庐枞盆地浅表地壳速度成像与隐伏矿靶区预测

刘振东，吕庆田，严加永，赵金花，吴明安

1 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037

2 安徽省地质调查院，合肥 230001

1 引 言

传统的金属矿勘查主要依赖重、磁、电等方法［1-2］.近年来，金属矿地震勘探技术取得快速发展，在北美、南非、北欧、澳洲等地的金属矿勘探中得到了成功应用［3-13］.高分辨率反射地震在探测深度和分辨率方面具有其它方法无可比拟的优势，成为深部矿产资源勘探最有前景的技术［13-15］.金属矿地震勘探中主要采用的方法技术有反射波法、折射波法、散射波法、地面地震层析成像等［3，8，16］.在观测系统和初至拾取都准确的前提下，初至波层析成像结果具有较高的分辨率和可信度，可以为深部隐伏矿床的勘探研究提供丰富的地壳浅表速度结构信息，尤其对隐伏岩体的空间形态有较好的分辨能力［17-19］.

目前，反射地震初至波层析成像的研究大多用于反演速度结构和静校正计算［20-22］.前人对速度成像 结果用于找矿进行了探索研究［18-19，23-25］，并 取 得了进展与成绩.然而，在深部找矿问题上需要多学科、多专业知识的有机结合，地质、物探、化探技术应用相结合，实现对隐伏矿床的定位预测［1-2，26］.因此，在前人的基础上，本文对庐枞盆地采集的高分辨反射地震资料进行了初至波层析反演速度成像研究，同时，沿地震剖面开展了化探，结合炮孔地球化学分析结果、地质资料和区域重磁探测数据，综合多种信息，推断高速侵入岩体，根据玢岩铁矿的成矿模式，开展了隐伏矿床预测，为庐枞矿集区深部找矿提供一个新的思路和找矿方向.

2 研究区概况及高分辨反射地震采集

长江中下游地区是中国重要的铜铁多金属成矿带［27-28］.晚中生代曾发生强烈的构造岩浆活动和成矿作用，形成了北东向火山-岩浆岩带，发育丰富的铁、硫、铜、金、铅、锌、明矾等矿产［14，27-29］.

庐枞（庐江—枞阳）早白垩世陆相火山岩盆地属长江中下游成矿带，是典型的构造火山坳陷区［27-28］.盆地基底岩层出露于北、东、南三面外缘，以奥陶系白云岩、志留系砂岩、泥盆系砂岩、三叠系灰岩、侏罗系砂岩为主.上三叠统灰岩零星分布于盆地外围，下、中侏罗统磨山组及罗岭组砂岩构成了陆相火山岩盆地的基底；下白垩统陆相火山岩系分布在盆地内部，以角度不整合覆盖于基底沉积岩层之上.火山岩系在空间上大致呈同心环状分布，自盆地边缘至盆地中心依次为龙门院组、砖桥组、双庙组和浮山组，为一套安粗岩系［30-32］.

侵入岩是中国东部中生代燕山期岩浆大爆发的产物，与长江中下游铜铁多金属矿床的形成关系密切，火山岩与侵入岩在岩石化学、地球化学、成因及其与成矿的关系等方面存在共性［27，29，33］.庐枞火山岩凹陷区内部和周边有大量侵入岩，集中分布在两个侵入岩带.侵入岩带与黄屯—枞阳基地断裂和隆起带在空间分布上基本一致，说明基地构造对侵入岩带具有明显的控制作用［14，34］.

为了进一步阐明盆地内部结构、基底构造的空间分布、深部动力学过程，开展与成矿有关深部探测研究，开拓深部第二找矿空间，在国家深部探测技术与实验研究专项［35-36］资助下，2009年在庐枞矿集区部署了5条相互交叉的反射地震剖面（图1）.其中北西—南东向剖面3条，大致垂直火山岩走向；北东—南西剖面2条，基本与火山岩走向平行.北西—南东向剖面穿过郯庐断裂、孔城凹陷、火山岩区和长江断裂带；北东—南西剖面北起杨家桥基底隆起，近乎平行穿过火山岩区，向南终止于早侏罗统罗岭组分布区.5条地震剖面满覆盖长度250km.研究区域内海拔高程0～595m，主要位于山区，高差变化较大.

