摘要
松辽盆地东北部是近年来砂岩型铀矿勘查关注的重点区域，但因第四系广泛覆盖且勘查程度总体偏低，深部构造特征及其对铀成矿的制约关系亟待深入研究。针对这一关键地质问题，本文利用最新航磁数据，采用频谱分析、切线法、2.5D人机交互反演和磁源参数成像（SPI）等多种技术，综合CSAMT反演结果厘定了深部构造形态与主要断裂分布，探讨了其与铀成矿的关系。研究结果表明：研究区北北东向—北东向、北西向 2组深大断裂主要控制了凹凸构造形态及上白垩统分布，断陷带为古水系发育提供了有利空间，正向构造带改变了上白垩统地下水动力循环机制，有利于后生改造与含铀流体卸载成矿，克山—拜泉、明水—三道镇2片地区是铀矿勘查优先关注的地区。同时指出，在此类第四系广泛覆盖且缺少深钻孔资料的条件下，采用航磁与CSAMT综合反演解释可有效减少地球物理解释多解性，对快速解决砂岩型铀成矿宏观构造环境问题具有重要作用。
Abstract
The northeastern part of the Songliao Basin has been a key area of concern in the exploration of sandstone uranium deposits in recent years. However, due to the wide coverage of the Quaternary system and the overall low exploration degree, the deep structural characteristics and their restrictive relationship on uranium mineralization urgently need in-depth research. In response to this key geological issue, this paper utilizes the latest aeromagnetic data and employs multiple techniques such as spectral analysis, tangential method, 2.5D human-computer interaction inversion, and magnetic source parametric imaging (SPI). By integrating the CSAMT inversion results, the deep structural morphology and the distribution of major faults are determined, and the relationship between them and uranium mineralization is explored. The research results show that: The two groups of deep and large faults in the study area, namely the northeast-northeast-and northeast-northwest, mainly control the concave-convex structural morphology and the distribution of the Upper Cretaceous. The fault depression zone provides a favorable space for the development of paleowater systems. The forward structural zone alters the groundwater dynamic circulation mechanism of the Upper Cretaceous, which is conducive to habiotic transformation and uranium-bearing fluid offloading mineralization. The two areas of Keshan-Baiquan and Mingshui-Sandao Town are the priority areas for uranium exploration. At