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金属矿地震勘探进展与展望

2022-03-31符力耘肖富森杜启振

关键词:金属矿床金属矿反演

汤 聪,符力耘,肖富森,杜启振

1 中国石油西南油气田公司勘探开发研究院,成都 610041

2 山东省深层油气重点实验室,中国石油大学(华东),青岛 266580

3 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,青岛266237

0 引 言

金属矿产是人类社会和科技发展的物质基础,社会、科技的进步离不开金属矿产的支撑,因此人类对金属矿产的需求会有增无减,尤其对于我国重要金属矿产资源人均储量不足世界人均四分之一的现状来说,国内重要金属矿产紧缺形势日益加剧,金属矿产资源安全、可靠供应对于我国经济快速发展至关重要. 目前,金属矿产开发主体多限于第一深度空间(0~500 m)范围内进行,随着浅部矿产的储量降低,开采难度越来越大,勘探目标向深部转移是必然趋势. 浅地表处所见的金属矿产资源,均是地球内部在地史期间深部物质与能量的交换所致,大型、超大型金属矿床的形成和分布受深部物质、能量的交换及其物理—力学—化学过程制约,因此,在第二深度空间(500~2 000 m)肯定存在相当规模的金属矿床,向深部找矿是未来的发展趋势(滕吉文,2006).

在目前的金属矿勘探中,主要采用重、磁、电等方法,通过分析地下不同物性界面所产生的各种物理效应,从而挖掘蕴藏在其中的构造、岩性等信息,达到寻找金属矿床的目的. 这些方法具有成本低、勘探设备轻巧、施工灵活、绿色环保等优势,在浅层(0~500 m)找矿中具有不可替代的地位和优势. 但如表1所示,随着勘探深度的增加,它们的探地信号急剧衰减,地球物理异常变得很弱,分辨率随之降低,多解性问题异常突出,无法满足第二深度空间找矿的需求. 与其他的地球物理方法相比,地震勘探的优势恰恰在于地震波具有更强的穿透性和深层分辨率上,恰好匹配深部探矿的要求(汪杰等,2017;王柯淇等,2021).

表1 常规物探方法的最大探测深度与主要探测目标(修改自董保平和朱哲,2019)Table 1 Maximum detection depth and main detection targets of geophysical methods (modified from Dong and Zhu, 2019)

地震勘探金属矿的潜力很早就被专家学者们意识到,但由于结晶岩地区地质情况复杂,一直发展较慢,地震方法成功刻画结晶岩区核废料库的地下变 形 和 断 裂 情 况(Green and Mair, 1983; Juhlin,1995; Cosma et al., 2001)的典型案例,大大推动了地震在金属矿勘探中的应用. 早期限于成本、技术等原因,多采用二维地震勘探方法. Drummond等(2002)利用二维地震资料勾勒了金属矿床控矿构造的演化过程. 二维地震成本较低,易于实施,但因为局限于覆盖面积有限,精度不高,多用于早期的踏勘或作为后期三维地震资料的一种补充手段(周平等, 2008; White et al., 2016),对矿体及相关构造进行更精确刻画还需要三维地震资料.White等(2012)利用三维资料对某金属矿床成像,并与先验的地质模型相比较,相关性良好. 除了地面地震以外,Malehmir 等(2012)还引入了井间地震,利用检波器更接近矿体的优势,精细刻画了地面地震难以描述的近直立断层、界面.

国内在金属矿领域亦进行了大量的研究. 在新疆土屋斑岩铜矿方面,Li和Etaon(2005)利用8条二维地震资料进行2.5D处理,提高了偏移归位的准确性,使含矿侵入体顶底面与先验正演模型更加匹配;“深部探测技术与实验”(SinoProbe)科技专项在长江中下游成矿带部署了宽频地震、深部反射及折射地震,揭示了典型矿集区的三维结构及主要控矿地质体(构造、地层和岩体)的深部延伸(董树文等,2009;吕庆田等,2014);徐明才等(2007, 2016)在拜仁达坝多金属矿区、内蒙古准苏吉花铜钼矿区开展了金属矿地震数据采集、处理和综合解释方法研究,认为在金属矿区,地质界面与波阻抗界面不一定一一对应,需要综合利用地质、化探和地震资料才能更好地识别金属矿体. 除了人工主动源之外,许多学者开展了基于地震天然被动源技术的岩石圈结构成像研究. 孟亚锋等(2019)使用地震台站接收的垂向连续波形数据,利用背景噪声成像方法刻画了郯庐断裂中南段及其邻区地壳的速度结构. 为降低采集成本,提高成像精度,研究人员将便携式短周期地震仪引入被动源探测技术,目前已有较多成功案例(俞贵平等,2020; Xie et al., 2021). 总体而言,目前的金属矿地震探测方法研究并不系统,未形成针对性的地震勘探理论,如何提高识别精度是金属矿地震探测所面临的最大挑战.

本文以岩浆熔离矿床,海相火山、层控热液矿床以及斑岩、玢岩型矿床为例,分析典型金属矿床的特征,探讨常规反射地震在金属矿勘探中的适应性问题;其次从采集、处理、解释反演和被动源勘探技术等四个方面来论述国内外金属矿地震勘探的最新研究进展,分析技术的可行性及局限性,并通过对部分前沿理论的探索,展望它们在金属矿勘探中的发展趋势;最后结合金属矿床的特征和技术方法的发展情况,总结了金属矿地震勘探的发展前景. 本文试图梳理出地震方法在金属矿勘探领域中的发展脉络,并指出潜在的发展方向,期望给金属矿地震勘探提供建议.

1 反射地震的适应性

地震技术目前在油气勘探领域得到了广泛应用. 由于绝大多数油气藏发育于沉积岩地区,具有地层成层性好、勘探目标尺度较大、层间波阻抗变化快等特征,非常适合地震反射波勘探,所以反射地震及相关技术是目前最成熟、应用最广泛的油气勘探技术,但在金属矿床勘探领域一直进展缓慢,主要存在以下原因:

(1)金属矿床多位于结晶岩地区,不同岩石单元界面间波阻抗差较小,有效信号(地震反射波)能量弱;

(2)金属矿床多位于构造发育带,地下地质情况复杂,非均质性极强,地震波场复杂,难以产生连续反射信号;

(3)金属矿床多位于山区,复杂的地表条件影响了原始地震资料品质,导致后续地震资料处理和解释反演难度极大;

(4)金属矿体形态复杂,大多数规模较小,甚至达不到反射波的最小分辨能力(高景华, 2002;Salisbury et al., 2003).