野外地震采集前进行了观测系统参数的正演模拟分析和井深、药量及有关激发接收参数的试验.生产使用高密度柱状炸药作为爆炸震源，平原区井深14～16m，药量4～6kg，山区井深16～18m，药量8～10kg，高陡区井深18m，药量12～14kg.使用法国Sercel生产的428XL数字地震仪，20DX－10型检波器接收.采用中间放炮两端接收的观测系统（7190－10－0－10－7190－20m）.接收道数720 道，炮间距80m，道间距20m，最大偏移距7190m，设计覆盖次数90.记录长度12s，采样间隔2ms，记录格式SEGD.

3 初至波层析反演

图1 庐枞火山岩盆地地质简图及反射地震位置（黑线）示意图Fig.1 Geological map of the Lujiang－Zongyang basin with the locations of reflection seismic profiles（black lines）

地震波在地下岩层中的传播规律满足波动方程，在一定条件下可以用射线理论来近似波动理论.地震波在介质中传播过程主要遵循惠更斯（Huygens）原理和费马（Fermat）原理［37-38］.斯奈尔（Snell）定理描述了射线穿过界面时波的传播规律.地震波的走时包含了传播介质丰富的速度信息［17，37-40］.

初至波表层结构层析反演，是根据地震波的传播规律，利用地震波射线的走时和路径反演介质速度结构的一种高精度反 演方法［17，39-42］.大量的研究成果和实践表明［17，20-22，41］，层析成像技术可由初至波的到达时反演表层速度结构，并利用速度值求得静校正量，层析反演静校正技术在石油勘探领域已得到广泛应用并取得良好效果.近几年，国内外的学者将地表反射地震层析成像用于金属矿勘探并取得了引人注目的成果，地震层析成像结果可以为研究区的岩体、地层、断裂、构造等空间分布提供更为直观的信息［18－19，23－25］.

在层析技术中，地下介质被划分为速度网格面元，用网格面元的速度近似模拟介质复杂速度结构，层析的目标是求解每个面元的速度，即层析反演是一个速度反演过程［39-40，43-45］.对任何观测系统，用初至波交互反演近地表的速度变化.算法实现包括以下步骤：（1）初至时间拾取；（2）初始速度模型建立和网格化；（3）初至波射线追踪正演；（4）反演，更新速度；（5）迭代.

本文采用业内成熟的层析反演软件（绿山地球物理公司的FathTomo模块）.文中反演时采用的初至波包括直达波、回折波、折射波以及几种波混合后最先到达地表的波.正演方法采用Um和Thurber于1987年提出的最大速度梯度射线追踪三维算法［46］，这是一种两点射线追踪方法，根据费马原理，在炮点和检波点之间通过计算最小的走时，找到两点之间的射线路径，计算效率高.反演采用同步迭代重建技术（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT），SIRT反演算法的优点在于方法稳定，收敛性好［47-49］.

初至波拾取采用了人工半自动交互拾取的方式，提高拾取的精度和准确性.速度面元网格划分20m×20m，试验确定模型深度3000m.迭代10次.走时残差（均方根）由初始的110.8ms降为11.6ms.

图2 拾取的初至时间与反演结果（a）人工拾取的初至波时间；（b）反演后的结果（蓝线）与原始拾取（红线）的叠合.Fig.2 First break time picked compared with tomographic results（a）First arrival time manual picked；（b）Tomographic results（blue）overlapped with picked（red）.

