某鉻鐵礦區(qū)地震波場(chǎng)正演模擬研究

楊建強(qiáng)， 楊 振， 楊玉波

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局勘測(cè)隊(duì)，呼和浩特 010010；2.國(guó)土資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

0 引言

地震勘探技術(shù)探測(cè)深度大,且分辨率較高,具有解決勘探金屬礦區(qū)控礦構(gòu)造、含礦巖體、隱伏礦床等地質(zhì)問(wèn)題的潛力[1]。開(kāi)展金屬礦區(qū)地震勘探試驗(yàn)研究具有較高的科學(xué)和實(shí)際意義。本次地震正演模擬研究的鉻鐵礦區(qū)出露的超基性巖體屬火成巖，火成巖的物性特征復(fù)雜，導(dǎo)致其地震波場(chǎng)復(fù)雜多變。在了解本區(qū)地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，建立礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、含礦超基性巖體等多種地質(zhì)模型，并對(duì)其進(jìn)行反射波地震正演模擬，了解金屬礦區(qū)地震波場(chǎng)的傳播特征，可以輔助該區(qū)的地震數(shù)據(jù)采集、處理及解釋工作。

1 原理方法

當(dāng)前有限差分法是地震勘探學(xué)中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法之一，它利用相應(yīng)的時(shí)間、空間的差分來(lái)近似替換波動(dòng)方程中地震波場(chǎng)函數(shù)的空間導(dǎo)數(shù)和時(shí)間導(dǎo)數(shù)。有限差分法可以準(zhǔn)確模擬地下復(fù)雜介質(zhì)的地震波場(chǎng)特征，具有方法簡(jiǎn)單、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求低、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，該方法對(duì)于近、遠(yuǎn)場(chǎng)及復(fù)雜邊界都有廣泛的適用性，能夠準(zhǔn)確地模擬地震波在各種彈性介質(zhì)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)地層中的傳播規(guī)律[2]。

本次正演模擬基于聲波方程模型，來(lái)估算實(shí)際地質(zhì)情況中地震能量傳播的二維波場(chǎng)效應(yīng)。它忽略固體介質(zhì)中的剛度，這種近似對(duì)于固體的計(jì)算仍然有用，當(dāng)大部分地震能量傳播到不連續(xù)介質(zhì)時(shí)，轉(zhuǎn)換波的振幅是很小的，可以忽略不計(jì)。聲波方程模型僅考慮縱波速度和密度特性，計(jì)算速度比彈性波方程模型要快得多[3]。本次正演模擬研究采用Tesseral軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

2 建模的物性基礎(chǔ)

根據(jù)已有地質(zhì)、物探成果可知，礦區(qū)南部出露一套巨厚的淺變質(zhì)板巖帶。該地層傾向南，傾角50°左右。礦區(qū)北部出露以火成巖為主，巖性復(fù)雜多變，有超基性巖體和花崗巖、酸性閃長(zhǎng)巖等。礦區(qū)北部受多期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，構(gòu)造極為發(fā)育。礦區(qū)的主斷裂是超基性巖體北界與第三系之間的逆沖斷層，超基性巖體為斷層上盤(pán)，第三系地層為下盤(pán)，近東西走向，傾向南，傾角約為20°～ 50°[4]。

含礦超基性巖體巖性以斜輝輝橄巖、純橄巖為主。巖體為一向南傾斜的單斜巖體，傾角約為50°，深部?jī)A角變緩。超基性巖體與其上(南)下(北)部圍巖由斷層分開(kāi)，界限分明。礦區(qū)鉻鐵礦賦存于超基性巖體內(nèi)，規(guī)模較大的工業(yè)礦體以豆莢狀、透鏡狀-似透鏡狀等形態(tài)為主，與頂?shù)装鍑鷰r物性差別較大，界限分明。根據(jù)礦區(qū)巖、礦石物性參數(shù)可知，致密塊狀鉻鐵礦平均密度4.22 g/cm3，超基性巖體中斜輝橄巖2.94 g/cm3，超基性巖體上部圍巖平均密度約為2.53 g/cm3，超基性巖體下部圍巖平均密度約為2.68 g/cm3 [5]。結(jié)合區(qū)內(nèi)已有速度資料可知，超基性巖體與其上、下部圍巖存在較大波阻抗差異，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的地震反射波；規(guī)模較大的鉻鐵礦體與其圍巖(斜輝輝橄巖等)存在較大波阻抗差異，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的地震反射波。故本區(qū)地震地質(zhì)條件具備開(kāi)展地震勘探的物性條件。

3 正演模擬研究

根據(jù)該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、超基性巖體、鉻鐵礦體等的地質(zhì)、地球物理特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)做的過(guò)礦二維地震勘探剖面，建立起該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、超基性巖體、礦體的地質(zhì)模型，然后將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為地球物理模型。

