内蒙古准苏吉花矿区岩矿石物性与地震波组特征研究

徐明才，柴铭涛，高景华

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000)



内蒙古准苏吉花矿区岩矿石物性与地震波组特征研究

徐明才，柴铭涛，高景华

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000)

在金属矿地震勘探中，岩矿石弹性参数尤为重要。为更好地开展金属矿地震方法技术试验研究，本文对内蒙古准苏吉花矿区的钻孔岩心标本进行了密度和速度测试，在此基础上，开展了金属矿地震方法试验。根据获得的试验区岩矿石弹性参数测试结果，讨论了不同岩矿石的反射系数和速度与密度之间的关系。研究结果表明：花岗闪长岩(岩体)与变质粉砂岩(围岩)之间的反射系数较弱，不足以产生能够识别的反射信号。在花岗闪长岩(岩体)内部，闪长岩(脉)、矿化花岗闪长岩、铜钼矿体与花岗闪长岩之间具有较强的反射系数，能够产生可识别的反射波。铜钼矿化花岗闪长岩的密度较高，速度较低，表明在金属矿区，矿石的速度并不一定随密度的增加而增加。利用所获得岩矿石弹性参数和地质资料，对获得的试验地震剖面进行了解释，根据L2试验剖面上的地震波组特征，认为在该剖面以外NE一侧，有可能寻找到深部隐伏金属矿。

岩矿石 密度 速度 反射系数 隐伏金属矿 准苏吉花矿区 内蒙古

Xu Ming-cai, Chai Ming-tao, Gao Jing-hua. Characteristics of seismic waves and physical properties of rocks and minerals in the Zhunsujihua mine of Inner Mongolia[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(6):1168-1174.

0 前言

近年来，国内外金属矿地震虽开展了不少研究和勘查工作，并取得了一些试验勘查成果(徐明才等，2009,2004；Milkereitetal.,2000；Whiteetal.,2000;Pretoriusetal.,2000；梁光河等，2001；Eatonetal.,2003；吕庆田等，2010；阎頔等，2011)，在有关岩矿石弹性参数的测试方面，国外在一些金属矿区开展了相应的测试研究工作(Salisburyetal.,2000，籍同冰等，1995)，而国内在这方面开展的研究还很不够(孙明等， 2003),妨碍了金属矿地震勘查技术的深入应用。为了更好地开展金属矿地震方法试验，正确部署地震勘查工作和解释金属矿地震的勘探结果,必须系统地测量和研究测区的岩(矿)石的弹性性质。为此，我们在内蒙古准苏吉花矿区开展了岩矿石物性测试和地震方法的试验研究，并取得了一些与有关金属矿岩矿石弹性参数和地震属性等方面的一些认识。

1 试验区地质概况

研究区地处二连浩特-苏尼特左旗以北的达来庙-乌日尼图地区，构造位置属西伯利亚板块东南大陆边缘早古生代陆缘增生带，达来庙向斜的南翼(冯晓曦等，2013)。研究区褶皱构造形迹不显见，以北东向断裂构造为主体，北西向断裂为次一级构造。由于岩浆的侵入，接触带比较发育(图1)。

区内出露的地层简单，自下而上有奥陶系中统(O2b)、石炭系上统(C3h)和侏罗系上统(J3b)及第四系地层(Q)。

石炭系上统红敖包组碎屑岩段(C3h)是区内出露较为广泛的地层，上部岩性以变质粉砂岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质长石砂岩、安山玢岩为主，夹砾岩、板岩、凝灰岩。下部地层主要岩性为变质粉砂岩，颜色呈灰黑色，矿物成分有石英、长石，绿泥石，为变余砂状结构，块状构造。由于受岩浆侵入的影响，局部岩石发生角岩化，矽卡岩化现象明显。第四系更新统砾石层(Q)大面积分布在工作区北部一带，地表沉积物由洪积的粗砂和砾石组成。

图1 试验区地质构造图Fig.1 Map showing geology and structures in the survey area1-奥陶系中统巴彦呼舒组;2-石炭系上统红敖包组;3-侏罗系上统布拉根哈达组;4-第四系更新统;5-第四系全新统;6-燕山早期侵入岩：花岗岩;7-华力西晚期侵入岩：花岗闪长岩;8-花岗斑岩脉;9-石英斑岩脉;10-石英脉;11- 地质界线;12-断层;13-张性断裂;14-剖面位置;15-矿区1-Mid-Ordovician Bayanhushu Formation；2-Upper Carboniferous Hongaobao Formation;3-Upper Jurassic Bulagen-hada Formation;4-Quaternary Pleistocene；5-Quaternary Holocene;6-Early Yanshanian granites；7-Late Variscan granodiorite;8-granite porphyry dike;9-quartz porphyry dike;10-quartz dike；11-geological boundary；12-fault;13-tensional fault;14- profile location；15-mining area