图3 （a）射线路径，色棒颜色表示穿过面元的射线密度（次数）；（b）速度结构，黑色虚线为射线穿透的有效深度底部位置Fig.3 （a）Ray tracing；（b）Tomographic velocity structure image，black dashed line is the bottom of effective depth

图2显示的是以L3线为例，拾取的初至走时和层析反演出的模型计算得到的理论走时结果.从走时图上可以看到，远、近偏移距分布基本均匀，保证了浅层和深层都有足够的射线穿过，有利于得到稳定可靠的速度反演结果.一般来说，地面地震层析成像的探测深度取决于地震接收排列的长度［18-19，23］.研究中试验了偏移距范围与反演深度和精度的关系.试验结果表明，反演深度随偏移距增加而增大，充分利用近偏移距数据可以获得精确的浅层速度.与利用全偏移距数据反演的结果相比，只利用中、远偏移距数据的反演结果对中深层速度影响不大，对浅层速度结果影响较大.求准浅层速度结构可以准确计算层析静校正，为后续地震资料处理提供更准确的静校正量.因此，为了准确求取速度结构，同时获得较深的有效反演深度，本次反演利用了全排列数据参与计算，偏移距范围10～7200m.

在反演速度结构的同时，还进行了层析静校正的计算，得到了5条线的层析静校正量，用于地震资料处理.层析静校正的效果将在另文叙述.

图3显示了L3线的射线路径和反演得到的速度结构图像.为了显示清楚起见，纵向坐标放大了四倍.可以看到，穿过面元的射线密度从1次到8000多次不等，主要集中分布在50次到800次之间，局部高达几千次，在测线边缘和模型深部，射线穿过次数较少.高覆盖的射线密度确保最终可以得到一个稳定可靠的反演结果.图3b中的黑色虚线是图3a中射线穿透的底界，最大有效深度约在1300m.射线密度、射线均匀程度和射线穿透深度是反演结果是否可靠的重要依据.虚线以上部位的速度成像结果准确可靠，虚线以下的速度为算法内插和外推的结果，可供参考.

4 浅表地壳速度成像结果和侵入岩体预测

本次反演得到庐枞地区5条测线的速度成像数据.根据每条测线的射线路径和射线密度分布，截取有效深度到1100m或1300m.层析成像结果显示，庐枞矿集区浅表地壳存在着显著的纵、横向速度变化特征.从最终的速度结构影像图上可以很直观地看到浅表地壳速度的变化情况.

该区地表地质调查显示，地表出露第四系泥土，白垩系、侏罗系砂岩，以及晚侏罗—早白垩世火山岩，三叠系灰岩等地层.一般来说，泥、砂岩或经风化的岩石具有较低的地震波速，火山岩、灰岩等硬岩具有较高的地震波速［18，50-51］.不同时期不同岩性的地壳浅表结构在速度影像结构具有明显特征和界线.根据速度成像结果可以推断岩性的变化和边界.

结合地表出露和已知勘探研究成果［18，50-51］综合推测，沉积红层及第四系泥土覆盖区波速较低，在1600～2600m／s，火山岩波速在3000～4800m／s，出露灰岩处的速度在5000～5500m／s，深部波速4800～5800m／s的部位可能为隐伏的侵入岩体.

速度剖面图中对应红色，表现高速特征的部位，推断可能为侵入岩体.从速度影像图中可以直观推测出高速岩体的分布范围.如图3所示的L3线，横坐标6000m附近、深度500m上下为一侵入岩体；横坐标23000m一带、深度400～1000m为一隐伏侵入岩体；横坐标32000～45000m一带、深度200～1100m处可能为一大型侵入岩体；横坐标50000m一带是施家湾侵入岩体，其上覆火山岩出露地表，有一个筒状高速特征体T（见图3b）直接到达地表半山部位，可能是岩浆侵入或喷发的通道.

L1线（图4a）在坐标29000～45000m西牛山一带穿过火山岩区，地表出露火山岩和火山口，速度剖面上这一段表现为高速特征，证明深部存在侵入岩体.坐标10000m处有赤山组火山岩出露，其北部位于60000m坐标附近有高速特征体存在，推测可能为高速侵入岩体.L1线的北部和南部为沉积覆盖区，速度结构在1600～3500m／s之间，沉积盆地特征明显，形态刻画清楚.

L2线（图4a）西北部坐标6000～12000m一带高速特征的地表出露侏罗系茅坦厂组火山岩，并有正长斑岩出露，在18000～27000m的沙溪一带高速度体上方，有晚侏罗系的二长花岗岩和红花桥组火山岩出露，在40000～65000m之间高速特征体一带是砖桥铁矿、井边铜矿和黄梅尖岩体，证明地下存在高速侵入岩体.坐标70000m的高速特征上方地表出露三叠系石灰岩.在坐标30000～40000m、72000m以南是沉积盆地覆盖区，速度结构表现为低速特征，并刻画出沉积盆地形态.