基于上述分析,利用地震反射波进行金属矿床勘探存在相当大困难,不能简单照搬油气反射地震勘探技术. 对于反射地震在金属矿勘探中的适应性问题,需进行两方面讨论:首先是能不能,即反射地震是否有能力刻画金属矿床?其次,再探讨反射地震面对不同典型金属矿床的表现,并总结出关键影响因素.

1.1 金属矿岩石物理属性

反射地震是否有能力刻画金属矿床,关键在勘探目标(矿体、容矿岩体等)能否产生足够强度的地震反射能量. 勘探目标与围岩间的波阻抗差决定了地震反射波强度,单一岩石单元的波阻抗(Z)表达式为:

式中,V和ρ分别为地震波速度和岩石密度. 对于水平接触的岩石单元,界面反射系数R(入射波和反射波能量比值)表达式为:

式中,Z2、V2、ρ2为上覆岩体对应的波阻抗、地震波速和密度,Z1、V1、ρ1为下伏岩体的对应参数. 在水平界面下,理论上认为反射波能量达到入射波的6%(反射系数R=0.06),就能产生可识别的地震反射能量,进而可以利用反射地震相关技术识别对应岩石单元(Salisbury et al., 2000). 因此金属矿体和围岩间的波阻抗差值直接决定反射地震的可行性[公式(1)、(2)],对目标金属矿床的主要岩石单元进行岩石物理分析,测量其波阻抗属性是必要的. 必须注意,除了反射系数下限之外,实际地质体成像与否还同目标照明强度、资料信噪比等因素相关,需进行综合判断.

目前,相关岩石物理研究有很多,例如Salisbury等(1996, 2000, 2003)选取多个典型金属矿床,测定了在地层压力条件下典型矿石和围岩的密度、速度参数,并制作典型岩性(金属矿体和围岩)的波阻抗散点图,认为大多数金属矿体具有更高的波阻抗,与相应围岩的界面能产生可识别的地震反射能量. Duff 等(2012)通过测井数据、岩石样品分析了不同矿物种类及其含量对波阻抗的影响. Miah等(2015)以某火山成因块状硫化物矿床(VMS)为例,基于岩石物理实验探讨变质、蚀变作用对地震振幅属性的影响,认为热液蚀变作用造成某些矿物(石榴石、角闪石等)含量增加,导致相应岩体波阻抗增大. 研究人员对典型金属矿岩体单元波阻抗特征进行了许多相关研究,并取得相应的认识,但在实际勘探中,金属矿床的岩性特征是各异的,同时不同强度的变质、蚀变作用会加剧目标岩体单元的独特性. 所以在反射地震勘探前,都应优先开展针对性岩石物理属性分析,除了可作为判别反射地震适用性的标准外,还能为后期的地震处理、解释工作(采集方案优化、偏移速度建模、叠前阻抗反演等)提供数据支持.

1.2 典型金属矿床适用性

根据一定地质环境下主要成矿作用的不同,可粗略地将金属矿床划分为四大类:岩浆矿床、热液矿床、火山成因矿床、接触交代矿床. 由于具体矿床形成环境的复杂性和成矿方式的多样性,又可在大类基础上按成矿方式、含矿建造、成矿环境进一步细分,如岩浆矿床可以被细分为岩浆分结矿床、岩浆熔离矿床、岩浆爆发矿床和岩浆凝结矿床四种. 同时,在漫长的地质演化过程中,已形成的金属矿床还会受多期次成矿作用、构造作用的影响,进一步复杂化不同金属矿床的特征. 显然,特定金属矿床都会面临不同的反射地震适应性问题,我们无法面面俱到. 但为了回答是否能利用反射地震进行金属矿勘探的问题,本文分析了反射地震在五种典型金属矿床勘探中的表现,并尝试总结影响反射地震勘探效果的关键因素,期望为后续反射地震金属矿勘探提供一定的思路和建议.

1.2.1 岩浆熔离矿床

岩浆熔离作用是指在温度和压力改变时,成分均匀的岩浆熔体分离成两种或两种以上互不相融的熔融体. 芬兰北部的凯维斯塔矿床是典型的岩浆熔离矿床,主要含矿体为多期岩浆侵入形成的多旋回叠置韵律层,深部断裂为主要成矿通道(图1a).经过研究人员细致的地震处理解释工作,深部断裂在剖面中清晰可见,主要含矿体表现为强反射同相轴区带(图1b)(Malehmir et al., 2012, 2014). 基于上述实例,我们认为反射地震能很好地刻画岩浆熔离矿床:(1)该类矿床的含矿侵入体主要由基性和超基性岩浆形成,具有高密度、高波速特征,能与绝大多数围岩形成较大波阻抗差;(2)重力分异作用控制成矿过程,矿体多呈层状、似层状分布,与围岩多成近水平界面,利于反射信号在地表接收;(3)含矿侵入体内多存在由多期岩浆侵入形成的韵律层,扩大了勘探目标尺度,在地震剖面上呈易识别的近平行强反射区带.

1.2.2 海相火山热液矿床

海相火山热液成矿作用在海底或接近海底条件下进行,海相火山喷出物及晚期火山气液围绕喷发中心成群成带出现. 芬兰东部的奥托昆普铜钴锌矿床是典型海相火山热液成因的VMS矿床,其容矿空间不足导致含矿岩石单元规模较小(见图2a硫化物矿体),多小于或等于地震波长,无法产生有效反射能量. 但是矿体多赋存于高基性火山侵入体(见图2a蛇纹岩,高波阻抗特征)内,因此可以通过蛇纹岩间接找矿. 另一方面,该类矿床蚀变作用多发,多在火山侵入体边缘大量发育其他岩性(见图2a矽卡岩),模糊与围岩的边界,难以形成连续反射. 图2b是奥托昆普矿床地震勘探效果图(Kukkonen et al., 2012),叠合了偏移成像结果和瞬时振幅属性,偏移剖面中基本不存在区域性连续同相轴,但强瞬时振幅区域与蛇纹岩分布区域高度一致,因此可通过强瞬时振幅刻画火山侵入体的空间展布特征.

