局部地段大于1 500Ω·m。根據玄武巖蓋層電阻率特征,并結合上述解釋的平面范圍,推斷解釋出玄武巖的底界面位置。

通過航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波剖面確定玄武巖巖性,通過航空TEM 反演電阻率斷面劃定玄武巖層底界面,大致查明了玄武巖覆蓋層的厚度及其空間展布特征,從而將表層玄武巖剝離。

3 研究區玄武巖覆蓋層剝離

3.1 推斷玄武巖蓋層平面投影

將剖面上玄武巖層的位置標注在平面圖上,結合已知玄武巖層分布范圍,推測玄武巖層的平面范圍。由圖4可知,推測的玄武巖主要分布在研究區東南部,整體上與已知玄武巖范圍吻合。阿巴嘎旗、馬幸呼都格東部及東南部零星出露的侵入巖,在本次推測過程中均能與玄武巖區區分。東南部玄武巖層大范圍分布區中,未將網狀的第四系沉積物與玄武巖層區分,推測這與第四系沉積物分布范圍小且零散有關。

研究區北部零星分布的玄武巖呈北西或北北西向帶狀展布。由于測線間距較大,L1010線與L1020線北緣平距0～15 km 之間的玄武巖未被探測到。同樣的情況在L1070 線與L1080線北部、L1110線與L1120線北部也同樣存在。由此可知,航空TEM 測線間距過大會導致測線間地質要素推斷解釋部分缺失,因此建議測量間距不宜過大,一般不大于500 m。

3.2 玄武巖厚度

將玄武巖頂界面高程(DEM)減去底界面高程(推斷)得到玄武巖層厚度數據,并繪制成平面圖(圖5),通過分析發現,玄武巖厚度總體表現為以玄武巖通道為中心向周圍厚度逐漸變薄的特征。

圖4 研究區玄武巖層分布Fig.4 Basalt cover in the study area

根據提取的玄武巖空間信息,經統計除玄武巖通道外,推斷玄武巖平均厚度為66 m。統計推斷玄武巖分布面積約為4 146 km2,地質圖上統計研究區玄武巖出露面積為3 438 km2,所推斷圈定玄武巖層分布范圍較出露范圍擴大708 km2。玄武巖層有如下空間分布特征:

1)研究區北部玄武巖分布較分散,且以水平薄層為主,一般厚度在10～50 m 之間,局部可達70～80 m。在靠近賀根山斷裂帶北側的L1010、L1040線上和北部的烏蘭烏蘇西,有3處厚度大于100 m 的玄武巖覆蓋區,與反演電阻率斷面解釋結合分析,推測為玄武巖噴溢通道,最大值處為火山頸位置。

2)以中部的賀根山斷裂為界,研究區南部與北部相比,玄武巖分布特征明顯不同。厚度明顯大于北部,且變化較大。一般厚度在30～75 m 之間,局部地段厚度大于100 m。厚度在30～75 m 之間的玄武巖在斷面上呈水平層狀展布,推測為巖漿溢流形成;局部厚度較大地段多呈“鼓包”狀正地形,往往下面或附近發育有玄武巖噴溢通道,或者是近直立的火山頸。

3)在阿巴嘎旗北和烏沙呼都格東分布有兩個極厚的玄武巖地段,高值區呈團塊狀,推測此處玄武巖以“中心式”噴發為主,噴發通道分布密集。其他地段分布較分散,推測為“裂隙＋中心式”噴發活動的結果。

4)結合反演電阻率斷面地質解釋分析,在研究區南部隆起帶上,次級凹凸單元上的玄武巖厚度也存在明顯差異,局部凹陷內玄武巖分布往往較薄,一般厚度約30～50 m,而凸起地段玄武巖的分布卻較厚,一般厚度大于70 m,局部大于100 m。

圖5 研究區玄武巖層厚度等值線圖Fig.5 Contour map of basalt cover thickness in the study area

3.3 玄武巖覆蓋層數據庫

逐線提取斷面推斷的玄武巖底界面海拔數據,并將其與基礎物探數據庫合并,生成玄武巖空間位置數據庫。該數據庫既包括基礎物探數據庫中的平面坐標數據及反演電阻率數據,同時也加入了玄武巖頂/底界面海拔高程數據及計算出的玄武巖厚度數據。圖6為根據數據庫繪制的研究區玄武巖蓋層三維示意圖。

4 結論

1)首次通過在玄武巖覆蓋區開展航空TEM 測量,將先進的航空TEM 技術引入到砂巖型鈾礦勘查中。根據航空TEM 及航磁綜合信息研究與分析,確定了剝離玄武巖層的技術方法,為尋找玄武巖覆蓋層下方的砂巖型鈾礦提供了重要的資料依據,表明該方法在玄武巖覆蓋區的應用研究是成功的。

圖6 研究區玄武巖蓋層三維示意圖Fig.6 Three dimensional schematic diagram of basalt cover in the study area

2)航空TEM 及航磁綜合測量周期短、效率高、相對成本低、效果明顯,通過航空TEM及航磁綜合信息不僅可以剝離玄武巖蓋層,還可以研究覆蓋層下的深部地層結構、構造特征,識別古河道(谷)展布及砂體分布情況,能為砂巖型鈾礦成礦環境研究提供基礎資料,值得在我國盆地砂巖型鈾礦勘查中大面積推廣應用。