蔡向阳

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥，230022）

金属矿地震勘探的数值模拟研究

蔡向阳

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥，230022）

目前，在浅部矿产资源接近枯竭的情况下，向地球深部索取资源已成为资源勘查的必须趋势。有资料表明，地震方法在金属矿勘查的不同阶段能够解决不同的地质问题。尽管如此，金属矿地震方法在解决不同地质勘查阶段的地质问题时，还存在许多难题，这些难题妨碍了该方法在金属矿勘查中的应用。本文重点介绍了散射波法的原理；地震波数值模拟原理和方法；经过数值模拟得到地质模型不同震源点的地震记录图和任意时刻的瞬时波前图，结合地震地质模型，分析地震记录，解释波场特征。

金属矿；数值模拟；地震勘探；地震记录的分辨率；波动方程

0 引言

地震方法用于寻找石油、煤田等沉积层控矿床已取得许多成功的经验和大量的成果，但用于寻找深部隐伏金属矿还存在许多难题。根据有关统计资料，金属矿地质找矿的成功率呈逐年下降的趋势，二十世纪五十年代找矿的成功率为1%，到二十世纪末下降到0.2%左右，找矿成功率的下降意味着勘探成本的提高。造成找矿成功率下降的原因主要表现在：地表出露矿已基本找完，找矿对象主要为隐伏和深埋矿藏；低品位矿（如斑岩型矿）和一些贵金属矿其矿石与岩石的差别小；方法技术选择不当，交通困难地区的找矿难度加大；矿石与围岩的物理性质差别缩小，矿体引起的异常不明显，各种干扰相对增强；矿体埋深增大，矿体在地表引起的异常严重衰减，干扰有时超过有用异常，因而不易识别异常的存在。随着地质工作的研究程度的提高，大多数出露和近地表矿床已被发现，因而寻找隐伏的和埋藏较深的矿床就成为急待解决的问题。

1 模型正演技术概念

地震波场的正演模拟是指已知地下构造的界面形状，岩石的密度和地震波的传播速度等参数，应用地震波的运动学和动力学的基本原理，求取地震记录。常用的地震波场正演方法一般分为两大类,即射线追踪法和波动方程法。射线追踪法也就是几何射线法，属于几何地震学方法,由于它将地震波波动理论简化为射线理论，主要考虑的是地震波传播的运动学特征，所以简单直观，计算速度快，所得地震波的传播时间比较准确，但缺少地震波的动力学信息，而且对复杂地质构造会出现盲区；波动方程法实质上是求解地震波波动方程，因此模拟的地震波波场包含了地震波传播的所有信息，能全面反映波的运动学和动力学特征，为研究地震波的传播机理和复杂地层的解释提供了更多的佐证，因此波动方程数值模拟方法一直在地震模拟中占有重要地位。

地震波波动方程数值模拟方法主要包括有限差分法，有限元法和傅里叶变换法,原则上都可以模拟任意非均匀介质中波的传播，但它们各有千秋。有限差分法的主要优点是计算速度快，占用內存小，缺点是精度低，仅适合于相比较简单的地质模型。有限元法的主要优点是适宜于模拟任意地质体形态，可以任意三角形逼近地层界面，确保复杂地层形态的逼真性，其缺点是占用内存和计量都大。傅里叶变换方法(如相位移法、伪谱法等)由于利用空间的全部信息对波场函数进行三角函数插值，所以能更加精确地模拟地震波的传播规律；同时，利用快速傅里叶变换进行计算，还可以提高运算效率；该方法的主要优点是精度高，占用內存小，缺点是计算速度较慢。在这里选用属于傅里叶变换法范畴的相位移法解波动方程来正演摸拟任意非均匀介质中的地震波散射场。