图2 (a)奥托昆普矿床地质剖面简图;(b)奥托昆普矿床地震勘探效果图(修改自Kukkonen et al., 2012)Fig. 2 (a) Geological sketch map; (b) Seismic migrated section of the Outokumpu deposit (modified from Kukkonen et al., 2012)

1.2.3 层控热液矿床

层控热液成矿作用多发生在造山带、裂谷区等地热异常区域,含矿热液沿地层内原生、次生构造运移并堆积成矿. 这类矿床主要发育在沉积岩地区,矿体展布与特定地层高度相关. 南非威特沃特斯兰德盆地是世界最重要的金矿产地之一,主力产矿地层为中兰德群(Central Rand Groups),岩性为石英砂岩,与上覆火山熔岩层呈不整合接触,大部分黄金以侵染状赋存于靠近顶部的砾岩层中(图3a). 该矿床黄金品位较低,不会引起含矿岩石波阻抗特征显著改变,但含矿地层受沉积作用控制,界面水平、岩性稳定,很容易被反射地震识别. 如图3b所示,中兰德群地层顶底界面在地震剖面中清晰可见,其中与火山熔岩层不整合接触的顶面同相轴更为清晰. 对这类矿床,可以利用相关地层的空间展布特征实现间接找矿(Manzi et al., 2012a).

图3 (a) 威特沃特斯兰德盆地中兰德群地层剖面简图;(b)威特沃特斯兰德矿床地震勘探效果图(修改自 Manzi et al.,2012a)Fig. 3 (a) Geological sketch map; (b) Seismic migrated section of the Witwatersrand deposit (modified from Manzi et al., 2012a)

1.2.4 斑岩型与玢岩型矿床

在时间、空间和成因上与浅层或超浅层的中酸性斑岩体有关的细脉、侵染型矿床统称为斑岩型矿床. 这类矿床有三个特点:(1)含矿岩体主要为中酸性火山岩类,波阻抗不高;(2)矿石呈侵染状或细网脉状分布,品位较低(多低于1%);(3)矿床形成与岩浆活动相关,强烈的围岩蚀变作用模糊了矿体和围岩的边界,难发育清晰干脆的岩性界面. 在新疆土屋斑岩铜矿,Li等(2005)通过岩石物理实验,证明了矿体和围岩的波阻抗差能产生一定的反射能量(反射系数R约为0.1左右,略大于下限值0.06),但因含矿岩体和围岩接触界面高陡(>45°)且模糊(图4a),加之原始地震资料照明不足(地震测线仅24道接收,设计覆盖次数6次),得到的叠加剖面信噪比极低,基本看不到有效信号(图4b).

图4 (a) 土屋斑岩型矿床地质剖面简图;(b)土屋斑岩型矿床地震勘探效果图(修改自Li et al., 2005)Fig. 4 (a) Geological sketch map; (b) Seismic stacked section of the Tuwu deposit (modified from Li et al., 2005)

玢岩型铁矿和斑岩型矿床成矿作用、矿床特征相似,主要区别在于玢岩型矿床含矿岩体为中基性火山岩,具有更高的波阻抗. 庐枞矿集区的罗河铁矿为典型玢岩型矿床(图5a左),矿体呈低角度似层状分布;在地震偏移剖面(图5b)中,矿体范围内出现多组同相轴,与矿体特征基本一致. 另外,位于罗河铁矿东南25 km处的大包庄铁矿,其特征基本和罗河铁矿一致,但受后期构造作用改造,矿体呈两侧陡峭的马鞍状(图5a右);在地震剖面中(图5b),大包庄矿体未产生明显反射同相轴(吕庆田等,2010). 主要原因可能是该区域地震测线排列长度有限(单边1 600 m),难以接收足够强度的高角度地震反射能量. 玢岩型铁矿和斑岩型矿床的特征基本相同,但地震成像质量差异很大. 充分说明具有高波阻抗差的矿体围岩组合是控制反射地震适用性的关键因素. 同时,还需要注意后期构造运动对反射地震成像的不利影响.

图5 (a) 罗河、大包庄玢岩型矿床地质剖面简图;(b)罗河、大包庄玢岩型矿床地震勘探效果图( 修改自吕庆田等,2010)Fig. 5 (a) Geological sketch map; (b) Seismic migrated section of the Luohe and Dabaozhuang deposits (modified from Lü et al., 2010)

1.3 影响反射地震适用性关键因素

通过对典型矿床的分析,表明地表能否接收到足够的地震能量是反射地震勘探成功的关键. 这包括两个方面的含义:首先是目标岩体单元是否可以产生足够强度的地震反射波;其次地表是否可以接收到来自目标的有效反射波. 我们认为矿体和围岩的岩性、目标岩体尺度和反射界面特征是影响反射地震适用性的三大关键因素,下面分别进行论述.

(1)矿体和围岩的岩性:矿体和围岩间的波阻抗差决定了能否产生足够强度的地震反射波. 反射系数大于0.06是一个很容易达到的标准,上面的五个实例都能达到,包括成像很差的斑岩型矿床,故不能作为唯一的适用性判别标准. 因为该标准以水平界面为前提,同时当反射系数不足0.06时,若资料信噪比足够高,加上多次覆盖增强,也是可以对地质体成像的. 所以反射系数大于0.06只能作为成像与否的粗略标准,当然可以肯定的是矿体和围岩间的反射系数越大,最终得到满意成像结果的可能性越高. 岩性决定了波阻抗大小,例如,基性、超基性岩浆含有较高的铁镁质,相关岩石具有高波阻抗特征(如岩浆熔离矿床、VMS矿床),中性、酸性岩浆因硅质含量较高,相关岩石波阻抗较低(如斑岩性矿床),因此基性、超基性岩浆相关的矿床易于利用反射地震进行勘探. 同时,金属矿物一般密度较高,多具有高波阻抗的特征,当矿床品位较高时,利于反射地震进行勘探,反之,低品位的矿床(如斑岩铜矿)难以进行反射地震勘探.

