微动勘探方法在鸡冠咀矿区外围深部找矿中的应用效果研究

徐富文， 刘 博， 蔡恒安， 魏克涛， 刘冬勤， 罗银河

(1.湖北省地质局 第一地质大队，湖北 大冶 435000; 2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

随着找矿的焦点正逐步转向深部，老矿山边深部找矿已成为当前找矿突破的重要方向。鸡冠咀铜金矿床为鄂东南地区20世纪80年代中期发现的全隐伏大型矽卡岩型铜金矿床，其已知矿体主要赋存于大理岩与石英二长闪长玢岩接触带及附近大理岩层间破碎带中，呈多台阶分布。近年的勘查工作发现鸡冠咀矿区的火山岩盆地边缘(即铜绿山岩体北西缘一带)有较好的成矿地质条件和找矿潜力(如发现鸡冠咀铜金矿床Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号矿体，桃花嘴铜铁矿床Ⅴ号矿体，许家咀铜铁矿床)，可能为深部找矿的有利区，有望实现深部找矿的重大突破[1-2]。

区内以往开展的地面物探方法主要有大比例尺重磁法、直流激电测深法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)等[3-4]，以上方法在中浅部(1 km以浅)找矿中具有较好效果，但随着找矿深度的进一步加大，上述方法受制于探测深度有限已无法满足深部找矿的要求。此外，矿集区附近复杂的人文活动，特别是高压输电线、变电站、矿山大功率机械设备等造成的电磁噪声及工业游散电流带来大量干扰，使得常规的大深度探测方法如音频大地电磁测深(AMT)、大地电磁测深(MT)等天然源电磁法的应用受到较大影响。近期开展的AMT、MT试验结果显示卡尼亚视电阻率受近场干扰严重，1 000 Hz以下曲线呈现45°上扬，经时间系列分析发现电道干扰严重，远参考等处理方法亦无法消除，难以获取有效的原始数据[4]。

近年来微动(被动源面波)勘探方法由于其利用背景噪声作为信号源，具有抗干扰能力强、探测深度大、受施工场地限制小、成本低廉等优点，在地质勘查领域得到了广泛应用[5-6]。微动勘探方法的历史比较久，早在1957年，日本地球物理学家Aki[7]首次利用空间自相关法(SPAC)从微动信号中提取出面波，拟合求出面波频散曲线进行地层结构估测。1970年，Capon[8]采用频率—波数法(F-K法)也实现了这一过程。依据Aki[7]的思想，进行微动观测时需要在圆环上设置多个观测点。1983年，Okada et al.[9]论证了等边三角形足以构成一个圆排列，从而解除了之前布阵时的约束。后来Ling et al.[10]和Okada[11]提出了扩展的空间自相关法(ESPAC),使得微动观测台阵形状不再局限于圆形，可以是任意不规则的形状，从而使微动勘探方法的实用性得到提升。国内方面，1986年原地质矿产部物化探局最早从日本引进了微动观测技术和处理解释方法，使中国开始进入该方法的理论研究与应用阶段[12-13]。

自20世纪90年代以来，微动勘探方法在第四系覆盖层厚度探查、城市地下空间探测、地质灾害调查、深部地热勘查、隐伏断裂构造探测、盆地结构调查等方面得到广泛应用，取得了良好的效果[14-23]。微动勘探方法在深部找矿方面的应用案例较少，黄海清[24]在福建紫金山悦洋矿区开展了微动勘探方法效果研究，认为该方法在层状或似层状矿床的分层、含矿岩体或岩层的追索方面是有效的，但未就该方法在复杂围岩条件下的探测效果进行评价，而且其勘探深度较浅(<600 m)。

针对鸡冠咀矿区外围复杂的人文干扰和传统物探方法在勘探深度上面临的限制，本文尝试将微动勘探方法应用于该矿区火山岩盆地边缘的深部找矿，采用圆环半径分别为75、150、300、600 m的四重嵌套三角形观测台阵，探究目标区2 000 m以浅的视横波速度结构，通过与已知勘探线剖面进行对比，评价微动勘探方法在复杂人文干扰情况下对深部成矿地质体的探测效果；并推断火山岩盆地的边界形态及深部大理岩、岩体范围，结合已知矿体赋存规律来圈定深部成矿有利部位。

