某鉻鐵礦區地震波場正演模擬研究

楊建強， 楊 振， 楊玉波

(1.內蒙古自治區煤田地質局勘測隊，呼和浩特 010010；2.國土資源部 海底礦產資源重點實驗室，廣州 510075；3.廣州海洋地質調查局，廣州 510760；4.中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 引言

地震勘探技術探測深度大,且分辨率較高,具有解決勘探金屬礦區控礦構造、含礦巖體、隱伏礦床等地質問題的潛力[1]。開展金屬礦區地震勘探試驗研究具有較高的科學和實際意義。本次地震正演模擬研究的鉻鐵礦區出露的超基性巖體屬火成巖，火成巖的物性特征復雜，導致其地震波場復雜多變。在了解本區地質特征的基礎上，建立礦區地質構造、含礦超基性巖體等多種地質模型，并對其進行反射波地震正演模擬，了解金屬礦區地震波場的傳播特征，可以輔助該區的地震數據采集、處理及解釋工作。

1 原理方法

當前有限差分法是地震勘探學中應用最廣泛的數值模擬方法之一，它利用相應的時間、空間的差分來近似替換波動方程中地震波場函數的空間導數和時間導數。有限差分法可以準確模擬地下復雜介質的地震波場特征，具有方法簡單、對計算機硬件要求低、計算效率高等優點，該方法對于近、遠場及復雜邊界都有廣泛的適用性，能夠準確地模擬地震波在各種彈性介質及復雜結構地層中的傳播規律[2]。

本次正演模擬基于聲波方程模型，來估算實際地質情況中地震能量傳播的二維波場效應。它忽略固體介質中的剛度，這種近似對于固體的計算仍然有用，當大部分地震能量傳播到不連續介質時，轉換波的振幅是很小的，可以忽略不計。聲波方程模型僅考慮縱波速度和密度特性，計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軟件進行計算分析。

2 建模的物性基礎

根據已有地質、物探成果可知，礦區南部出露一套巨厚的淺變質板巖帶。該地層傾向南，傾角50°左右。礦區北部出露以火成巖為主，巖性復雜多變，有超基性巖體和花崗巖、酸性閃長巖等。礦區北部受多期地質構造活動影響，構造極為發育。礦區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，第三系地層為下盤，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°，深部傾角變緩。超基性巖體與其上(南)下(北)部圍巖由斷層分開，界限分明。礦區鉻鐵礦賦存于超基性巖體內，規模較大的工業礦體以豆莢狀、透鏡狀-似透鏡狀等形態為主，與頂底板圍巖物性差別較大，界限分明。根據礦區巖、礦石物性參數可知，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]。結合區內已有速度資料可知，超基性巖體與其上、下部圍巖存在較大波阻抗差異，可以產生較強的地震反射波；規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，可以產生較強的地震反射波。故本區地震地質條件具備開展地震勘探的物性條件。

3 正演模擬研究

根據該礦區地質構造、超基性巖體、鉻鐵礦體等的地質、地球物理特征，結合區內做的過礦二維地震勘探剖面，建立起該區域的地質構造、超基性巖體、礦體的地質模型，然后將地質模型轉化為地球物理模型。

在建模過程中進行適當的簡化，包括對一些地質構造、巖體、礦體的邊界做近似圓滑，去掉無關緊要的小型地質體，重點突出要探測的地質構造及超基性巖體，從而保證既得到反映真實地質體特征的地球物理模型，又可以滿足區內地質體的良好數值模擬分析[6]。

在地質模型向地球物理模型轉化的過程，遵循由簡到繁的原則，先對鉻鐵礦體進行建模，再深入到含礦超基性巖體，最后拓展到整個過礦地震剖面。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，依據其地質形態特征并進行適當簡化，同時為討論礦體對超基性巖體波場分布的影響，設計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。

根據礦區巖礦石物性資料和實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。根據實際地震資料選用30 Hz雷克子波。在保證地質構造與實際相符的前提下，為簡化計算，正演模擬觀測系統做了相應的縮小，參數設為：排列長度1 000 m，采用全排列接收，道距10 m，炮距20 m，采樣率0.5 ms，記錄長度1 s(對應實際地震參數為：排列長度10 km,記錄長度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的反射波，在兩組強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的反射波，這兩組反射波是兩個礦體的反射信號，礦體的反射波及其邊緣的繞射波能量較強，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性，對含礦巖體的準確成像造成困難。