(2)目标岩体尺度:一般认为反射地震极限分辨能力为子波的1/4个波长,当目标岩体接近或小于这个尺度时,在地震剖面上难以识别,如VMS矿床中的硫化物矿体很难直接成像. 当岩体尺度与子波波长相当或小于时,地震波以散射为主,这时应用基于反射理论的技术方法效果难以保证. 面对这类小尺度矿体时,研究人员可以通过前期研究,找到与矿体密切相关的其他大尺度岩石单元或层位,实现间接找矿(如VMS矿床、层控热液矿床).

(3)反射界面特征:稳定、干脆的岩层界面利于反射波的产生,但矿山成矿过程中多发的热液蚀变作用会模糊反射界面,影响最终的成像结果,如斑岩型矿床. 低角度、相对规则的反射界面产生的地震波场简单,且地表容易接收,最终的成像效果可以保证,如沉积作用相关的层控热液矿床. 但后期构造作用会改变地层特征,使反射界面变得高陡且不规则,产生大角度且复杂的反射波场,使地表接收和后期精确成像困难,如大包庄铁矿. 所以金属矿床的成岩作用和后期构造改造是评估反射地震适用性必须要考虑的因素.

需要注意的是,相比于以上典型金属矿床,实际生产中部分金属矿床的尺度更小,矿体与围岩的阻抗差更小,含矿单元构造高陡,地表条件异常复杂,难以同时满足地下产生有效反射且地表能接收到足够反射能量的两个条件,反射地震难以对它们成像. 面对这些矿床,研究人员需要跳出常规的反射地震技术路线,寻找新的技术方法.

2 地震勘探方法进展

如前文所述,与常规油气藏地震勘探相比,金属矿床在岩性、尺度和反射界面上具有独特性,不能完全照搬常规反射地震的勘探方法. 国内外研究人员针对金属矿床的特殊性,开展了一系列的研究,对现有技术进行改进,并提出部分新理论新方法,取得了不错的进展. 另一方面,被动源地震勘探方法在近年来发展十分迅速,并在实际勘探中取得了较好的应用效果(俞贵平等, 2020; Xie et al., 2021;Zheng et al., 2021),未来发展前景良好. 下面从采集、处理、解释反演和被动源勘探技术等四个方面分别进行介绍.

2.1 采集方法进展

结晶岩地区,地下构造复杂,地层陡峭,热液作用对界面模糊严重,要获得高质量成像结果,必须保证目标区域、关键构造有足够照明,那么设计合理、科学的采集观测系统对保证原始资料品质是非常重要的. Cheraghi 等(2012)分析了窄方位斜交观测系统特性,如图6所示,与常规正交观测系统相比,斜交观测系统能在检波线方向上快速聚集地震能量,能在平行检波线方向获得更高的覆盖次数,提高该范围的照明强度. 勘探目标为走向相对单一、构造高陡的金属矿床时,采用斜交观测系统可以不增加成本,局部改善地震资料质量. 但改变观测系统排布方式只是重新分配了照明,并不增加总的照明能量,斜交观测系统在垂直检波线方向照明能力就相对较弱,所以当成本允许时,宽方位、高密度的观测系统是最好的选择. 但多数金属矿床的价值无法支撑高密度三维地震采集的高昂成本,研究人员需要在一定成本限制下,尽可能提高地震采集效率.

图6 (a) 斜交、正交观测系统示意图;(b)斜交、正交观测系统覆盖次数玫瑰花图Fig. 6 (a) Distributing of the sources and receive; (b) Rose diagram of folds of the crossing and orthogonal acquisition systems

基于提高地震采集效率的思路,卢占武等(2010)采用变观测系统的方法,在矿床上方增加激发接收密度,加大覆盖次数,保证矿体目标区域的有效反射强度;在远离矿体位置,减少激发接收密度,控制采集成本. 但覆盖次数概念来源于水平均匀介质假设,并通过射线追踪的方式计算,当应用于构造高陡、波场复杂的金属矿照明评估时,难以保证目标区域达到预设的照明强度. Wei 等(2012, 2020)基于双聚焦理论,成功计算了特定观测系统任意目标点的照明强度、成像分辨率和清晰度,并在中国东部某油田成功应用(图7). 该方法基于波动方程,面对复杂波场时,能更准确评估照明强度,可以尝试引入以金属矿为勘探目标的地震观测系统设计中,在不大幅增加预算的前提下,确保特定区域有足够的地震能量.

图7 (a) 中国某油田三维速度模型;(b)检波点线方向切片;(c)激发线方向切片;(d)目标点(黑色五角星)照明强度分析结果(修改自Wei et al.,2012)Fig. 7 (a) 3D real velocity model of an oilfield in China; (b)The section of in-line direction; (c) The section of crossline direction; (d) The spatial resolution function at the target point (the black star) (modified from Wei et al.,2012)

另一方面,还可以通过改进地震采集仪器设备来提高相应的资料采集效率. 多数金属矿区地表条件复杂,大型可控震源车难以展开,客观上要求无缆、轻便的仪器设备(吕庆田等,2019a). 国内多数金属矿区只能牺牲一定的震源能量,采用轻便、便携的电磁式可控震源设备采集资料(王俊秋等,2011). Malehmir 等(2017)设计了一套Streamer采集系统,由重锤和无线检波器串组成,前期不需要开展大量准备工作,运行方便,整个采集过程大约能降低50%的成本. 上述便携式采集设备一定程度上改善了地震采集效率,但激发能量不足,对深层勘探目标(埋深大于1 000 m)效果不佳. 针对该技术难题,杜立志等(2019)研发了一套单站单道分布式混合遥测地震数据采集系统,并通过实际地震勘探应用证明了该系统的性能. 另一方面,金属矿区地表结晶岩发育,不利于地震波能量转换,有效信号衰减严重. 面对该技术难题,陈明春等(2015)开发了轴向不耦合垫层技术,减少岩层破碎导致的能量损失,压制爆炸噪声,提高下传地震波能量,有效改善深层资料信噪比. 目前针对金属矿勘探的地震采集技术序列已取得长足进步,例如在瑞典Ludvika铁矿,地表条件相对较好,技术人员通过前期细致的分析调研,制定了针对性的采集方案,最终得到品质令人满意的地震原始单炮(Malehmir et al., 2021). 但多数金属矿区规模不大,可负担的采集成本有限,且地表条件更为复杂,如何进一步提高地震资料采集效率应该是下一步重点研究方向.

