某铬铁矿区地震波场正演模拟研究

杨建强， 杨 振， 杨玉波

(1.内蒙古自治区煤田地质局勘测队，呼和浩特 010010；2.国土资源部 海底矿产资源重点实验室，广州 510075；3.广州海洋地质调查局，广州 510760；4.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

0 引言

地震勘探技术探测深度大,且分辨率较高,具有解决勘探金属矿区控矿构造、含矿岩体、隐伏矿床等地质问题的潜力[1]。开展金属矿区地震勘探试验研究具有较高的科学和实际意义。本次地震正演模拟研究的铬铁矿区出露的超基性岩体属火成岩，火成岩的物性特征复杂，导致其地震波场复杂多变。在了解本区地质特征的基础上，建立矿区地质构造、含矿超基性岩体等多种地质模型，并对其进行反射波地震正演模拟，了解金属矿区地震波场的传播特征，可以辅助该区的地震数据采集、处理及解释工作。

1 原理方法

当前有限差分法是地震勘探学中应用最广泛的数值模拟方法之一，它利用相应的时间、空间的差分来近似替换波动方程中地震波场函数的空间导数和时间导数。有限差分法可以准确模拟地下复杂介质的地震波场特征，具有方法简单、对计算机硬件要求低、计算效率高等优点，该方法对于近、远场及复杂边界都有广泛的适用性，能够准确地模拟地震波在各种弹性介质及复杂结构地层中的传播规律[2]。

本次正演模拟基于声波方程模型，来估算实际地质情况中地震能量传播的二维波场效应。它忽略固体介质中的刚度，这种近似对于固体的计算仍然有用，当大部分地震能量传播到不连续介质时，转换波的振幅是很小的，可以忽略不计。声波方程模型仅考虑纵波速度和密度特性，计算速度比弹性波方程模型要快得多[3]。本次正演模拟研究采用Tesseral软件进行计算分析。

2 建模的物性基础

根据已有地质、物探成果可知，矿区南部出露一套巨厚的浅变质板岩带。该地层倾向南，倾角50°左右。矿区北部出露以火成岩为主，岩性复杂多变，有超基性岩体和花岗岩、酸性闪长岩等。矿区北部受多期地质构造活动影响，构造极为发育。矿区的主断裂是超基性岩体北界与第三系之间的逆冲断层，超基性岩体为断层上盘，第三系地层为下盘，近东西走向，倾向南，倾角约为20°～ 50°[4]。

含矿超基性岩体岩性以斜辉辉橄岩、纯橄岩为主。岩体为一向南倾斜的单斜岩体，倾角约为50°，深部倾角变缓。超基性岩体与其上(南)下(北)部围岩由断层分开，界限分明。矿区铬铁矿赋存于超基性岩体内，规模较大的工业矿体以豆荚状、透镜状-似透镜状等形态为主，与顶底板围岩物性差别较大，界限分明。根据矿区岩、矿石物性参数可知，致密块状铬铁矿平均密度4.22 g/cm3，超基性岩体中斜辉橄岩2.94 g/cm3，超基性岩体上部围岩平均密度约为2.53 g/cm3，超基性岩体下部围岩平均密度约为2.68 g/cm3 [5]。结合区内已有速度资料可知，超基性岩体与其上、下部围岩存在较大波阻抗差异，可以产生较强的地震反射波；规模较大的铬铁矿体与其围岩(斜辉辉橄岩等)存在较大波阻抗差异，可以产生较强的地震反射波。故本区地震地质条件具备开展地震勘探的物性条件。

3 正演模拟研究

根据该矿区地质构造、超基性岩体、铬铁矿体等的地质、地球物理特征，结合区内做的过矿二维地震勘探剖面，建立起该区域的地质构造、超基性岩体、矿体的地质模型，然后将地质模型转化为地球物理模型。

在建模过程中进行适当的简化，包括对一些地质构造、岩体、矿体的边界做近似圆滑，去掉无关紧要的小型地质体，重点突出要探测的地质构造及超基性岩体，从而保证既得到反映真实地质体特征的地球物理模型，又可以满足区内地质体的良好数值模拟分析[6]。

在地质模型向地球物理模型转化的过程，遵循由简到繁的原则，先对铬铁矿体进行建模，再深入到含矿超基性岩体，最后拓展到整个过矿地震剖面。铬铁矿体的正演模拟以透镜状铬铁矿体为例，建立了剖面上呈叠瓦状斜列分布的透镜状铬铁矿体，该模型具有较好的地震成像效果。

3.1 超基性岩体地震正演模拟

超基性岩体呈“歹”字型侵位于围岩之内，依据其地质形态特征并进行适当简化，同时为讨论矿体对超基性岩体波场分布的影响，设计了不含矿体的超基性岩体和含有矿体的超基性岩体，如图1所示。

根据矿区岩矿石物性资料和实际二维地震的速度资料给定了模型的速度值，围岩的速度取为2 000 m/s，超基性岩体的速度取为3 000 m/s，矿体的速度取为4 000 m/s。根据实际地震资料选用30 Hz雷克子波。在保证地质构造与实际相符的前提下，为简化计算，正演模拟观测系统做了相应的缩小，参数设为：排列长度1 000 m，采用全排列接收，道距10 m，炮距20 m，采样率0.5 ms，记录长度1 s(对应实际地震参数为：排列长度10 km,记录长度10 s，道距20 m，炮距100 m)。