the same time, it is pointed out that under the conditions where such quaternary systems are widely covered and there is a lack of deep borehole data, the comprehensive inversion interpretation of aeromagnetic and CSAMT can effectively reduce the multi-solution nature of geophysical interpretation, which plays an important role in rapidly solving the macroscopic tectonic environment problems of sandstone-type uranium mineralization.
Keywords
0 引言
20 世纪 90 年代中国铀矿勘查战略方向转入主攻北方砂岩型铀矿以来，松辽盆地一直是重点勘查地区。以核地质系统为主体，先后开展了大量区域调查评价、勘查和科研等工作，从宏观上较为系统地厘定了构造演化、沉积体系、上白垩统层序地层和沉积相带等（张振强等，2005①；佘新民等，2006②； 王始波，2013），为铀成矿环境研究奠定了重要基础。尤其在西南部开鲁坳陷相继发现了钱家店、宝龙山等大、中型以上铀矿床，实现了重大找矿突破 （罗毅等，2007）。相比于盆地西南部，东北部地区铀矿勘查工作程度较低，但近年来随着勘查工作不断推进，核地质系统在泰康、庆安等地段陆续发现了多个砂岩型铀矿工业孔、矿化孔等（罗敏等， 2022③），显示出该区良好的勘查潜力。
地球物理技术在松辽盆地铀矿勘查中发挥了重要支撑作用，如利用早期区域重力、航磁资料划分了盆地构造格架（周锡明等，2016；张翔等， 2019）；利用地震、电磁、微动等方法探测地层结构、目的层及其砂体、断裂、沉积相等重要控矿要素空间分布特征，利用测井分析深部岩性物性和含铀性特征（魏滨等，2019④；孙成城，2019；刘畅等，2022； 谢明宏和邱崇涛，2022⑤；孟锐等，2023）。但在盆地东北部受以往物探资料基本为中、小比例尺的限制，加之不同物探方法各自优势发挥不足，且综合分析深度较为欠缺，以致在盆地基底结构构造、局部凹凸构造形态等深部构造问题研究成果稍显粗略。
为充分发挥地球物理方法在砂岩型铀成矿深部构造环境问题研究中的作用，改善单一方法反演解释多解性问题，本文以松辽盆地东北部北安—大庆地区（东经125°00'~126°30'，北纬46°00'~48°30'） 为研究区，从最新1∶5万高精度航磁数据入手，综合近年可控源音频大地电磁（CSAMT）资料，采用频谱分析、切线法、2.5D 人机交互反演和磁源参数成像 （SPI）等多种技术，厘定了深部构造形态和主要断裂分布，探讨了其与区内砂岩型铀成矿的关系，据此提出了找矿有利构造发育地段，为今后基础地质研究和勘查部署提供了依据。
1 区域地质及岩石物性特征概述
1.1 区域地质概况
松辽盆地为松嫩地块上发育而成的大型陆相沉积盆地，具有基底构造层、断陷层、坳陷层和反转构造层4层结构（葛荣峰等，2010），盆内划分为开鲁坳陷、西南隆起区、西部斜坡区、中央坳陷区、北部倾没区、东北隆起区和东南隆起区等二级构造单元和数十个三级构造单元。研究区构造位置处于北部倾没区东部，南邻中央坳陷区，东接东北隆起区 （图1），即处在隆起区、褶皱带、阶地和深凹陷的过渡部位，构造背景复杂。基底主要由中深变质岩、浅变质岩和同期花岗岩组成，盖层由上侏罗统、白垩系、新近系和第四系组成，但地表除第四系广泛覆盖外，基本无其他地层出露。以往研究表明，坳陷层在形成过程中处于弱伸展背景中，沉积环境较为稳定，其沉积的下白垩统泉头组、上白垩统姚家组是砂岩型铀矿主攻目的层（张振强等，2006；钟延秋和马文娟，2011；代问义等，2019）。
图1研究区大地构造位置图（a）与松辽盆地构造单元划分图（b）
1—潜水氧化带型铀矿点；2—层间氧化带型铀矿点；3—沉积成岩型铀矿点；4—复合成因型铀矿床；5—煤岩型铀矿床；6—盆地边界；7—构造单元界线；8—研究区
表1研究区主要岩性磁性、电性参数特征统计
注：数据来源于2020—2023年核工业二四〇研究所、核工业航测遥感中心实测资料。