2.2 处理方法进展

与油气藏相比,首先,金属矿地区构造作用活跃,断裂带、岩浆侵入体及高陡构造多发,少有近水平且稳定的岩性界面存在,难以形成连续稳定的地震反射信号(Khoshnavaz et al., 2016);其次,大多金属矿所处地区地表高程起伏大,浅表地质构成复杂,原始地震资料品质难以保证;第三,多数金属矿含矿单元尺度较小,横向非均质性极强,是典型的小尺度非均匀体. 一般理论认为地震反射是散射的一种特殊形式,只有当目标体尺度大于地震波波长,且其与围岩界面稳定时,才能产生足够的反射能量,但大多数的金属矿床难以满足上述条件,地震反射波已经不是大多数金属矿床能产生的主要有效信号. 本文第一部分分析了反射地震在五种典型金属矿床中的应用,除了岩浆熔离矿床和未发生构造作用的玢岩型矿床(罗河铁矿),反射地震对其他所有矿床都没能直接成像,我们应该将目光投向更普遍存在的地震散射能量. 下面将分别从散射基本特性、近地表散射和散射成像三方面进行讨论.

2.2.1 散射基本特征

讨论地震散射相关理论,首先需要分析一下地震散射在面对金属矿体时的基本特征. Bohlen 等(2003)以块状硫化物为例,基于岩石物理实验详细分析了其端元矿物(辉长岩、闪锌矿、方铅矿和黄铁矿)的散射特征. 同时,还研究了不同岩石形状(点状、椭圆、岩墙和某真实矿体形状)对地震散射的影响. 在研究过程中,Bohlen还发现大部分散射能量都会顺着地震波入射方向继续向下传播,这个认识可能在一定程度上解释了金属矿区地震资料信噪比普遍偏低的原因. 通过上述正演研究,研究人员明确了小尺度且形态复杂的金属矿体将产生以散射波为主的地震信号,但其波场特征要远比反射波场复杂. 这意味着基于散射的研究应用将面临极大的挑战,另一方面也代表散射波极具精确刻画小尺度金属矿体的潜力. 李战业等(2009)建立了两个中国东部典型金属矿床的地质模型,模拟了散射地震记录,并取得优于反射地震的成像结果,证明了散射波对小尺度非均质地质体精确刻画的能力. Malcolm等(2011)基于先验地质模型约束,将二次散射波场纳入偏移,也取得了很好的成像结果. 这些研究成果证明了开展地震散射理论的研究应用虽然难度极大,同时也潜力巨大,应该成为主要研究方向.

当然,除了金属矿体产生的有效地震散射,结晶岩地区复杂近地表也会导致强散射现象发生,这些散射能量将严重影响原始地震数据的质量. 例如,强能量的直达波、折射波和面波在遇到近地表的非均质体和地形后,会突变产生强散射能量,这些散射波将在时间、空间和频率上与有效地震信号叠置,严重影响原始资料信噪比,导致对金属矿体进行精确刻画成为奢望. 所以许多研究人员尝试厘清近地表散射的机理,Almuhaidib等(2014)通过正演模拟分析了结晶岩地区近地表的散射特征,讨论了频率、非均质体尺度、埋深、地表起伏程度等因素对近地表散射的影响. Heureux 等(2009)也利用正演模拟讨论了非均质体尺度、倾角等因素对近地表散射的影响. 上述研究在一定程度上模拟近地表散射产生的过程,为后续近地表散射的识别和压制提供了理论基础.

总体而言,地震散射的研究应该分为两个部分:一方面是识别并压制近地表散射,尽可能提高资料信噪比,保证有效信号不被噪声淹没. 另一方面应该集中在对有效散射波波场特征研究上,这是利用散射波进行金属矿勘探的成功关键.

2.2.2 近地表散射

基于岩石物理实验,通过一定算法模拟出近地表散射,从原始地震资料中消除相关影响是压制近地表散射最理想的方式. 模拟近地表散射需要解决两方面问题:首先是准确的波场数值模拟算法;其次是高精度的近地表建模. 目前,关于散射模拟的数值算法研究已非常充分,在散射波运动学和动力学的研究基础上(吴如山和安艺敬一, 1993; Tournat et al., 2004; van Wijk et al., 2004),符 力 耘 等(1998)利用配置法求解体积分方程模拟地震散射,秦雪霏(2007)利用六阶有限差分算法开展散射波场模拟,刘铁华(2012)设计了一种基于总场的频率—波数域散射波数模方法. 这些主流的数值模拟方法基本可以达到从“一次散射”到“多次散射”的模拟需求,但需要提供高精度的近地表模型.

如2.2.1小节所述,研究人员对控制近地表散射的单一因素有很多研究,但多为定性分析,面对真实地层时,所有因素叠合在一起,问题被极大地复杂化. 以目前的技术能力,研究人员无法对近地表非均质特征进行有效量化. 同时因成本限制,也不可能完全通过钻井等物理手段来帮助完成大规模的近地表建模工作. 针对这种情况,陈波等(2016)引入随机介质概念对近地表非均质特性进行简化表征,对近地表复杂程度进行半定量的探讨,但还不具备完全代表实际情况的能力. 所以,基于正演的近地表散射噪声压制方案目前仍不成熟,应作为下一步的研究方向.

在油气勘探领域,主流的去噪方法是分析地震信号和噪声在不同“域”中的特征差异,进而进行针对性的压制. 但复杂地表产生的强散射噪声在时间、空间、频率等域中与信号叠置非常严重,常规的去噪方案难以取得理想的效果. 许多研究人员尝试从其他“域”中找到散射噪声和信号的差异,李稳等(2021)基于散射干扰波与有效信号出射地表时的传播方向偏差,在角度域中利用信号矢量分解滤波进行噪声压制. Shearlet变换是一种基于复合小波理论的几何多尺度时频分析方法,能将地震信号分解为多个尺度,非常适合挖掘散射噪声与有效信号的差异. 许多研究人员基于Shearlet变换发展了一系列针对强散射噪声的去噪新方法,并在实际应用中取得了较好效果(董新桐等,2019;郑升等,2019).目前,在更多“域”中精细地区分散射噪声并压制是更可行的技术方案. 另一方面,除了采用算法压制,在成本允许的前提下,还可以利用合理的地震采集方案达到压制或避开近地表散射噪声的目的.

