溧水盆地火山岩区地震波场特征及控矿因素定位预测

2014-06-27王小江张保卫刘建勋柴铭涛

物探化探计算技术 2014年2期

王小江, 张保卫，刘建勋, 柴铭涛, 张凯，李培，王凯

(1.成都理工大学地球科学学院，成都 610059；2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

近年来，为顺应第二找矿空间发展的新形势需要，从石油勘探发展起来的地震方法由于其探测深度大、分辨率高等优点,逐步在金属矿勘查中崭露头角，方兴未艾。金属矿的成矿背景、地形地质条件以及矿体的规模、形态都极其复杂，使得金属矿地震勘探难度也相应地比石油地震勘探难度大得多，从资料采集、处理到解释也是难度倍增。

经过地震学者和矿床学家多年的共同研究和多方试验，金属矿地震方法已经形成了自己的一套独特手段。目前，金属矿地震勘探方法主要应用于三个方面[14]：①大陆结构与成矿系统的探测；②矿集区2D、3D结构、构造探测；③金属矿体及控矿构造的探测。

吕庆田[12]利用高分辨率地震方法成功对庐枞矿集区火山气液型铁——硫矿床及控矿构造进行了成像，为矿集区的深部成矿动力学研究提供了重要依据，地震剖面刻画了盆地三层结构，且直接探测到了大尺度的似层状硫化物矿体；徐明才等[10]利用地震反射波法在金昌多金属矿区探测隐伏岩体和控矿断裂取得了较好效果。新疆图拉尔根铜镍矿为与基性超基性岩体密切相关的同生矿床，肖骑彬、蔡新平等[22]利用浅层地震探明了隐伏岩体的分布、埋深和形态，成功地对铜镍矿体进行了定位预测。前人开展反射地震在多个矿区、矿集区的成功运用, 为我们的研究提供了宝贵的经验。

江苏溧水盆地是长江中下游九大火山岩盆地之一，本地区除了观山铜矿、爱景山锶矿具有一定规模外，尚未发现其他较大的金属矿床，而同具有相似成矿地质背景的宁芜、庐枞盆地已发现多个大型矿床。根据前人研究情况，本区在受晚中生代强烈的构造-热事件影响，已活化为地洼区，具有独特的成矿专属性，具有多种控矿要素[4]：火山旋回、断层、次火山岩体等。作者借鉴火成岩区普遍采用的广角地震勘探方法在溧水盆地进行了有益的尝试，为本区主要控矿因素的填图提供了约束条件，也对隐伏矿床的勘查具有非常重要的实践意义。

1 研究区概况与岩石物性特征

溧水盆地位于下扬子褶皱带凹陷东端，秦岭-大别-苏鲁造山带的南侧，溧水-宁芜中断凹东缘，茅山断凸西侧，西部紧临郯庐深大断裂(图1)。区内经历印支期、燕山期、喜山期的多期构造运动，岩浆岩建造广泛发育。燕山期是盆地重要的成岩成矿期。

图1 溧水盆地地质略图[21]Fig．1 Geological map of Lishui basin[21]1.上白垩统；2.下白垩统；3.甲山旋回；4.观山旋回；5.大王山旋回；6.龙王山旋回；7.西横山组；8.古生界和下三叠统；9.断层

盆地内构造主要有断块构造和火山构造以及褶皱构造。断块构造主要受NE、EW向几组隐伏断裂控制，在平面上呈菱形产出[21]，断裂以张剪活动为主。

区内第四系广泛分布，基岩出露极少。从下到上可分为三个构造层：①下部构造层主要为海相及陆相碳酸盐岩、碎屑岩、硅质岩建造；②中部构造层为一套火山岩系，从下到上为：龙王山组、云合山组(火山间歇期沉积物)、大王山组、观山组、甲山组；③上部构造层为下白垩统为红色砂岩、粉砂岩、砂页岩的湖相沉积建造[21]。

本区矿产类型多样而复杂，具有多种控矿因素(地层、构造、火山岩体)和矿种。铁铜矿床主要与燕山早期的角闪闪长玢岩的侵入活动有关，为气成高温热液-热液充填交代型矿床，还有与火山沉积-热液改造有关的主要产于云合山组的铁矿；铜金有色金属矿床与燕山晚期的观山火山旋回有关，主要为中低温热液充填交代型；铅锌矿床主要为高硫的中低温热液充填交代、充填型和火山喷发沉积型*地质部南京地质矿产研究.江苏溧水火山岩区地质特征专题研究报告[R].1982.。