L4线（图4a）穿过火山岩区，地表大部分地段出露火山岩和部分燕山早期侵入岩，在小岭、黄屯、岳山一带有侵入岩体，速度成像剖面上大部分存在高速特征体.L4线的东北部为沉积覆盖区，地表为第四系沉积物.

L5线（图4a）穿过火山岩覆盖区，地表有白垩系火山岩、侏罗系次火山岩和粗安玢岩等出露，速度成像剖面均表现为高速特征.

图4 （a）五条线的层析成像速度结构（纵向放大了4倍）；（b）速度剖面与地质图的叠合示意Fig.4 （a）Tomographic velocity structure of 5lines；（b）Sketch visualization：velocity overlaid with geological map

图4b是5条速度结构剖面及其与地质图的叠合示意图.各剖面交叉部位的速度值闭合完好，印证了成像结果的可信度和可靠性.对比5条速度剖面与地表地质填图不难发现，层析成像结果中速度纵、横向变化特征明显、规律性强，这种速度的变化特征，很好地反映了该区岩性变化引起的主要速度差异.进一步分析对比发现，沉积盆地速度结构具有低速特征，盆地边界清楚，火山岩出露区速度较高，侵入岩体呈现高速度特征；郯庐断裂等大断裂清晰，黄梅尖等侵入岩体部位特征明显.在庐枞矿集区大面积火山岩覆盖区，5条剖面反演结果表现出高速火山岩特征，其下深浅不等地分布着高速岩体.这些特征与实际表层地质结构和已知地下岩体存在很高的吻合度.

图5是速度结构剖面与1∶5万重力、航磁勘探成果图的叠合示意图.图中可以看出，L1线中部的高速区在重、磁力勘探图上穿过的白柳、孙家坂高重区和高磁区，西北部的高速区位于乐桥高重和高磁异常部位的下方；L2线高速特征部位从西北向东南位于沙溪、砖桥、井边的高重和高磁区，在航磁异常平面图上表现的更一致，地表出露的黄梅尖岩体位于钱家铺和施家湾之间的低重力异常区域，在速度和航磁上表现为高速和高磁，低重力异常是正长岩体的反映；L3线的高速特征部位与塘串河、黄屯、昆山附近的高重和高磁吻合较好；L4线、L5线的高速特征部位与北东—南西向的重力和航磁异常部位吻合.这些高速度位置与重、磁异常位置的一致性表明，侵入岩体一般具有高密度（正长岩密度较低）、高磁性特点，在弹性波速上表现出高速的特征.

5 沿地震剖面地球化学分析

图5 层析成像速度剖面与区域重力异常（a）和航磁异常（b）的叠合显示图Fig.5 （a）Velocity profiles overlaid with gravity anomaly map；（b）Velocity profiles overlaid with aeromagnetic map

图6 化探剖面交叉显示，底图为地质图Fig.6 Geochemical profiles overlaid with geological map

一个毋容置疑的事实是，在隐伏矿床上方运积层内存在有关的化学元素异常［52-56］，这也是化探方法找矿的基础.野外地震采集时，同时采集了炮点井孔深处的岩屑和泥砂样品，这相当于化探方法中的浅钻取样［55］.合理的采样深度对于正确地获取异常，压低噪音至关重要，与采自地面浅部的样品相比，地表深处的岩屑样品所测得的元素异常结果与背景对比更鲜明和稳定［55-56］.国外开展了在隐伏矿床上方沿剖面线进行化探测量的工作并取得了不少进展［54］.本次化探沿5条地震剖面共采样3579件，采样深度约16～18m.