区内岩浆岩分布广泛，出露的岩浆岩有二叠纪花岗闪长岩(Pγδ)和侏罗纪黑云母花岗岩(Jγβ)。侵入的岩脉有闪长岩脉(δ)和石英脉(q)。岩脉总体呈北东东向分布，其中石英脉与矿化关系极为密切(席明杰等,2013)。

二叠纪花岗闪长岩体是本区的含矿岩体。岩体中石英脉十分发育，多具钼矿化现象，通常钼矿化石英脉就是矿体。

矿体赋存于近北西向张性断裂内，并切穿闪长脉岩，成矿较晚。矿体围岩以花岗闪长岩为主，局部见变质粉砂岩。

2 岩矿石速度密度测试

由于测区地表大多为第四系覆盖，出露的岩石风化严重，因此，试验区岩矿石标本全部来自钻孔岩心。标本采集完成后，在实验室对采集到的岩心进行加工，以满足测量仪器对岩心几何尺寸的要求。

2.1 密度测试

密度测试设备包括：JJ1000型电子天平，游标卡尺等。岩石密度测试采用体积密度法，其计算公式为：

式中：ρ0为试件的天然密度，g/cm3；M0为试件的天然的质量，g；V为试件体积，cm3。

通过对采集到的岩矿石岩心进行密度测试，并进行统计，得到不同岩矿石平均密度如表1所示。

表1 测区岩矿石密度表Table 1 List of density of rocks and ores in the survey area

根据密度测试结果分析，铜钼矿化花岗闪长岩的密度最高，花岗闪长岩的密度最低(表1)。作为岩体围岩的变质粉砂岩，其密度略高于花岗闪长岩；在花岗闪长岩岩体内部，闪长岩和矿化花岗闪长岩的密度高于花岗闪长岩；对于不同的矿化花岗闪长岩，铜钼矿化花岗闪长岩的密度最高。

2.2 速度测试

速度测试采用Autolab-2000 岩石物性测试系统。利用该系统不但可以测量纵横波速度，还可测量应变、静态弹性模量和动态弹性模量。

根据实验室测得的不同压力条件下的声波走时曲线，拾取 P 波、S 波的初至，然后根据波速的到时和样品的长度，计算不同压力条件下声波通过样品的P、S波速度。

式中：V-为通过样品的 P 波(S 波)速度，m/s；

H-为试样的长度，mm；t到时-P 波或 S 波通过样品所用的时间，ms。

由于岩矿石的P、S波速度不但与岩矿石的物质成分、内部结构等因素有关，还与地层的温度和压力有关。图2表示了闪长岩岩心在不同压力条件下P波、S1和S2波的测试结果曲线，由该曲线看出，当压力从0.6MPa增加到170MPa时，声波的走时随着压力的增加，P波、S1和S2波的到时减小，即P波、S1和S2波的速度随着压力的增加而增加；压力继续增加到179.9MPa时，弹性波的走时与170MPa压力时测得的走时相同，表明P波、S1和S2波的速度随着压力的增加，速度不再增加。当压力从179.9MPa减小到0.3MPa时，声波的走时随着压力的减小，P波、S1和S2波的到时增加，即P波、S1和S2波的速度随着压力的减小而降低。表2表示了根据图2测试结果计算出的P波、S1和S2波的速度、泊松比和杨氏模量。对于其他岩性的岩矿石，也分别进行了不同压力条件下P波、S1和S2波的速度测试。

图2 闪长岩在不同压力条件下P波、S1和S2波的测试结果曲线Fig.2 Test curves of P,S1 and S2 waves in diorite under different pressure conditions

作为岩体围岩的变质粉砂岩的纵横波速度略高于花岗闪长岩岩体；在花岗闪长岩岩体内部，闪长岩(脉)的纵横波速度高于花岗闪长岩，对于不同的矿化花岗闪长岩，铜钼矿化花岗闪长岩的纵横波速度最低(表2)。