1.2 物性特征
由实测物性统计结果可知（表1），在磁性特征上，第四系砂砾石呈弱磁、相对高阻特征，但研究区北缘少量出露第四系玄武岩表现为强磁性。白垩系泥岩、粉砂岩、砂岩等沉积岩呈弱磁特征，其中明水组、四方台组、泉头组电阻率高于嫩江组、姚家组、青山口组。古生界及前寒武系变质岩一般为弱磁性，局部火山岩、深变质岩具有强磁性。各类侵入一般具有中—强磁性，其中花岗岩也表现为明显高阻特征。在电性特征上，第四系中高阻层与上白垩统、低阻、中低阻或中阻层之间存在电性界面，基底花岗岩高阻体与上覆沉积盖层存在明显电性差异。
总体上，研究区内发育2个区域磁性层，即前古生界变质岩弱磁性层、大型隐伏侵入岩、老变质岩组成的中—强磁性层，前者形成了区域平稳航磁背景，后者反映了不同类型叠加磁异常分布特征；电性层垂向上一般具有3层结构，即浅部中高阻层，中部低—中阻层、底部高阻层，分别大致代表了第四系、上白垩统、基底侵入岩的基本电性特征。
2 数据处理及约束反演
2.1 基于航磁的场源界面约束反演分析
研究区基本为中、新生界沉积层厚覆盖，中—强磁性场源主要由不同规模侵入岩、深变质岩和局部火成岩构成。在常规处理中，通常采用延拓或 SPI、欧拉反褶积等单一界面反演方法来分离不同场源、估算界面深度，在缺少深钻孔约束和厚层覆盖的情况下，会造成反演结果误差较大。针对这一问题，本文依次采用了径向对数功率谱法、经验切线法、2.5D 人机交互正反演拟合技术、磁源参数成像 （SPI）技术共4种技术进行联合约束，以提升基底岩相分析和埋深准确性。
2.1.1 频谱分析
利用径向对数功率谱法进行频谱分析的主要作用在于：确定SPI技术进行全区反演的截断深度。由航磁化极ΔT频谱分析可知（图2），截断波数小于 0.1 周/km 段，即波长大于 10 km 的磁异常场源似深度 8~10 km。这类异常在数据宽度范围内，代表区域平稳负磁背景场，其径向功率谱计算的似场源深度主要反映前古生界无—弱磁性场源体深度，并不反映主要火成岩等中等—强磁性地质体场源埋深。截断波数大于 0.1~4.0 周/km 段，即波长在 0.25~10 km 的磁异常，其场源似埋深在 5 km 以内。这类异常与推断隐伏火成岩地质体所引起的航磁异常宽度变化相一致，其径向功率谱计算的似场源深度，即代表了这类地质体的似深度变化。换言之，中等—强磁性火成岩场源似深度一般不超过 5 km。考虑到反演深度应大于主要磁异常场源似深度，将8 km深度作为应用SPI反演全区磁性基底埋深的初始约束条件，即截断深度选取为8 km，对SPI反演结果中超过8 km的测点予以舍弃。
2.1.2 经验切线法与2.5D人机交互法联合分析
在航磁ΔT化极上延500 m网格数据中，截取了 2 条典型区域磁异常长剖面（即图3中 A-B、C-D 剖面），分别利用经验切线法、2.5D人机交互正反演拟合技术反演场源体顶面埋深和磁性参数，前者用于快速估算规整磁异常场源顶面似深度及磁化强度参数，后者用于进一步修正模型以优化反演结果，以2种方法相互约束反演结果再与深钻孔资料进行对比。
图2研究区航磁ΔT化极径向对数功率频谱图
图3研究区北部航磁ΔT化极上延500 m特征及反演剖面位置示意图
按照对称磁异常模型，通过划定磁异常切线、量取特征参量、公式计算等，对强磁、中等强度和中弱强度的3类场源性质和埋深进行了估算。由反演结果可知（图4）：A-B 剖面平距 5000~10000 m 强磁单峰异常场源深度为 710 m，平均磁化强度为 108× 10-3A/m；平距 25000~53000 m 中等强度宽缓异常场源深度为3430 m，平均磁化强度为32×10-3A/m。C-D剖面平距 14000~23000 m 中弱强度似双峰异常场源深度为 570 m，平均磁化强度为 22×10-3A/m。在不考虑剩余磁化强度的情况下，按照磁化率与磁化强度换算公式估算：3 种场源体磁化率依次为 229× 10-5 SI、65×10-5 SI、46×10-5 SI。结合物性分析，第一类强磁异常所对应的场源体具有强感磁，与基性火成岩磁性特征大致相当；第二、三类中强、中弱磁异常分别具有中等—弱感磁，与闪长岩/花岗岩闪长岩、花岗岩类磁性特征大致相当。
图4切线法反演航磁异常场源参数结果图