1 地质背景及地球物理特征

鸡冠咀铜金矿床位于湖北省大冶市城西约4 km，处在铜绿山矿田的西缘。区内施工条件复杂，周边矿山众多，水田覆盖严重，高压线与高压变电站密布，矿山大功率机械开采设备机器24 h运转，高速公路、信号塔等人文干扰严重。

1.1 地质背景

矿区东部地层被燕山期中酸性岩浆岩吞蚀，仅残留少量三叠系地层。矿区西部为火山岩盆地，被白垩系—古近系、第四系地层所覆盖(图1)。

图1 研究区基岩地质图

1.1.1地层

矿区地层主要有下—中三叠统嘉陵江组(T1-2j)，中三叠统蒲圻组(T2p)，下白垩统马架山组(K1m)、灵乡组(K1l)与上白垩—古新统公安寨组(K2E1g)。

嘉陵江组主要分布于矿区深部，埋藏标高为+10～-1 548 m，在剖面上呈“S”形变化，形成上、下两个叠瓦式的平卧褶曲，为区内主要的赋矿层位。蒲圻组主要分布于矿区西北部-410 m标高以下，在猫儿铺以西零星出露，一段为粉砂岩夹紫红色泥岩，紫红色泥岩内普遍含铁质结核；二段为泥岩、黏土岩夹灰绿色泥质粉砂岩，含较多的钙质结核，为矿液的主要隔挡层及零星小矿体的赋矿层位。马架山组主要分布于猫儿眼—鸡冠山—桃花嘴一线北西部，总体倾向NW，倾角低缓，岩性以火山沉积角砾岩为主，次为杂砂岩、碎屑凝灰岩、凝灰质粉砂岩、粉砂质黏土岩等。灵乡组分布于矿区北西侧，其岩性为安玄岩、紫红色细砂岩、粉砂岩、粉砂质黏土岩等，以陆源碎屑沉积为主。公安寨组岩性为粗砂岩、砾岩偶夹页岩、玄武岩。其中马架山组、灵乡组及公安寨组组成了火山岩盆地的建造组合。

上述地层中，与区内铜金矿成矿关系最密切的地层为嘉陵江组三段第一、三岩组的灰白色大理岩、白云质大理岩和四段的含泥质条带白云质大理岩。

1.1.2构造

鸡冠咀矿床位于火山岩盆地边缘，断裂构造十分发育，大的断裂构造有桃花嘴—鸡冠咀破碎带(F16，原鸡冠山破碎带)、柯秀黄畈—桃花嘴断裂(F10)、牯羊山—猫儿铺断裂(F9)、鸡冠咀矿区深部的逆冲断层F4。

F9位于矿区西缘，为主控矿断裂，走向NNE，长3 000余米，断面倾向W，倾角75°，被F16断裂所切割。该断裂长期活动，成矿前与接触带复合，控制铜绿山岩体的西部边界。

F10为隐伏断裂，长约2 400 m，断裂倾向W，倾角70°～80°，具逆断层性质。该断裂具多期活动特点，桃花嘴铜铁矿床、大青山铁矿床均受其控制；成矿后又有活动，如形成大青山地表硅化、磁赤铁矿角砾及大理岩中的粗糜棱岩化等。

F16位于鸡冠山一带，呈NE向延伸，地表以破碎带形式出现，破碎带宽约10～20 m，最宽达40 m。其断面较陡，倾角60°～90°，在鸡冠山以南向SE倾斜，在鸡冠山以北则转为倾向NW。该断裂切穿了岩体、矿体及下白垩统地层，属破矿构造。

1.1.3岩浆岩

区内分布的岩浆岩主要为铜绿山岩体，其属于阳新复式侵入体西北部分，按侵入时代有燕山早期第三次侵入的石英正长闪长玢岩、石英闪长岩(二者为相变关系)和燕山晚期侵入的闪长岩、安山玢岩。根据工程揭露，在碎屑岩与侵入岩之间有隐伏大理岩分布，鸡冠咀矿床的矿体主要位于侵入岩向碎屑岩过渡的部位。