弹性波的动力学参数反映了岩矿石的物理力学性质,矿化花岗闪长岩的泊松比相对较高，而变质粉砂岩和花岗闪长岩及闪长岩的泊松比相对较低。对于杨氏模量来说，变质粉砂岩和闪长岩的杨氏模量相对较高，花岗闪长岩和不同类别的矿化花岗闪长岩的杨氏模量相对较低。

2.3 岩矿石的密度与速度之间的关系

通常情况下，岩石的速度随着密度的增加而增加。但在本试验研究区，岩矿石的速度与密度之间不具有这么一种简单的对应关系。由表1、2看出，铜钼矿化花岗闪长岩的纵横波速度最低，但密度最高，该测试结果表明铜钼矿化花岗闪长岩的纵横波速度并不随着密度的增加而增加。

3 岩矿石的波阻抗及反射系数

Salisburyetal.(2000)对来自加拿大Sudbury等6个矿区多种常见的典型硅酸盐围岩和块状硫化物矿石以及介于二者之间的中间矿物岩石，在实验室使用脉冲转换技术对其速度和密度进行了测量，认为0.06的反射系数足以引起强反射波。从表3所示的纵波反射系数能够看出：铜钼矿化花岗闪长岩与表中所列其它岩石之间的界面反射系数均大于0.06。因此，铜钼矿化花岗闪长岩岩体(脉)能够产生一定强度的反射波，除此之外，花岗闪长岩与闪长岩(脉)之间的反射系数为0.06316，也具有产生一定强度反射信号的前提。但花岗闪长岩岩体与变质粉砂岩围岩之间的反射系数只有0.04504，由此推断花岗闪长岩岩体与变质粉砂岩围岩之间产生的反射信号较弱，这种弱反射信号的幅度往往低于背景噪声，难以被提取出来。

分析表3、4可以看出，就不同岩矿石之间的纵、横波反射系数强弱来说，两者有相同的地方，也有不同的地方。如花岗闪长岩与闪长岩、铜钼矿化花岗闪长岩之间的纵横波反射系数均较大，铜钼矿化花岗闪长岩与(蚀变)矿化花岗闪长岩之间的纵横波反射系数也较大，但铜钼矿化花岗闪长岩与闪长岩、变质粉砂岩之间的纵波反射系数较大，横波反射系数则较小；(蚀变)矿化花岗闪长岩与闪长岩(脉)、变质粉砂岩之间的横波反射系数较大，纵波反射系数则较小。由此得出，在同一金属矿地区，在纵波地震勘探中得不到的某岩矿石界面的反射信号，在横波地震勘探中有可能获得，反之，也一样。因此，纵横波联合地震勘探或三分量地震勘探可使获得的地震信息更加丰富。

表2 测区岩矿石纵横波速度和动力学参数表Table 2 Velocity and dynamic parameters of rocks and ores in the survey area

表3 纵波反射系数表Table 3 Reflection Coefficients of P-waves

表4 横波反射系数表Table 4 Reflection Coefficients of S-waves

图3 L2线地震剖面Fig.3 Seismic section along line L2

以上讨论了垂直入射条件下纵波、横波反射系数，实际上，当地震波以不同的入射角入射到地下波阻抗界面上时，反射系数会随着入射波入射角的变化而发生相应的变化，通过解Zoepporize方程可以了解这种变化。但垂直入射条件下纵波、横波反射系数的强弱对认识试验区地震地质条件及其地震剖面上反射波组的意义也具有十分重要的意义。

在内蒙古准苏吉花矿区地质剖面上，花岗闪长岩岩体与变质粉砂岩围岩之间的纵、横波的反射系数均较小，产生的反射信号强度有可能低于背景噪声。在花岗闪长岩岩体内部，还分布有与裂隙和破碎带有关的闪长岩(脉)、矿化花岗闪长岩、辉钼矿化花岗闪长岩等矿(化)体，这些闪长岩(脉)和铜钼矿化花岗闪长岩及铜钼矿体与花岗闪长岩之间的反射系数较大，利用地震方法能够确定闪长岩(脉)和铜钼矿化花岗闪长岩及铜钼矿体的存在。

4 反射地震试验剖面

图3表示了在该区沿8勘探线使用炸药震源激发，Sercel 428XL有限遥测地震采集系统采集得到的地震剖面。在该地震剖面上，除剖面NE一侧1.0～1.5s之间的一组倾斜反射波以外，其余反射波组均呈水平产状分布。根据该地震剖面上反射波组的特征，解释了一组张性断层，其中：浅部两条断层倾向NE，向下错断到一条断距较大的倾向SW的深部断层，倾向NE的两条断层分别在约3km和5km处与倾向SW的张性正断层相交。