切线法反演结果虽约束了主要磁异常场源地质体顶面埋深，但未考虑岩石剩余磁化强度和本身规模的影响，且由于河 1深钻孔（在 950 m揭露到花岗岩基底）地段航磁基本为平稳负磁场，不具备应用切线法前提条件。为进一步对比钻孔揭露结果，采用2.5D人机交互正反演拟合技术，在考虑剩磁情况下，结合切线法反演结果，对 C-D 剖面目标场源地质体进行了二次反演。由正反演拟合结果可知 （图5）：目标场源体总磁化强度为 185×10-3A/m，与花岗岩体总磁化强度相当，由此推断目标地质体为大规模花岗岩体，其顶面埋深570 m、反演深度最大至 1300 m。图3中所示河 1 深钻孔约 950 m 揭露到花岗岩基底，钻孔位置磁场值在-60~-50 nT，呈平稳负背景特征。根据磁重位场等效效应可以判别出： C-D 剖面相同磁场特征段反演目标地质体（花岗岩体）深度约为1050 m，与钻孔揭露结果基本一致。
通过频谱分析可知，磁性侵入岩基底埋深不超过8 km；强单峰磁异常、中等强度宽缓磁异常、中弱强度磁异常，推断场源体分别为基性火成岩（辉长岩为主）、中酸性侵入岩（闪长岩/花岗岩闪长岩为主）、酸性侵入岩（花岗岩为主）。3类场源体顶面埋深为500~3400 m。河1深钻孔揭露深度与反演结果基本吻合，说明反演结果较为可靠，为进行基于 SPI 技术的全区界面反演提供了判据。
图5C-D剖面2.5D人机交互正反演拟合结果图
2.2 CSAMT-航磁联合剖面分析
航磁界面反演结果虽反映了磁性基底界面（即基底构造层）的起伏变化特征，却难以解释砂岩型铀成矿所关注的中、新生界盖层构造（即断陷层、坳陷层）形态划分问题，而 CSAMT 测深资料可弥补这一缺点。因此，2 种资料是否具有一定对应性关系是解释盆地构造继承性关系的重要依据之一，也是减少单一方法解释结果多解性的有效方式。截取了CSAMT长剖面与航磁反演结果进行对比（剖面位置见图7），一是从剖面上分析不同深度构造层之间继承性或差异性关系，二是利用电磁法反演结果来间接评判航磁 SPI 单剖面反演结果的可靠性，来进一步确定全区最优反演参数。因此，分别选取了 3 种 SPI 参数进行了反演，第一种是搜索半径采用 1 km、搜索方位采用4方向（图6中黑色曲线），第二种是搜索半径采用1 km、搜索方位采用任意方向（图6中蓝色曲线），第三种是搜索半径采用2 km、搜索方位采用4方向（图6中红色曲线）。从与CSAMT对比结果来看：该线跨及乾元背斜带至海伦隆起带，垂向上，由浅至深反演电阻率除浅部局部出现薄层高阻层外，总体表现为由低阻至中阻再到高阻的变化特征，横向上由西向东反演电阻率表现为由低阻、中阻到低阻再到中阻、中高阻的变化特征。结合前文物性特征认为，低阻、中阻主要反映了沉积盖层电性特征，而高阻主要反映了基底电性特征。这种电性特征清晰反映出基底埋深呈现出中深到深再到浅的变化趋势，且东部构造抬升作用更为强烈。推测平距 10000~45000 m 段为沉积中心部位，也说明在乾元背斜带至海伦隆起带之间发育次级凹陷。对比3种参数SPI反演结果可知，第一种反演参数计算埋深曲线形态变化与CSAMT反演结果最为吻合，第二种次之，曲线西段（平距 0~45000 m）凹陷特征并不明显，第三种对应性较差，埋深曲线变化不明显。由此说明，搜索半径参数对计算结果起主要作用。根据第一种反演参数计算结果可知，凹陷埋深一般在 2000~4000 m，构造抬升区一般在 1500~2500 m，说明磁性基底与电性层基底之间存在较大厚度的中间层，但亦能反映出两者起伏形态变化特征是基本一致的。因此，尽管航磁界面反演与电磁反演所反映的场源性质、深度上是不同的，但二者总体变化趋势具有一定对应性，说明区域上基底构造层与上覆沉积构造层之间具有较好继承性关系。由此确定了全区 SPI 技术最优参数，即化极上延 500 m 处理后，截断深度采用 8 km，搜索半径采用 1 km、搜索方位采用4方向。
图6CSAMT反演电性特征与航磁SPI反演结果对比图
3 成矿有利构造部位综合认识
3.1 成矿有利构造信息提取
后生改造是砂岩型铀成矿的重要条件，后生改造作用主要受深部构造环境制约。这些深部构造 （如断裂构造、局部凸起、构造斜坡带等）既可以改变目的层地下水动力方向，亦可改变深部地球化学环境，对铀成矿具有重要控制作用。如图7a所示，深部断裂在航磁场上一般表现为磁场梯度带、异常变异带、串珠状异常带等特征，利用此类解释标志可划分断裂构造行迹，推断研究区断裂构造格架由北北东—北东向和北西向2组深大断裂组成。由图7b可以看出，基底埋深大致表现为“东浅西深、北浅南深”的变化趋势，呈隆凹相间的分布格局。断陷多以断裂或地层超覆与隆（凸）为界，由于受隆（凸） 起相互间隔，断陷多呈独立发育（赵泽辉等，2016）。北北东—北东向断裂主要控制基底凸起空间展布方向，北西向断裂对断凹展布与形态起局部改造作用。