在建模過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，包括對(duì)一些地質(zhì)構(gòu)造、巖體、礦體的邊界做近似圓滑，去掉無(wú)關(guān)緊要的小型地質(zhì)體，重點(diǎn)突出要探測(cè)的地質(zhì)構(gòu)造及超基性巖體，從而保證既得到反映真實(shí)地質(zhì)體特征的地球物理模型，又可以滿(mǎn)足區(qū)內(nèi)地質(zhì)體的良好數(shù)值模擬分析[6]。

在地質(zhì)模型向地球物理模型轉(zhuǎn)化的過(guò)程，遵循由簡(jiǎn)到繁的原則，先對(duì)鉻鐵礦體進(jìn)行建模，再深入到含礦超基性巖體，最后拓展到整個(gè)過(guò)礦地震剖面。鉻鐵礦體的正演模擬以透鏡狀鉻鐵礦體為例，建立了剖面上呈疊瓦狀斜列分布的透鏡狀鉻鐵礦體，該模型具有較好的地震成像效果。

3.1 超基性巖體地震正演模擬

超基性巖體呈“歹”字型侵位于圍巖之內(nèi)，依據(jù)其地質(zhì)形態(tài)特征并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，同時(shí)為討論礦體對(duì)超基性巖體波場(chǎng)分布的影響，設(shè)計(jì)了不含礦體的超基性巖體和含有礦體的超基性巖體，如圖1所示。

根據(jù)礦區(qū)巖礦石物性資料和實(shí)際二維地震的速度資料給定了模型的速度值，圍巖的速度取為2 000 m/s，超基性巖體的速度取為3 000 m/s，礦體的速度取為4 000 m/s。根據(jù)實(shí)際地震資料選用30 Hz雷克子波。在保證地質(zhì)構(gòu)造與實(shí)際相符的前提下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，正演模擬觀測(cè)系統(tǒng)做了相應(yīng)的縮小，參數(shù)設(shè)為：排列長(zhǎng)度1 000 m，采用全排列接收，道距10 m，炮距20 m，采樣率0.5 ms，記錄長(zhǎng)度1 s(對(duì)應(yīng)實(shí)際地震參數(shù)為：排列長(zhǎng)度10 km,記錄長(zhǎng)度10 s，道距20 m，炮距100 m)。

在超基性巖體模型地震正演模擬的單炮記錄中(圖2)，超基性巖體的上、下界面均生成了能量較強(qiáng)的反射波，在兩組強(qiáng)反射軸的下部均有一定的繞射波等干擾。而在含礦巖體模型圖2(b)的單跑記錄中，在巖體上下界面的反射波之間有兩組能量較強(qiáng)的反射波，這兩組反射波是兩個(gè)礦體的反射信號(hào)，礦體的反射波及其邊緣的繞射波能量較強(qiáng)，與巖體下邊界的反射波形成干涉，破壞了巖體下界面反射波的連續(xù)性，對(duì)含礦巖體的準(zhǔn)確成像造成困難。

超基性巖體正演模擬常規(guī)疊加剖面對(duì)超基性巖體及巖體內(nèi)的礦體都有一定的成像效果，但存在歸位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，且在超基性巖體的周?chē)蛢?nèi)部均有較強(qiáng)的多次波和繞射干擾。

通過(guò)偏移處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的正確歸位，從圖3可以看出,巖體邊緣傾角較陡的部分同相軸能量、連續(xù)性等均比傾角較小的部分的差(圖中藍(lán)色箭頭所示)；在含致密高速礦體的巖體內(nèi)部及下部巖體邊界均出現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷、變形等現(xiàn)象，說(shuō)明巖體中含有致密高速地質(zhì)體時(shí)，將在其邊緣處產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞射作用，致使下部地質(zhì)體的邊界成像產(chǎn)生能量弱、錯(cuò)斷等現(xiàn)象，無(wú)法正確成像(圖中紅色箭頭所示部位)。在巖體的內(nèi)部，下部?jī)A角較小的透鏡狀礦體均達(dá)到了較好的成像效果，上部?jī)A角較陡的礦體成像效果較差，在其周?chē)嬖谳^強(qiáng)的繞射干擾。

3.2 地質(zhì)剖面地震正演模擬

根據(jù)過(guò)礦地震勘探偏移剖面和收集的地質(zhì)資料設(shè)計(jì)了橫切礦區(qū)的地質(zhì)剖面的模型，劃分了礦區(qū)的主要地層、超基性巖體等(圖4)。為達(dá)到與實(shí)際地震剖面進(jìn)行對(duì)比分析和方便正演計(jì)算的目的，對(duì)模型的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化和縮小，圖中剖面長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)實(shí)際接收排列10 km，深度對(duì)應(yīng)實(shí)際8 km，炮距和道距做了相應(yīng)調(diào)整保證了其與實(shí)際地震剖面具有相同的覆蓋次數(shù)。模型的速度值同樣根據(jù)礦區(qū)巖礦石物性資料和實(shí)際二維地震的速度資料確定。

圖1 超基性巖體的地質(zhì)模型Fig.1 Geological model of ultramafic rock(a)不含礦體；(b)含有礦體

圖2 超基性巖體的正演模擬單炮記錄Fig.2 Single-shot records of ultramafic rock forward modeling(a)不含礦體；(b)含有礦體