超基性巖體正演模擬常規疊加剖面對超基性巖體及巖體內的礦體都有一定的成像效果，但存在歸位不準確的問題，且在超基性巖體的周圍和內部均有較強的多次波和繞射干擾。

通過偏移處理可實現對巖體的正確歸位，從圖3可以看出,巖體邊緣傾角較陡的部分同相軸能量、連續性等均比傾角較小的部分的差(圖中藍色箭頭所示)；在含致密高速礦體的巖體內部及下部巖體邊界均出現同相軸錯斷、變形等現象，說明巖體中含有致密高速地質體時，將在其邊緣處產生強烈的繞射作用，致使下部地質體的邊界成像產生能量弱、錯斷等現象，無法正確成像(圖中紅色箭頭所示部位)。在巖體的內部，下部傾角較小的透鏡狀礦體均達到了較好的成像效果，上部傾角較陡的礦體成像效果較差，在其周圍存在較強的繞射干擾。

3.2 地質剖面地震正演模擬

根據過礦地震勘探偏移剖面和收集的地質資料設計了橫切礦區的地質剖面的模型，劃分了礦區的主要地層、超基性巖體等(圖4)。為達到與實際地震剖面進行對比分析和方便正演計算的目的，對模型的觀測系統進行相應的簡化和縮小，圖中剖面長度對應實際接收排列10 km，深度對應實際8 km，炮距和道距做了相應調整保證了其與實際地震剖面具有相同的覆蓋次數。模型的速度值同樣根據礦區巖礦石物性資料和實際二維地震的速度資料確定。

圖1 超基性巖體的地質模型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

該模型偏移剖面對模型的模擬計算較為準確，不僅可以反映出地層、巖體的形態特征，對巖體內部較薄巖片的劃分也起到較好效果(圖5)。在模型巖體構造復雜、界面傾角大的部位，界面的同相軸能量較弱(圖5(a)黑色線圈)；剖面中的礦體在偏移剖面上有較強的同相軸特征，對其下部的巖層產生了較強的屏蔽作用(圖5(b)紅色線圈)。對比圖3和圖5可以看出，由于巖體的復雜構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能量減弱、紊亂、錯斷等現象。

把正演模擬的偏移剖面與實際地震勘探的偏移剖面進行對比，可以發現模擬剖面與實際剖面的波場特征具有較高的相似性，模擬剖面出現同相軸能量減弱和錯斷的位置與實際剖面中同相軸紊亂、錯斷的位置相對應(圖6中綠色線圈)。結合礦區地質特征可以推斷：實際剖面中綠色線圈所示部位出現的同相軸錯斷，能量減弱現象可能是由于其上部巖體含有高速、致密地質體所引起的。

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

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

根據本次地震剖面與模擬剖面相似的異常區域和區內地質資料，預測了可能含礦的異常部位(圖6黑色線圈)。含礦異常區的推測主要基于以下兩點：①礦區地質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藍色箭頭所指為其對應同相軸)上部；②實際地震剖面和正演模擬地震剖面對比分析出的異常地質體的位置。實際地震剖面中超基性巖體底界面，在樁號8 800～9 900范圍，距離地表深度約400 m～1 200 m，存在同相軸的變弱、紊亂和錯斷現象，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體，推測為鉻鐵礦賦存礦帶。

4 結論

本次正演模擬研究發現，常規CMP疊加剖面繞射干擾明顯，產狀復雜的含礦巖體成像不準確；經疊前時間偏移可準確計算出復雜構造巖體的實際位置。巖體產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繞射波，對其下部巖體反射波造成干擾，破壞其連續性，對含礦巖體的準確成像造成困難；但也可以利用這一現象推測其上部是否存在高速致密地質體。

對比本礦區實際地震剖面和地震正演模擬剖面，分析剖面上各種地質體的反射波場特征，區分含礦巖體與礦體的反射波形態，分析產生金屬礦區某些異常波場特征與正演模型的聯系，可以提高對實際地震資料中波場特征的認識程度，從而對做出更加合理可靠的地質解釋。

地震勘探方法可以對規模較大、構造較簡單，與圍巖接觸界限分明、波阻抗差異明顯的金屬礦進行有效探測。本次正演模擬對地質模型進行了簡化和近似，實際地質情況要比地質模型復雜得多，金屬礦區地震勘探的難度是極大的。