2.2.3 散射成像

相比于反射波,散射波是大多数金属矿体(小尺度非均质体)的主要地震响应方式,且具有更高的覆盖次数、更广的偏移距范围,理论上散射波非常适合金属矿勘探,但实施也异常复杂. 研究人员尝试将问题简化,Bancroft 等(1998)根据单点散射走时特征提出等效偏移距散射成像法,完成了单次散射能量的归位. 在真实地震波场中,多个散射点间也会互相干扰,产生多次散射. 所以研究人员进一步尝试基于多次散射理论进行偏移成像,Fleury 等(2012)首先基于速度模型计算出多次散射的格林函数,并利用干涉算法完成最终的偏移归位. 与单次散射成像结果相比,多次散射成像剖面分辨率显著提高,非均质体更加清晰. 但是,随着偏移算法的精度越来越高,相应的对速度模型的要求也会水涨船高. 与基于正演压制近地表散射所面临的困境类似,目前研究人员无法获得足够精度的偏移速度模型,所以大多数先进的散射成像算法还未在实际勘探中广泛应用.

在实际生产和研究过程中,技术人员发现基于波动方程的常规偏移算法(如逆时偏移等)也能对散射能量进行一定程度的归位,虽说成像结果精度不及先进的散射偏移算法(胡自多等,2020),但这些常规方法对速度模型的要求相对较低,在实际勘探中更容易推广. 相比于反射能量,散射能量很弱,而常规的偏移算法只能归位少部分的散射能量,使小尺度非均质体在地震剖面上多呈“弱亮点”形态,很容易被强能量的反射信号所掩盖,所以研究人员尝试将反射波和散射波进行分离,达到突出散射能量的目的. 朱生旺等(2013)通过局部倾角滤波分离出大角度散射波,在低角度区域通过预测反演分离散射波. Lu等(2016)根据单点散射能量随角度变换特征,利用快速拉动变换提取出散射能量. 陈明政等(2015)将这种突出散射能量的成像思路应用到塔河油田碳酸盐岩地层的储层预测中,将缝洞储集体、小断层、尖灭等小尺度非均质地质体刻画得异常清晰,证明了这种技术思路在实际应用中的可行性.

2.3 解释反演方法进展

如前文所述,受成本所限,短期内金属矿区的地震资料质量无法大幅提高,同时,因实际地质情况过于复杂,近地表散射压制和单次散射成像只能在一定程度上改善地震剖面质量. 所以在实际金属矿地震勘探中,研究人员应多将重点放在解释反演上,力图建立更精确的地震属性与岩石单元之间的联系,以期更好地刻画地下地质情况(White et al.,2012; Malehmir et al., 2014; Saalmann et al., 2014;McAuslan, 2015). “成矿系统”概念将金属矿成矿作用分为“源—运—储”三个部分,从物理学、化学和动力学的角度揭示金属矿成矿的全过程. 该理论具有强大的区域成矿预测功能,在矿业界引起了广泛的关注(吕庆田等,2019b). 在地震解释反演中,也应该按照基于成矿系统概念进行相关的描述刻画工作,从多个尺度出发复原金属矿成矿过程中的关键要素,并指导后续勘探(周文月等,2021). 另一方面,地震资料的多解性问题是无法避免的,加之金属矿床本身具有岩性复杂,变质、蚀变作用广泛存在的特征,准确找到地震属性与岩石单元间的对应关系是异常困难的. 所以降低多解性是地震解释人员所需解决的头号难点问题. 下面就从这两方面出发,探讨目前金属矿地震勘探领域解释反演新的进展.

2.3.1 多尺度地震综合性探测

为匹配金属矿成矿过程的“源—运—储”组合,地震解释工作也可从大、中、小三个尺度分别开展:(1)大尺度:刻画岩石圈级大型结构,它们是控制成矿系统“源区”的重要因素,比如古风化壳、壳幔边界、大型岩浆房等大尺度构造都对金属富集具有重要的控制作用;(2)中尺度:刻画深大断裂,它们是成矿流体从“源区”迁移到矿质沉淀“储区”的重要“运移”通道,是矿床空间分布的重要控制因素;(3)小尺度:刻画微构造、裂缝网络,它们控制了矿质沉淀“储区”,可以直接指示矿体分布位置(吕庆田等,2020). 从这三个尺度进行相关的解释工作是非常贴合金属矿成矿过程的技术方案,可更全面、精确地理解金属矿床特征.

进行大、中尺度的刻画正好是地震方法的优势. Saalmann等(2014)以地震资料为基础,细致刻画了某VMS矿床区域性断层、大套地层的展布情况及控矿断层的发育特征,并以此为基础从构造演化角度厘清了该矿床的成矿过程,制定出相应的找矿方案. 需要注意的是:当目标区域中发育逆掩断层和高速侵入体(如火山岩侵入体)时,它们会对地震信号产生屏蔽作用,降低屏蔽层以下的地震照明强度,从而影响资料解释精度. 面对类似问题,可尝试引入其他资料(如MT资料)进行约束和补充解释,确保大、中尺度上解释成果的准确性(Takougang et al., 2015).

受金属矿床复杂程度及原始资料品质的影响,对小尺度岩石、微构造、裂缝网络单元进行准确刻画面临极大困难. 研究人员可通过极化处理、边缘检测算法(Manzi, 2012b, 2015)等技术手段,挖掘资料潜力,尽可能提高资料分辨能力,恢复矿体的小尺度细节. 还可以充分发挥散射能量对小尺度构造(岩脉、蚀变带、矿体等)的刻画能力,通过一定的技术手段提高有效散射波的能量占比,使小尺度构造更加清晰呈现(赵惊涛等,2016). 除了挖掘原始资料的潜力,还可以引入在油气领域广泛应用的地质统计学反演(范廷恩等,2019;郭同翠等,2020),提高小尺度构造的刻画精度. 在大庆BEX区块,徐立恒等(2019)引入变尺度构造模型作为约束,通过地质统计学反演成功刻画了超越常规反射地震分辨能力的井间窄小河道和垂向复合河道砂体. 该技术思路可尝试引入金属矿勘探领域,以前期刻画的大、中尺度构造作为约束条件,结合地质统计学反演提高小尺度单元的刻画精度.