在该地震剖面上浅部方框内，还分布有一些振幅较弱、但相干性较好的倾斜反射波，如图4(a)所示。与图4(b)所示地质剖面对比后发现，该倾斜反射波为倾斜矿体或石英岩脉产生的反射波或复合反射波，受分辨率限制，难以根据地震剖面上的倾斜反射波阻解释单一矿体或石英岩脉的厚度，也难以确定哪一组反射波是矿体产生的，哪一组反射波是石英岩脉产生的。根据图4(a)所示地震剖面上倾斜矿体或石英岩脉产生倾斜反射波的分布特征，能够推测在L2地质剖面以外NE一侧，还能够寻找到深部隐伏金属矿体。

对比地震剖面与地质剖面后看出：花岗闪长岩岩体与变质粉砂岩围岩之间的波阻抗差异较小，在地震剖面上没有形成可识别的反射波。在花岗闪长岩岩体内部，由闪长岩(脉)、钼矿化花岗闪长岩及铜钼矿体与花岗闪长岩之间的反射系数较大，形成的反射波尽管较弱，但基本可连续追踪。在变质粉砂岩内部，岩性相对均匀，难以形成比较明显的反射波。

图4 图3方框内地震剖面(a)和对应的地质剖面(b)Fig.4 Seismic section(a) in box of Fig.3 and corresponding geological section(b)

5 结论

(1) 在金属矿区，地质界面与波阻抗界面不一定具有一一对应的关系。地质剖面中的花岗闪长岩(岩体)与变质粉砂岩(围岩)是一个明显的地质界面，但却不是一个明显的波阻抗界面。对于破碎带来说，由于破碎带的密度和速度相对较低，具有一定厚度的破碎带也能够产生比较明显的反射波。

(2) 通常情况下，岩石的速度随着密度的增加而增加，但对于铜钼矿化花岗闪长岩(或矿体)来说，岩矿石的速度并不随着密度的增加而增加。

(3) 在垂直入射条件下，对不同的地质界面来说，纵、横波反射系数强弱既有相同处，也有不同处。在金属矿地震勘探中，利用纵横波联合勘探和三分量地震勘探可获得更多的信息。

(4) 根据地震剖面上的反射波组特征，推断在L2地质剖面以外NE一侧，有可能发现新的铜钼矿体。

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Characteristics of Seismic Waves and Physical Properties of Rocks and Minerals in the Zhunsujihua Mine of Inner Mongolia

XU Ming-cai，CHAI Ming-tao，GAO Jing-hua

(InstituteofGeophysicalandGeochemicalExplorationCAGS,Langfang,Hebei065000 )

In seismic prospecting for metal ores, elastic parameters of rocks and minerals are particularly important. This work measured the density and velocity of drill core samples from the Zhunsujihua copper-molybdenum mine in Inner Mongolia, and carried out experiments on the seismic methods on the basis of these parameters. Based on the elastic parameters of rocks and minerals in the survey area, the reflection coefficients of rocks and minerals and the relationship between velocity and density were analyzed. The results indicate that reflection coefficient between the granodiorite and metamorphic siltstone is weak, not enough to generate identified reflected signal. The reflection coefficients among diorite (vein), mineralized granodiorite, copper-molybdenum ore bodies and granodiorite are strong enough to produce recognizable reflected signal in granodiorite. The density of copper-molybdenum mineralized granodiorite is high, but its velocity is low. This indicates that ore velocity does not necessarily increases with the increasing density in the mining area. The experimental seismic sections were explained using the geological data and the obtained elastic parameters of rocks and minerals. It can be inferred that the deep hidden metal ores can be searched on the NE side of outside the L2section based on the characteristics of reflections on the L2seismic profile.

rocks and minerals, density, velocity, reflection coefficient, hidden metal ore

2013-05-13；

2015-06-12；[责任编辑]郝情情。

国土资源部公益性行业科研专项项目(编号：201111018)资助。

徐明才(1955年-)，男，1991年毕业于中国地质大学(北京)，获硕士学位，教授级高级工程师，主要从事复杂条件下地震方法技术研究和开发工作。E-mail:xumingcai@igge.cn。

P618.51

A

0495-5331(2015)06-1168-7