图6是沿地震测线的化探剖面与地质图的叠合显示.图中清晰直观地显示出了金属元素异常的位置.研究分析每条化探剖面，不仅在火山岩区发现了很多金属元素异常，而且在沉积覆盖区也发现一批新的找矿线索.沿沙溪成矿带向南，在L1线的白垩纪赤山组粉砂岩、钙质粉砂岩分布区（横坐标7000～10000m）发现很高的Cu、Zn、Pb、Ag、As、Hg异常组合，异常宽约3.5km，如果砂岩深部存在岩体，是很有前景的找矿靶区.在距L1线起点（横坐标30000～40000m）前后的西牛山一带Cu、Zn、Pb含量较高，为双庙组火山岩地层分布区，火山口发育，极具找矿远景；沿L2剖面在牛头山、石门庵、井边、黄梅尖一带Cu含量较高，牛头山（横坐标40000m附近）和砖桥（横坐标47000m附近）Ag含量也偏高，可以作为下一步找矿的重点地区.在沙溪铜矿（横坐标25000～30000m附近），发现有较宽的Zn、Pb、Ag的异常段，宽约5km，与已知矿的分布吻合.沿L4线的小岭、大岭、岳山一带的Cu、Pb、Zn、Ag、Hg含量较高，与已知矿的分布吻合，但在岳山的北东部还有一较宽的Cu、Pb、Zn、Ag异常带；另外在杨家楼一带具Ag、Cu及Pb、Zn异常，在牛安、陈家咀、浮山一带具Pb、Zn、Ag异常，对应的是火山岩、火山机构分布区，具有找矿潜力［36］.

6 隐伏矿靶区预测

庐枞盆地发育的龙门院、砖桥、双庙和浮山4组以橄榄安粗岩系为特征的火山岩地层，皆形成于早白垩世，火山岩浆活动发生的起止时间约为135～127Ma，持续时间在8～10Ma左右［33］.各火山岩活动旋回稍后期，有大量潜火山岩侵入，主要为闪长玢岩、粗安斑岩、二长斑岩、粗面斑岩，庐枞地区的火山岩-次火山岩-侵入岩与成矿关系密 切［14，19，33-34，57-59］.多旋回的火山喷发和岩浆侵入活动从深部带来巨量的成矿物质，富集后形成庐枞陆相火山岩铁、硫、铜矿集区［32］.

庐枞矿集区内的三类主要矿床（与火山岩有关的铁矿床及硫铁矿、与中酸性侵入岩有关的斑岩型铜矿及铅锌矿、接触交代型与层控型铁铜矿）均与火山岩及侵入岩体有关，矿床下部或边部均有岩浆岩存在［34］.庐枞矿集区集中产出玢岩铁矿，与火山－潜火山作用有关，大多铁矿深部普遍见有石英（辉石）正长岩-二长岩类侵入体，此类侵入岩体与铁矿成矿关系密切，因此直接围绕侵入岩体进行深部找矿已经成为实现区内找矿突破的关键问题［59］.

诸多文献表明［34，57-59］，金属矿赋存的位置与隐伏岩体有关.因此，通过探测隐伏侵入岩体位置和空间展布形态，进而预测隐伏矿床，间接找矿，配合化探异常，指明找矿方向.

对比这五条测线的速度成像剖面和对应的地球化学分析剖面，不难看出，L2线的沙溪、砖桥、石门庵、井边铜矿一带，L4线的小岭、大岭、岳山一带，L5线的井边铜矿一带等已知矿床分布地段，化探剖面表现出强的地球化学异常，Cu、Pb、Zn、Ag等含量较高，在速度成像剖面上，对应的这些地段的地表或地下均存在地震波速在5000m／s以上的高速特征体，对照地表和钻孔等地质资料标定，这些高速特征体为深部侵入岩体.同时通过与庐枞地区1∶5万的重力、航磁勘探成果图叠合对比（图5），这些高速侵入岩体在重力剖面和磁力剖面的异常部位吻合得非常好.

图7的层析成像速度剖面与化探剖面叠合图清楚显示了高速特征体（侵入岩体）与地表金属元素异常的对应关系.金属元素含量高异常一般出现在侵入岩体发育地带.

图8显示了L1、L2和L4线的地质-化探-速度剖面，图中更清楚地揭示了化探异常、矿体、岩体与高速特征体的对应关系.