2.3.2 多解性问题

地震反演是以地震资料为基础,以地质、钻井、测井等其他资料为约束条件,求解地下岩层特征的过程(姚逢昌等,2000). 在反演过程中,利用地震资料振幅、相位等基础属性,计算相应目标单元的纵、横波速度和密度,并以此为基础建立与岩性、构造等地质属性的联系. 一个金属矿区的岩性、地层、构造、蚀变作用都会引起地震基础属性的改变,这样少对多的关系必然会导致严重的多解性问题,一个地震属性和特定地质现象间难以准确匹配. 要克服多解性问题,首先需要保证初始资料的准确性. 一方面可借鉴岩性油气藏勘探的做法:在提高地震资料分辨率的同时,采用相对保真处理技术思路,尽可能避免因资料处理过程不合理导致的假象,让地震资料反应真实的地下情况(王西文等,2009). 另一方面因成本限制,不少金属矿区只有二维地震资料,面对复杂的地下情况时,偏移精度难以保证. 在面对这类资料时,应充分发挥先验地质模型的约束作用,确保最终地震成像结果的精度(White, 2012).

基于地震基础属性,可以通过一定技术手段提取更多的高阶属性,赋予相应的地质意义,建立更多的判别标准,从而达到降低多解性的目的,例如油气勘探领域常用的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率、曲率等高阶属性. 多数金属矿床都易产生强振幅,所以地震振幅被很多研究人员特别关注.Harrison等(2012)充分挖掘振幅信息,并进行弹性阻抗反演和AVO分析;卢占武等(2014)总结了大量深震剖面的“亮点”特征,证明与岩浆活动相关的岩石和铁镁质岩浆都容易产生可识别的“亮点”;Zeng等(2011)基于“亮点”技术,并结合测井、岩芯、地表露头等资料,精确刻画某金属矿床不整合面下古溶洞的展布和相互间的沟通体系(断层、裂缝带等). 通过对地震基础属性的充分挖掘,可以在一定程度上缓解了多解性难题,但面对复杂的勘探目标时,还需进一步提高反演精度.

在反演运算过程中纳入更多约束条件来达到降低多解性的目的,联合反演(joint inversion)就是基于这种思路运行的反演方法. 例如,金属矿石比围岩具有更高的密度,是识别金属矿体的重要参数,但只依靠地震资料难以获得足够精度的密度信息,所以Lelièvre等(2012)将重力数据纳入反演约束条件,加上地震走时数据进行联立反演,获得了足够精度的岩石单元密度信息. Stefano等(2011)也做了类似的尝试,利用地震资料和重力数据联立反演了某火山侵入体的速度和密度属性. 与单属性反演相比,联立反演收敛性更好,结果精度更高. 模糊C均值(fuzzy c-means)聚类算法是一种基于模糊数学语言对事物进行聚类分析的数学方法,每个样点可属于多个不同聚类,非常适用于降低地震反演的多解性. McAuslan等(2015)将联合反演和模糊C均值聚类算法相结合,充分发挥先验典型岩石单元模板的约束作用,通过模糊C均值聚类算法成功刻画出小尺度岩性单元的展布特征. 在美国的Carlin金矿,Kieu等(2020)以岩石物理模板为基础,加入大地电磁资料作为约束条件,采用模糊C均值聚类算法完成岩性反演工作,最终的反演结果通过钻井验证精度极高. 上述实例证明充分的约束条件和先进的反演算法相结合能很大程度解决多解性难题,保证最终反演结果的精度. 另一方面,充分挖掘地震资料潜力的同时,研究人员尝试引入其他资料与地震资料交互验证互为约束,进一步降低资料解释的多解性,提高找矿精度. 例如,位于福建的大排多金属矿区地表条件复杂,前期对含矿岩体的认识远不能满足深部找矿的需求,孟小红等(2021)在反射地震资料的基础上,引入地表地质剖面、钻孔岩心、大地电磁、航磁等资料,形成综合解释地质模型,精细刻画矿体和构造的展布特征,为后续深部找矿提供了有力的支撑.

2.4 被动源地震勘探方法进展

从震源类型划分,地震勘探可以分为主动源(人工)和被动源(天然)两大类. 前文提到的地震勘探方法都可以划归主动源勘探类型,其基于人工激发震源(炸药、可控震源、气枪等)对地下结构进行精细刻画,是目前地震勘探的技术主流,在石油勘探领域中应用尤其广泛. 但主动源产生的震源能量较小,可探测范围不足,对岩石圈深部的成像能力有限,若大幅提高震源能量,将引起勘探成本的大幅提高,所以限制了这类方法在深部金属矿勘探中的广泛应用. 被动源地震勘探是指不依赖人工激发震源,通过在地表或地下固定位置布设检波器,一段时间内连续接收天然地震波或背景噪声进行地下勘探的技术方法. 被动源方法依靠天然震源进行勘探,相关成本低,震源能量大,可探测深度范围广,因此在金属矿勘探领域具有巨大的潜力.

在早期,被动源的接收依赖于地震台站,这些台站间距较大(10~40 km),地震波传播路径远,高频信号衰减严重,导致最终成像分辨率较差,并不具备精确刻画金属矿床的能力. 最近十年以来,随着便携式一体化短周期地震仪的发展和完善,可大幅度增加被动源台站的布设密度,根据探测目标的不同,台间距通常为几米到几千米不等. 因为接收密度的增加,可以在更短时间内接收更多的地震事件,大大降低采集成本. 另一方面,密集台阵还能观测到更高密度的地震射线(类似于“覆盖次数”的概念),大大提高成像分辨率及精确度(张明辉等,2020). 这类短周期地震仪的出现使被动源地震方法应用于金属矿地震勘探成为可能.