在超基性岩体模型地震正演模拟的单炮记录中(图2)，超基性岩体的上、下界面均生成了能量较强的反射波，在两组强反射轴的下部均有一定的绕射波等干扰。而在含矿岩体模型图2(b)的单跑记录中，在岩体上下界面的反射波之间有两组能量较强的反射波，这两组反射波是两个矿体的反射信号，矿体的反射波及其边缘的绕射波能量较强，与岩体下边界的反射波形成干涉，破坏了岩体下界面反射波的连续性，对含矿岩体的准确成像造成困难。

超基性岩体正演模拟常规叠加剖面对超基性岩体及岩体内的矿体都有一定的成像效果，但存在归位不准确的问题，且在超基性岩体的周围和内部均有较强的多次波和绕射干扰。

通过偏移处理可实现对岩体的正确归位，从图3可以看出,岩体边缘倾角较陡的部分同相轴能量、连续性等均比倾角较小的部分的差(图中蓝色箭头所示)；在含致密高速矿体的岩体内部及下部岩体边界均出现同相轴错断、变形等现象，说明岩体中含有致密高速地质体时，将在其边缘处产生强烈的绕射作用，致使下部地质体的边界成像产生能量弱、错断等现象，无法正确成像(图中红色箭头所示部位)。在岩体的内部，下部倾角较小的透镜状矿体均达到了较好的成像效果，上部倾角较陡的矿体成像效果较差，在其周围存在较强的绕射干扰。

3.2 地质剖面地震正演模拟

根据过矿地震勘探偏移剖面和收集的地质资料设计了横切矿区的地质剖面的模型，划分了矿区的主要地层、超基性岩体等(图4)。为达到与实际地震剖面进行对比分析和方便正演计算的目的，对模型的观测系统进行相应的简化和缩小，图中剖面长度对应实际接收排列10 km，深度对应实际8 km，炮距和道距做了相应调整保证了其与实际地震剖面具有相同的覆盖次数。模型的速度值同样根据矿区岩矿石物性资料和实际二维地震的速度资料确定。

图1 超基性岩体的地质模型Fig.1 Geological model of ultramafic rock(a)不含矿体；(b)含有矿体

图2 超基性岩体的正演模拟单炮记录Fig.2 Single-shot records of ultramafic rock forward modeling(a)不含矿体；(b)含有矿体

图3 超基性岩体模型正演的叠前偏移剖面Fig.3 Prestack migration sections of ultramafic rock forward modeling(a)不含矿体；(b)含有矿体

该模型偏移剖面对模型的模拟计算较为准确，不仅可以反映出地层、岩体的形态特征，对岩体内部较薄岩片的划分也起到较好效果(图5)。在模型岩体构造复杂、界面倾角大的部位，界面的同相轴能量较弱(图5(a)黑色线圈)；剖面中的矿体在偏移剖面上有较强的同相轴特征，对其下部的岩层产生了较强的屏蔽作用(图5(b)红色线圈)。对比图3和图5可以看出，由于岩体的复杂构造和岩体中致密高速矿体的共同作用下，致使其下部超基性岩体下部岩层分界面以及深部反射界面的同相轴均出现能量减弱、紊乱、错断等现象。

把正演模拟的偏移剖面与实际地震勘探的偏移剖面进行对比，可以发现模拟剖面与实际剖面的波场特征具有较高的相似性，模拟剖面出现同相轴能量减弱和错断的位置与实际剖面中同相轴紊乱、错断的位置相对应(图6中绿色线圈)。结合矿区地质特征可以推断：实际剖面中绿色线圈所示部位出现的同相轴错断，能量减弱现象可能是由于其上部岩体含有高速、致密地质体所引起的。

图5 实际地震勘探线偏移剖面Fig.5 Prestack migration sections of actual seismic section(a)不含矿体；(b)含有矿体

图6 正演模拟剖面与实际地震剖面的对比Fig.6 Comparison of forward modeling section and actual seismic section(a)正演模拟剖面;(b)实际地震剖面

根据本次地震剖面与模拟剖面相似的异常区域和区内地质资料，预测了可能含矿的异常部位(图6黑色线圈)。含矿异常区的推测主要基于以下两点：①矿区地质和钻孔资料显示铬铁矿的主要成矿带位于超基性岩体的斜辉辉橄岩的中，在靠近超基性岩体底界面(图6蓝色箭头所指为其对应同相轴)上部；②实际地震剖面和正演模拟地震剖面对比分析出的异常地质体的位置。实际地震剖面中超基性岩体底界面，在桩号8 800～9 900范围，距离地表深度约400 m～1 200 m，存在同相轴的变弱、紊乱和错断现象，超基性岩体中斜辉辉橄岩相带中沿其底界面分布着异常地质体，推测为铬铁矿赋存矿带。

4 结论

本次正演模拟研究发现，常规CMP叠加剖面绕射干扰明显，产状复杂的含矿岩体成像不准确；经叠前时间偏移可准确计算出复杂构造岩体的实际位置。岩体产状倾角较大的部位生成的同相轴能量较弱。高速致密矿体的屏蔽作用和强绕射波，对其下部岩体反射波造成干扰，破坏其连续性，对含矿岩体的准确成像造成困难；但也可以利用这一现象推测其上部是否存在高速致密地质体。

对比本矿区实际地震剖面和地震正演模拟剖面，分析剖面上各种地质体的反射波场特征，区分含矿岩体与矿体的反射波形态，分析产生金属矿区某些异常波场特征与正演模型的联系，可以提高对实际地震资料中波场特征的认识程度，从而对做出更加合理可靠的地质解释。

地震勘探方法可以对规模较大、构造较简单，与围岩接触界限分明、波阻抗差异明显的金属矿进行有效探测。本次正演模拟对地质模型进行了简化和近似，实际地质情况要比地质模型复杂得多，金属矿区地震勘探的难度是极大的。