由于岩浆分异和喷发间隔、喷发方式等原因，火山岩系内部各旋回的岩性、结构、构造都有所不同，从而导致了其密度间及地震波速之间的差异，旋回界面在对地震波的反映将表现为一明显的波阻抗界面。此外，火山岩和前火山沉积地层密度、速度差最大，其间的不整合面是最强的波阻抗界面。龙王山旋回后，有较长时间的喷发间断，局部地区形成了云合山组火山碎屑沉积地层，其密度和火山熔岩也有较大差异，其分界面也是一个较强的反射界面。喷出地表的火山岩，通常具有气孔构造，较之侵入岩，其密度、速度都较低，其接触面将是明显波阻抗界面，这些波阻抗界面理论上将被地震方法探测到。

侵入岩随酸度增大，密度减小，如闪长玢岩密度为 2.61 g/cm3，辉石闪长玢岩达2.76 g/cm3，而石英斑岩则为2.51 g/cm3，当具相当规模时，可产生一定强度的较完整的重力场。喷出火山岩电阻率、密度均较侵入岩稍低，石英粗面岩的密度为 2.39 g/cm3，安山岩密度为2.31 g/cm3。

2 地震勘探试验

2.1 火山岩区广角地震应用机理

火山岩盖层相对于其下的沉积地层来说具有高速特征，对地震波具有较强的屏蔽效应，根据前人在其他火山岩区的经验，常规地震法很难对火山岩内部旋回界面、前火山沉积地层成像，而广角地震在一定程度上可较好地解决这个问题[13]。广角地震勘探俗称“大偏移距勘探方法”，主要应用于模糊成像区。其原理是在入射角度接近临界角时，地震反射P波的反射系数陡增，振幅相应增强，而透射系数陡减为零，可利用反射纵波探测高速层顶。在入射角超过临界角后，透射S波振幅增强。强振幅的透射S波入射到高速层底后再反射到高速顶转换为透射P波返回地面。因此，可在地表大偏移距范围内接收较强的PSSP波对高速层底进行探测，由于PSSP波的入射、反射路径对称，所以 CDP道集的抽取和PP波是一致的。

常规地震勘探为小偏移距范围内接收地震波，由于近炮点的原因，声波、面波、多次折射等干扰波的影响，使得地震资料信噪比普遍偏低。广角地震采用了大偏移距的排列接收方式，一方面在远道能接收到深层的强反射，另一方面又避开了近炮点的干扰，双重地提高了信噪比，成像质量远高于常规地震。

广角地震数据的采集只是比常规地震采用更长的排列，除此之外就是动校正上的不同。广角地震反射时距曲线在大偏移距时已不再是双曲线，因而有其独特的速度分析法。针对弱各向异性介质提出的两步法高阶曲线拟合，能较好地解决广角反射的动校正问题：首先进行常规速度分析，校平小偏移距反射波；然后再扫描各向异性参数，校平大偏移距反射波，这样便能充分利用大偏移距上的强反射，进行同相叠加，提高叠加质量。现在很多地震软件都能实现这个功能，这里不再赘述。

2.2 测线布置与采集参数选择

测线最初布置设计为北西向穿过整个溧水盆地的一条直线，由于施工条件的限制，在不影响后期资料处理的情况下，在县城和中山水库附近作了适当程度的偏移(图2)。测线小号起于盆地东南部的涧东村，大号止于西北部的蟾山村，总长24.3 km，以控制盆地的构造格局以及查明深部隐伏侵入-次火山岩体的分布、产状等为主要目的。

图2 测区交通位置图(附测线DZ01位置图)Fig．2 Traffic location map of survey area(attached position map of survey line DZ01)

通过试验对比选择井深为15 m，4 kg～6 kg药量的炸药震源激发方式。接收排列为15 m道间距，90 m炮间距，最小偏移距为180 m～690 m，记录道数为288道的单边放炮排列，最大偏移距达4 995 m。采集参数为1 ms采样率，6 s记录长度，全频带采集。

3 反射地震波场特征及盆地结构解释

由于采用合适的采集、激发参数，本次试验数据原始品质较高，信息丰富。如图3所示，近道多次折射和高速面波发育，深层反射波C在远道(大偏移距)才出现，有效地避开了高速面波M以及高频多次折射波Z，广角反射波C清晰，振幅极强，频率较低，反射波呈负极性，同高速层入射到低速层界面的反射波特征一致，为火山岩底界面的PSSP反射波，波场特征的准确识别有助于后期资料的处理和解释。数据处理包括：解编、道编辑、真振幅恢复、串联滤波、高阶动校正分析、叠加、深度偏移等，最终得到了高质量的时间剖面(图4)和深度偏移剖面(图6)。深度偏移使绕射波得到了归位、倾斜界面反射波偏移到了实际位置。根据地震波组特征，结合地质情况及重力、钻井资料对深度偏移剖面进行了解释。