圖3 超基性巖體模型正演的疊前偏移剖面Fig.3 Prestack migration sections of ultramafic rock forward modeling(a)不含礦體；(b)含有礦體

該模型偏移剖面對(duì)模型的模擬計(jì)算較為準(zhǔn)確，不僅可以反映出地層、巖體的形態(tài)特征，對(duì)巖體內(nèi)部較薄巖片的劃分也起到較好效果(圖5)。在模型巖體構(gòu)造復(fù)雜、界面傾角大的部位，界面的同相軸能量較弱(圖5(a)黑色線(xiàn)圈)；剖面中的礦體在偏移剖面上有較強(qiáng)的同相軸特征，對(duì)其下部的巖層產(chǎn)生了較強(qiáng)的屏蔽作用(圖5(b)紅色線(xiàn)圈)。對(duì)比圖3和圖5可以看出，由于巖體的復(fù)雜構(gòu)造和巖體中致密高速礦體的共同作用下，致使其下部超基性巖體下部巖層分界面以及深部反射界面的同相軸均出現(xiàn)能量減弱、紊亂、錯(cuò)斷等現(xiàn)象。

把正演模擬的偏移剖面與實(shí)際地震勘探的偏移剖面進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)模擬剖面與實(shí)際剖面的波場(chǎng)特征具有較高的相似性，模擬剖面出現(xiàn)同相軸能量減弱和錯(cuò)斷的位置與實(shí)際剖面中同相軸紊亂、錯(cuò)斷的位置相對(duì)應(yīng)(圖6中綠色線(xiàn)圈)。結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)特征可以推斷：實(shí)際剖面中綠色線(xiàn)圈所示部位出現(xiàn)的同相軸錯(cuò)斷，能量減弱現(xiàn)象可能是由于其上部巖體含有高速、致密地質(zhì)體所引起的。

圖5 實(shí)際地震勘探線(xiàn)偏移剖面Fig.5 Prestack migration sections of actual seismic section(a)不含礦體；(b)含有礦體

圖6 正演模擬剖面與實(shí)際地震剖面的對(duì)比Fig.6 Comparison of forward modeling section and actual seismic section(a)正演模擬剖面;(b)實(shí)際地震剖面

根據(jù)本次地震剖面與模擬剖面相似的異常區(qū)域和區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，預(yù)測(cè)了可能含礦的異常部位(圖6黑色線(xiàn)圈)。含礦異常區(qū)的推測(cè)主要基于以下兩點(diǎn)：①礦區(qū)地質(zhì)和鉆孔資料顯示鉻鐵礦的主要成礦帶位于超基性巖體的斜輝輝橄巖的中，在靠近超基性巖體底界面(圖6藍(lán)色箭頭所指為其對(duì)應(yīng)同相軸)上部；②實(shí)際地震剖面和正演模擬地震剖面對(duì)比分析出的異常地質(zhì)體的位置。實(shí)際地震剖面中超基性巖體底界面，在樁號(hào)8 800～9 900范圍，距離地表深度約400 m～1 200 m，存在同相軸的變?nèi)?、紊亂和錯(cuò)斷現(xiàn)象，超基性巖體中斜輝輝橄巖相帶中沿其底界面分布著異常地質(zhì)體，推測(cè)為鉻鐵礦賦存礦帶。

4 結(jié)論

本次正演模擬研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)CMP疊加剖面繞射干擾明顯，產(chǎn)狀復(fù)雜的含礦巖體成像不準(zhǔn)確；經(jīng)疊前時(shí)間偏移可準(zhǔn)確計(jì)算出復(fù)雜構(gòu)造巖體的實(shí)際位置。巖體產(chǎn)狀傾角較大的部位生成的同相軸能量較弱。高速致密礦體的屏蔽作用和強(qiáng)繞射波，對(duì)其下部巖體反射波造成干擾，破壞其連續(xù)性，對(duì)含礦巖體的準(zhǔn)確成像造成困難；但也可以利用這一現(xiàn)象推測(cè)其上部是否存在高速致密地質(zhì)體。

對(duì)比本礦區(qū)實(shí)際地震剖面和地震正演模擬剖面，分析剖面上各種地質(zhì)體的反射波場(chǎng)特征，區(qū)分含礦巖體與礦體的反射波形態(tài)，分析產(chǎn)生金屬礦區(qū)某些異常波場(chǎng)特征與正演模型的聯(lián)系，可以提高對(duì)實(shí)際地震資料中波場(chǎng)特征的認(rèn)識(shí)程度，從而對(duì)做出更加合理可靠的地質(zhì)解釋。

地震勘探方法可以對(duì)規(guī)模較大、構(gòu)造較簡(jiǎn)單，與圍巖接觸界限分明、波阻抗差異明顯的金屬礦進(jìn)行有效探測(cè)。本次正演模擬對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化和近似，實(shí)際地質(zhì)情況要比地質(zhì)模型復(fù)雜得多，金屬礦區(qū)地震勘探的難度是極大的。