对地表两点放置的地震仪接收到的天然被动源信号进行相关计算,可以获得以一点为震源、另一点为检波器的波场记录,其中包括体波和面波(Cole, 1995; Rickett and Claerbout, 1999). 基于体波信息,可以通过提取首波、直达波、反射波等的走时特征,基于层析反演对断裂带和浅层速度结构进 行 刻 画(Allam et al., 2014; Nakamura et al.,2015);也可以通过计算接收函数(Liu et al., 2017)或利用水平/垂直分量的频谱比(Bao et al., 2018)的方式进行波阻抗界面刻画,进一步揭示岩石圈的精细结构. 由于天然被动源信号(以背景噪声为主)主要受控于面波,可以从中提取的体波信号相对较弱,所以基于体波的被动源勘探方法较少在实际金属矿勘探中进行应用. 与之相反,利用面波频散信息的成像方法在生产中得到了较好的应用:俞贵平等(2020)利用背景噪声相关计算,提取了面波的频散曲线,通过反演获得了胶东地区浅层的横波速度结构,并基于已有地质资料,确定控矿断裂构造特征存在差异是区域性成矿的主要控制因素;Xie等(2021)在辽东半岛青城子矿区也利用短周期地震仪接收的背景噪声,获得了矿区浅层(最大深度约5 km)的横波速度结构,并以此为基础建立了相应的三维成矿模式,指导后续金属矿勘探工作.Zheng 等(2021)在哀牢山—红河剪切带布置了长排列近线性密集短周期地震仪(排列长度240 km,间隔500 m),大大增强了被动源技术的深部探测能力,获得了较高精度的深层(最大深度约10 km)横波速度结构. 上述实例证明:通过合理的观测系统设计,基于密集台阵的被动源地震探测方法对金属矿深浅探测均有很好的效果.

2.5 取得的认识

(1)受多数金属矿床规模所限,采集方面最需要关注的是如何提高资料采集效率:在保证资料品质的前提下,尽可能降低采集成本. 未来应主要包括两方面的研究内容:一是设计合理的观测系统,保证重点区域的照明强度;另一方面是改进采集设备性能,提高设备的便携性,在此基础上尽量提供足够的激发能量.

(2)鉴于金属矿床的特殊性,在资料处理方面散射波相关理论应该是未来研究的核心,主要包括近地表散射噪声压制和散射波成像两个方面. 研究人员目前对散射波进行了非常多的探讨研究,也提出了不少新的理论与算法,但由于很难得到反映散射特征的高精度地质模型,使大部分研究成果难以在实际勘探中广泛推广,这是未来金属矿地震勘探所需解决的关键问题. 当然目前相对成熟的多域多尺度近地表散射压制技术和反射散射分离成像技术可在一定程度上发挥散射波对小尺度金属矿体的刻画优势. 在地震散射理论很多关键技术问题尚未解决的情况下,反射波相关技术仍是目前工业界的主流处理方案. 我国新疆阿舍勒铜矿地表条件复杂、目标矿体尺度小,导致原始地震资料信噪比极低,一般认为反射地震难以对其取得较好的刻画效果.研究人员从原始资料特征分析出发,形成一整套针对性处理流程,最终获得相对高信噪比、高分辨率的成像结果(Gong et al., 2020). 因此,在技术条件限制下,设计更合理的资料处理方案,有效的挖掘资料潜力,是解决目前金属矿地震处理难点问题的关键.

(3)在解释反演方面,如何进行多尺度刻画和降低多解性是最需要关注的两个关键问题. 通过恢复成矿过程指导找矿是多尺度刻画的核心理念,其中大、中尺度相对容易刻画,下一步研究的重点应该集中在小尺度上. 在降低多解性方面,精细解释、提取更多高阶属性、联立反演和先进的反演算法等都是降低多解性的有效手段,可以最大程度保证地震与地质目标间映射的准确性. 因为变质作用、热液蚀变与金属成矿密切相关,下一步可以尝试定量探讨这些后期改造作用与地震属性间的映射关系. 在取得地震解释反演的成果后,应该充分发挥来自地表剖面、钻井资料、测井数据及重、磁、电等其它测试手段的相关认识,联合建立高精度地质模型,指导后续勘探工作.

(4)相比于主动源技术,基于短周期密集台阵的被动源技术具有低成本、易实施的优势,且其分辨能力及成像精度已能初步满足勘探需求,在金属矿勘探领域具有广阔的应用前景. 另一方面,该技术与其他地球物理勘探技术类似,也面对多解性突出的问题,未来应该结合其他的勘探技术手段(主动源、重力数据、GPS数据等)进行多数据约束,尽可能提高成果数据的可靠性.

3 结论与展望

本文首先从基本的波阻抗概念出发,引入反射地震适用性的理论下限,并选取五种典型金属矿床,结合地质特征探讨了反射地震在其中的表现,总结认为岩性、岩体尺度和反射界面特征是影响反射地震适用性的关键因素.

其次通过分析金属矿地震勘探在采集、处理、解释反演和被动源勘探等四个方面的研究进展,认为采集决定了原始资料的品质,是勘探工作的前提保证. 地震散射相关理论资料处理的核心问题,但因速度建模精度的限制,目前仍处于理论研究阶段. 解释方面除了充分挖掘现有资料的潜力外,采用多尺度的解释思路,尽可能引入其他判别标准(地质、钻井或其他地球物理资料),降低最终成果的多解性,建立高精度地质模型指导金属矿勘探. 被动源技术低成本、易实施,且同时具备高精度、高分辨成像的潜力,是未来重要的技术发展方向.

通过实例和理论分析,我们认为金属矿地震勘探的前景可期,其中有三点值得注意:(1)现阶段反射地震仍将是主流的勘探方式,鉴于其刻画小阻抗差、非均质岩体的弱点,可将工作重心放在解释反演上,充分挖掘现有资料潜力;(2)应基于岩石物理学探索金属矿成矿作用对地震属性的影响;(3)散射波及被动源相关理论在目前只在部分勘探实践中应用,但效果良好,是未来金属矿地震勘探领域重要的发展方向.

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