2 地质模型的建立

传统用于正演模拟的地质模型都是用层状结构,即要求模型的每一个层都必须从模型体的左边界贯穿到模型体的右边界,层的定义一般按顺序由上到下依次排列,不得交叉。对于简单的地质体这样的做法并无大碍,但是,当地下的地质结构比较复杂(如存在断层、尖灭等)时,这种模型的描述方法就很困难了。对复杂构造,不采用传统的“层状模型”进行模型正演,而采用“块状模型”来描述地下构造,从而进行模型正演研究。“块状模型”摒弃了传统模型中“层”的概念,以介质区域作为单元,因而能够描述任意复杂的地质模型。所谓“块”是指具有一定速度密度的地质体,它是一个相对独立的个体,对于二维地质模型，“块”可以看成是由相交界面之间或相交界面与模型边界构成的封闭区域。本文地震地质模型的建立原则遵循由简到繁，以利于散射波的识别及波场特征的表达和总结。

3 地质—地球物理模型离散化

不同的研究目的，构成地质—地球物理模型的地球物理量也不同。对于均匀各向同性介质声波方程，地质—地球物理模型可以表示为，而对于均匀各向同性弹性波方程而言，其地质—地球物理模型则要表示成

地质—地球物理模型的离散化是通过对模型的空间剖分来实现的，为了准确地刻画地下介质物理性质空间变化，模型网格剖分必须要求足够精细，只有这样才能以较小地误差逼近地下介质地实际物性分布。但是在计算机实现中，网格剖分越细，则空间网格点的数目就越多，这必然会占用大量的内存，加大计算的工作量，降低计算的效率。因此，模型离散化时既要考虑数值模拟的分辨率（或网格大小），又要考虑计算成本。

4 结论

地震勘探在金属矿的应用目前主要限于沉积矿产，这是因为反射地震在地球成层状时才能取得好的效果。

(1) 在金属矿勘查中，地震方法是一项新方法新技术，任何新方法新技术在到达成熟阶段之前，都需要有一个过程。金属矿地震勘查技术虽取得了较好的方法技术研究和试验效果，但由于金属矿区地震地质条件的多样性和复杂性，在金属矿勘查中的地震方法技术研究需要结合应用和示范工作进一步开展，以在应用和示范过程中进一步发现问题，研究问题，不断完善这一方法技术。

(2) 在金属矿勘查中，地震方法可在较大的深度范围内，精确地查清浅、深层地质构造之间的关系，圈定深部隐伏岩体、探讨测区断裂系统和构造岩浆对矿床富集就位的控制作用，不同时代的岩层界而的空间形态与成矿制约作用，在有利的条件下，利用综合地震资料，探测与矿体有关的局部不均匀体，对隐伏矿体进行空间定位。

[1] 尹军杰,刘学伟,李文慧;地震波散射理论及应用研究综述[J];地球物理学进展;2005年01期

[2] 李灿苹,刘学伟,王祥春,杨丽;地震波的散射理论和散射特征及其应用[J];勘探地球物理进展;2005年02期

[3] 勾丽敏;刘学伟;雷鹏;刘士军;;金属矿地震勘探技术方法研究综述——金属矿地震勘探技术及其现状[J];勘探地球物理进展;2007年01期

A study of seismic prospecting for metallic ore

Cai Xiangyang
(Anhui Anhui geophysical and Geophysical Exploration Technology Institute，Hefei，230022)

At present,in the case that the shallow mineral resources are close to depletion,the deep demand for resources from the earth has become the necessary trend of the exploration..There are data shows that seismic method can solve different geological problems in different stages of metallic ore exploration.. Nevertheless,there are still many difficulties in solving the geological problems during different geological exploration stages,which hinders the application of this method in metallic ore exploration.. This paper introduces the principle of scattering wave method;seismic wave numerical simulation principle and method;geological model with different focal point of seismograms and arbitrary moment of instantaneous wave front is obtained through the numerical simulation, combined with the seismic geologic model.Analysis seismic records,explain the wave field characteristic.

metal mine；numerical simulation；seismic exploration；seismic record resolution；wave equation