L2线穿过的沙溪铜矿、石门庵铜矿、井边铜矿等已知矿床均位于地下几百米深处的岩体上部，对应部位的化探剖面铜元素含量异常高，由此可以推测，小烟墩（横坐标19000～22000m一带）、在牛头山、黄梅尖南部等金属元素异常地段，在对应的地下高速特征体上方是深部找矿的有利地区.

L4线在小岭、大岭、岳山一带在速度剖面上提示存在高速侵入岩体特征，其对应的化探信息显示铜、锌、铅等金属组合含量较高，与已知的小岭硫铁矿、钟山铁矿和岳山铅锌矿分布吻合，推测在双扁及以北坐标16000m和25000m铜锌含量较高一带，地下深部对应有高速特征体的上方可能赋存有隐伏矿床.

图7 层析成像速度剖面与化探剖面叠合显示Fig.7 Tomographic velocity structure overlaied with geochemical profiles

L1线在坐标7000m一带存在高速侵入岩体特征，地表化探信息显示很高的Cu、Zn、Pb、Ag异常组合，推测在坐标7000～10000m之间600m深度附近可能赋存有隐伏矿床；在坐标29000～42000m之间有高速侵入岩体特征存在，地质剖面显示岩体和火山口出露地表，化探信息显示很高的Cu、Zn异常，推测在坐标32500m和37000m西牛山附近两个侵入岩体的上方，深度约200～300m处有隐伏矿存在.

图8的速度成像剖面显示，在L2线的横坐标70000m附近和L4线的横坐标56000～60000m一带也存在高速（5000m／s波速以上）特征地层，对应的地质剖面显示属于白垩纪和三叠纪高速石灰岩地层出露，其对应的地球化学元素未显示异常，这也充分证明了深部侵入岩体与隐伏矿床存在的内在联系，另外，也说明了用层析成像速度结构识别岩体要结合地质等其它资料的重要性和必要性.

如何找出这些隐伏矿床？在地球物理方法里面，利用地震方法寻找隐伏岩体是寻找隐伏金属矿的一个重要方面.速度成像剖面的高速特征体可能是深部侵入岩体，侵入岩体存在的部位是下一步寻找深部隐伏矿床有前景的区域.因此，寻找隐伏侵入岩体，结合地表地球化学分析异常，是发现找矿信息，预测深部找矿靶区的一个新思路.

7 结 论

（1）初至波层析反演速度成像可以得到比较精确的地壳浅表速度结构信息，刻画表层地质结构和岩性变化，同时也可以为高精度反射地震研究提供可靠的浅部速度模型和层析静校正量；

（2）层析反演的有效勘探深度除了与地下地质结构有关外，主要与排列长度有关，为了得到从浅到深的精细速度结构，反演应利用全偏移距数据；

（3）本次层析反演结合其它地质资料和前人的地质认识，推断得到庐枞地区沉积岩的波速为1600～3000m／s，火山岩的波速为3000～4800m／s，侵入岩的波速为4800～5800m／s；

（4）重力异常和高磁异常与高速的侵入岩部位存在良好的对应关系.利用层析反演速度结果，结合已知地质资料和重磁测量资料，探测深部隐伏侵入岩体，刻画岩体形态和空间分布范围；

（5）同时结合地表地球化学分析结果，在金属元素高异常区预测隐伏矿床，为深部找矿提供线索.

图8 L2、L4线和L1线综合化探-速度-地质剖面图（局部）1—古近系痘姆组；2—白垩系上统赤山组；3—白垩系下统杨湾组；4—白垩系下统浮山组；5—白垩系下统双庙组中段；6—白垩系下统双庙组下段；7—侏罗系上统砖桥组；8—侏罗系上统龙门院组；9—侏罗系中统罗岭组；10—三叠系；11—泥盆系-二叠系；12—志留系；13—中新元古代；14—砂岩；15—钙质石英砂岩；16—页岩；17—粗面玄武岩；18—粗安岩；19—粗面岩；20—凝灰质粉砂岩；21—灰岩；22—含砾砂岩；23—正长斑岩；24—角度不整合；25—推测断层；26—断层界线；27—火山通道.Fig.8 Line 2，Line 4and Line 1：Geochemical profile－tomographic velocity profile－geological profile（local）

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