图3 单炮记录Fig．3 The shot gather

图4 反射地震时间剖面Fig．4 Time section of reflect seismic

图5 布格重力异常图及钻孔柱状测井图Fig．5 Map of Bouguer gravity anomaly and drilling column log(a)布格重力异常图(红线为地震勘探测线);(b)LZK0001钻孔柱状测井图

纵观地震剖面，波组特征明显存在两片较大程度的差异：据相关地震相研究[3]，中部大部分为层状、似层状反射区，为前火山岩地层和火山岩地层的地震响应；边部则是杂乱的点状、均匀的弱反射区，为岩体的地震响应特征。

深度剖面的盆地中部，A、B、C三组较强反射波组SE向倾斜。最深在3 700 m左右的较连续的波组C，延伸范围最广，频率较低，振幅最强，负极性为主，对应图3炮集中反射波组C，再根据地质资料揭示本区火山岩厚3 800 m左右，推测C代表界面为火山岩的底界面，也就是龙王山组底；1 000 m以上的CDP750-2000段，地震波组A频率变化较大、振幅强弱断续相间，极性也有正负变化，产状变化复杂，但振幅相对于A、C之间的反射波较强，推测为观山组和甲山组夹杂上新世等火山、沉积建造，其岩相的横向变化造成了上述反射地震特征；此外，A、C之间隐约存在诸多SE向的似层状弱反射波，推测为大王山、龙王山组的溢流、喷流相反射。波组B位于2 000 m深处，其延伸较短，形态平缓，振幅较强，正极性，推测为低速的云合山组与高速的龙王山组分界面；5 000 m深度左右的强波组D，连续性较差，延伸较短，推测为前火山的沉积岩系内部界面，根据波组相位的错断，推断解释了三条正断层F1、F2、F3，断距约400 m～800 m，断层终止于火山岩底界面附近，应在龙王山火山喷发前形成，即地洼初动期。CDP150-800，2326-2750在1 000 m深度左右有较强的上拱丘状正极性波组显示，根据相似波组错断特征，解释了几条断裂破碎带；而往下，存在大范围反射波振幅凌乱而极弱现象，呈反射透明特征，这是隐伏岩体内部相的地震表现，解释为侵入-次火山岩体Σ1、Σ2，岩体速度高于上覆火山杂岩，造成了反射波正极性的特征。岩体解释的根据有以下三点：①通常侵入岩体内部相对于沉积-火山地层较均一，基本无层理或似层理，波阻抗差极小，所以内部基本无连续可追踪的反射[1]； ②本区1∶50 000布格重力异常图(图5-a)上，测线南北两端各存在一个局部重力高异常，且北端异常峰值高于南端异常峰值，测线南东端过异常中心，北西端过异常中心边部，根据本区物性特征可知，侵入体密度大于喷出的火山岩，这两个局部重力高异常解释为岩体引起的较为合理；③CDP2500附近的钻孔LZK0001钻遇较厚闪长玢岩(图5(b))，揭示其深部存在侵入-次火山岩体。CDP2500附近钻孔LZK0001岩性标定在深度剖面上(图6)，可以看到，较大岩性差异接触面间有相应波组对应：190 m～400 m的角砾熔岩段反射极弱，100 m深度安山岩和凝灰角砾岩接触面及400 m深度角砾熔岩和闪长玢岩接触面均对应较强反射波组。400 m至600 m段的闪长玢岩内部存在砂岩残留层，因此，其地震波组响应有一定延续深度。由于钻孔深度仅600 m，根据地质规律解释Σ2为闪长玢岩或成分相近的其他中基性岩体亦较为合理。此外，岩体的陡立面难以成像，只能据火山旋回界面、前火山地层的层状强反射终止位置，圈定岩体边界形态，岩体与龙王山组火山岩、前火山沉积地层呈侵入接触关系。岩体Σ1内部波组E能量相对岩体其他部位反射较强、相位连续，且E以上的反射波特征与下部明显不同，能量更弱、波形更杂乱，推测为矿化蚀变所致或复式岩体。

图6 深度偏移剖面及地质解释Fig．6 Depth-migrated section and geological interpretation

总之，反射剖面清晰反映了溧水盆地的构造产状、形态，在测线范围内，总体呈“两隆夹一在凹”的构造格局，盆地形态受前火山基底凹陷控制。中间为SE向加深倾斜的非对称箕状火山盆地，深部断层发育，次火山岩体分布于盆地边缘隆起带。