图7研究区航磁化极ΔT、推断主要断裂及磁性基底最小埋深图
a—航磁化极ΔT及深大断裂推断结果；b—SPI反演磁性基底最小埋深特征
隐伏隆起有可能对应于古高地、古凸起，其可对沉积格局起分割、阻挡作用。基底断陷部位为发育古侵蚀沟谷、古河道提供了空间，其可能决定着沉积物搬运疏导通道，亦即物源水系分布。构造斜坡发育地段，一般可能对应于古斜坡和坡折带，其能够是沉积物的卸载场所（刘燕戌等，2021）。对于砂岩型铀成矿而言，这些构造部位是分析深部成矿环境的关键。为进一步提取有利构造部位，以区域基底起伏形态相对平衡为基本准则，选取某一深度为平衡界面，在埋深小于平衡界面的区域圈定局部正向构造（凸起），埋深大于该界面的区域为负向构造（凹陷）。鉴于研究区以大规模花岗岩为主的基底埋深起伏变化较大，故在隆起区和坳陷区分别选取不同深度的平衡界面，坳陷区平衡界面深度为 2500 m，隆起区为 1500 m，依据上述原则圈定的局部正向构造，视为基底局部凸起；对于构造斜坡带，分析沉积盖层的横向与纵向展布形态，当出现某一地段沿地表水平线向下呈半扇形展开的结构形态时，可识别为构造斜坡带。从提取结果可知（图8），研究区基底断陷多呈孤立状态，主要分布于北安— 望奎—兰西以西，东部则发育规模巨大的凸起带，如海伦、兰西凸起带。在断陷夹持区分布有北北东向、近南北向展布的凸起带，其规模也大于断陷面积。在东北部隆起带向深凹陷过渡部位，由于受后期挤压应力作用，容易形成局部隐伏隆（凸）起。
图8研究区构造形态划分图
1 —推断基底断陷带；2—推断基底凸起带；3—推断盆缘隆起带
3.2 控矿作用及有利成矿部位
研究区构造形态特征显示（图9），基底断陷带主要控制着沉积古水系分布。研究区基底凸起和凹陷单元大多沿一定方向展布，凸凹组合排列成相间分布的系列隆起带和断陷带，多沿北北东向—北东向展布。基底断陷带是盆地裂陷期形成的基底负向构造带，很可能反映古水系或古河谷空间分布范围（赵忠华等，2018；李研等，2021），与之对应的隆起带则为基底正向构造带，可能反映了古洼地和古隆起地貌特征，而与盆缘相连的断陷带，可能是同期沉积物源充填搬运通道。研究区大致发育3组基底断陷带，由北部、东北部盆缘向南南西、南西方向汇入中央湖盆区中。这些断陷带控制了晚白垩世早期河流沉积相带的平面空间展布，大致对应于讷河、拜泉和绥化水系分布范围。此外，在隐伏隆 （凸）起两侧的一定范围内，封闭的地下深部还原环境，有可能会转换为氧化还原过渡的地球化学环境，加之隆（凸）会减弱水动力条件，有利于铀的卸载沉积，从而在有利砂岩储层中形成铀矿化。对比来看，认为克山—拜泉、明水—三道镇2个地区具有有利成矿的深部构造环境，应是下一步找矿优先部署地区。目前已在两区内发现了砂岩型铀矿化孔，在一定程度上验证了以上认识。
图9研究区推断古水系及有利成矿区分布图
1 —推断古水系、物源补给方向；2—推断湖盆区界线；3—矿化孔；4—推断铀成矿有利区
4 结论
（1）在第四系广泛覆盖且缺少深钻孔约束的条件下，采用航磁与 CSAMT 综合解释的技术路线，通过优先进行磁场频谱分析、切线法和2.5D人机交互反演等计算场源参数，再与CSAMT结果进行对比确定界面反演最优参数，可有效提高磁性界面反演结果可靠性。
（2）克山—拜泉、明水—三道镇2个地区处于凸起向深凹陷过渡部位，主要受北北东—北东向、北西向2组深大断裂控制。基底断陷带控制着古侵蚀沟谷或古河道展布，沉积物源可沿古侵蚀沟谷搬运至盆地内部，是发育大规模砂体十分有利的构造环境，正向构造发育有利于改变水动力条件从而促进铀卸载沉淀，应是砂岩型铀矿勘查优先关注的重点地区。
注释
① 张振强，于文斌，董文明 .2005. 松辽盆地地浸砂岩型铀矿成矿条件研究[R]. 沈阳：核工业二四〇研究所.
② 佘新民，周连永，陈为义 .2006. 松辽盆地地浸砂岩型铀资源调查评价成果报告[R]. 赤峰：核工业二四三大队.
③ 罗敏，吴大坤，王志华 .2022. 黑龙江省海伦地区铀矿资源调查评价工作报告[R]. 沈阳：核工业二四〇研究所.
④ 魏滨，李毅，吴勇 .2019. 内蒙古庆和—吉林双辽地区浅层地震勘探[R]. 石家庄：核工业航测遥感中心.
⑤ 谢明宏，邱崇涛.2022. 黑龙江省明水—拜泉地区可控源音频大地电磁测量报告[R]. 石家庄：核工业航测遥感中心.