4 控矿因素定位预测

反射地震深度偏移剖面清晰地勾勒出了溧水火山岩盆地构造形态及隐伏岩体的产状、位置和埋深，为本区的控矿因素预测和找矿提供了重要的地球物理依据。

图7所示的大地电磁测深剖面测线同地震测线基本重合，剖面反映的盆地构造形态一致，但地震剖面上反映的构造更为精细。火山岩的埋深比MT剖面更精确，岩体特征、形态、展布也是更为明显，断裂的性质、产状也相对更加清晰。总的说来地震剖面所含地质信息要丰富得多。但是MT剖面上的低阻异常暗含的与矿化有关的信息和地震剖面结合应用能降低地质解释的多解性。对控矿因素的定位预测也更加精准。

据成矿构造研究法的观点，矿体、矿床的形成和特定的构造、岩体、地层及其之间的相互组合关系密切相关，这些要素称为控矿因素。控矿因素控制着成矿物质的来源、迁移和就位。

火山岩内部旋回界面是火山沉积-热液型矿床的有利赋存位置，CDP1510处2 km深的云合山组底界面反射极强，有矿化所致可能。

据前述分析推测岩体Σ2可能是沿龙王山旋回晚期的火山通道侵入的次火山闪长玢岩，又据角砾熔岩顶部又有部分黄铁矿化和本区相关矿床成因模式分析，次火山岩体Σ2的顶部可能存在玢岩型铁铜矿，对应MT剖面上低电阻率异常YC-Ⅵ，但是异常幅值和梯度均较小，且在重力异常图上，Σ2并未处于局部异常中心位置，因此，其含矿品位和规模不会很高。南东段岩体Σ1在MT剖面上呈高电阻率特征，而且边界形态清晰，与Σ2特征相差较大，可能是两者矿物化学成分差异造成的。由于本区岩浆岩演化存在从北西-南东为中基性向中酸性发展的趋势规律[15-16]，而中基性的闪长玢岩密度高于酸性岩，这又较为合理地解释了Σ1、Σ2对应位置在重力异常方面表现出来的差异特征，因此，Σ1为中酸性岩体可能性较大。根据次火山岩体的形成过程的力学状态分析，可以推测次火山岩体顶部断裂体系是由于岩体上拱作用在其上覆火山岩中形成的，随着岩体冷却收缩，这些浅部断裂沟通上覆火山岩和岩体，是岩浆-热液的运移的通道，通常是脉型矿产的有利赋存构造，MT剖面上异常YC-Ⅱ、YC-Ⅲ对应Σ1顶部，表明其含矿可能性较大。

CDP150处、深度为4.3 km的Σ1岩体外凸部，与前火山地层不同岩性界面D接触，界面D通常为构造薄弱带，且前火山岩地层中存在碳酸盐岩，中酸性岩浆侵入其中利于成矿就位，形成接触-交代型矿床(矽卡岩型矿床)可能性较大，在MT剖面对应明显异常YC-Ⅰ。

前火山沉积地层中倾向为北西的F2和F3正断层下部延伸至次火山岩体Σ2，岩体形成于龙王山晚期，晚于F2、F3，龙王山火山喷发后有较长时间的宁静期，且区域应力场基本保持不变，最利于后期热液萃取岩体中金属元素，并在岩体热驱动作用下迁移入断层，在合适的物理化学条件下沉淀、成矿，这两条断层具备极好的导矿、容矿构造条件；断层上部延伸至火山岩底界面，火山岩作为屏蔽层，和断层一起组成岩性-构造圈闭，对成矿较为有利，在MT剖面上对应长轴状的异常YC-Ⅴ，而F1远离岩体，其控矿条件相对较差，但不排除在更深部存在其他矿源与其连通的可能性，因为在MT剖面上有异常YC-Ⅳ与之对应。

图7 大地电磁测深(MT)剖面Fig．7 Section of MT

综上所述，溧水盆地具备较好的成矿条件和控矿因素，找矿潜力极其可观，由于尚未在浅部发现大矿，应加大对深部，特别是隐伏岩体和火山岩底界面、断层接触部位的勘查力度。

5 结论

应用广角地震方法，成功获取了溧水盆地深部信息，清晰地勾勒出了盆结构形态，为受前火山岩基底形态控制、向东南倾斜的非对称箕状盆地。

盆地燕山期火山岩系底界面反射波最强、最连续，解释深度约3700m。火山岩内部旋回界面反射波亦较强，这些界面是火山沉积型矿产的有利成矿部位。盆地北西、东南两侧隆起边缘各有一隐伏侵入-次火山岩体Σ1、Σ2，其顶部是寻找玢岩型矿产的有利位置，岩体凸出部位与前火山碳酸盐岩的接触带是矽卡岩型矿产的有利产出地段。前火山岩沉积地层中的断层，为张性正断层，连通次火山岩体和火山岩底界面，这三者的组合，具备极好的成矿、控矿条件。

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