1.2 地球物理特征

根据岩心声波测试及钻孔波速测井成果(表1)，研究区地层波速特征大致遵循以下规律：岩体波速最高，嘉陵江组大理岩次之，蒲圻组泥岩、泥质粉砂岩最低(其中蒲圻组一段波速明显高于二段)，马架山组角砾岩、含砾砂岩波速具有一定差异，但整体而言其高于蒲圻组砂岩。

表1 钻孔岩心声波测试结果

2 方法原理

地球表面时刻都存在一种天然的微弱振动，通常被称为微动，在天然地震学中被称为背景噪声，其主要由体波和面波组成，面波的能量占信号总能量的70%以上[11]。微动的震源复杂多样，属于多种震源经地下介质吸收、衰减、散射而被地震仪器记录到的一种信号。根据微动信号的频率范围，将其分为两类：频率>1 Hz的高频信号和频率<1 Hz的长周期信号，前者主要源于人类活动，诸如交通工具、工厂机器运转等，在传播过程中衰减得较快，所以主要源于近距离的振动源；后者主要源于自然因素，诸如风、河水流动、海洋波浪等，由于其在传播过程中衰减得较慢，因此长周期记录中可能含有更大范围的介质信息[5]。

微动勘探是指利用台阵观测环境噪声中的微弱振动信号，通过提取环境噪声中的面波频散信息，反演获取地下介质横波速度结构的一种被动源地震勘探方法，也被称为被动源面波勘探。不同频率的面波具有不同的穿透深度，频率越低的面波携带着更深部的地质信息。为了更有利于低频面波信号的观测及提取，主要通过增加观测台阵尺寸、加大观测时长、降低检波器频率来实现。因此，微动勘探可以通过控制观测台阵尺寸的大小、采集时间的长度、检波器频率的高低来改变探测深度。与传统的地震、电磁类物探方法相比，微动勘探方法的优势在于其利用天然场源背景噪声，无需人工震源，且仪器设备轻便，野外施工便捷，特别适用于人口密集、交通繁忙、振动和电磁干扰严重的城市及矿集区探测。

目前从微动信号中提取面波频散曲线的方法主要有空间自相关法(SPAC)、扩展的空间自相关法(ESPAC)、频率—波数法(F-K)、无中心圆台阵法(CCA)、地震波干涉法(SI)、频率—贝塞尔函数法(F-J)等。SPAC法是Aki[7]基于平稳随机场理论提出的，他指出当处于时空稳态时，圆心点记录的微动信号与圆周上其他点记录的微动信号归一的空间自相关方位平均(即空间自相关系数)与第一类零阶贝塞尔函数对应，在频率域中可表示为：

(1)

式中：ρ(r,f)为方位平均后的空间自相关系数；r为圆形台阵的半径；f为入射信号的频率；J0为第一类零阶贝塞尔函数；v(f)为瑞利波相速度；S0,r(r,θ,f)为圆心点微动信号与圆周上其他记录点微动信号的互功率谱；S0(0,f)和Sr(r,f)分别表示圆心点与圆周上其他记录点的自功率谱；θ为微动信号入射台阵的方位角；Re表示取实部，当微动信号为随机各向均匀分布时，空间自相关系数的虚部为零。

式(1)适用于基阶面波能量为主，利用垂向记录分量进行空间自相关提取瑞利面波频散的情形。值得注意的是，式(1)中入射方位角的积分dθ对应物理意义上的方向平均，在传统的圆形台阵中是通过在圆周上等角度均匀分布的多个记录点来实现的，且圆周上检波器道数越多，式(1)越精确，空间自相关系数的虚部越接近于零。当微动信号源(噪声源)方向不确定或只有单向波场而不满足各向均匀分布时，圆形台阵可具有较好的可靠性。

传统的SPAC法要求台站规则布设，需要一个台站在圆心，其他台站均匀分布于圆周上，这样的要求极大地限制了SPAC法的应用，尤其是在城市地区，房屋建筑更加限制了台站的布设。Okada[11]在2003年提出了ESPAC法，把所有台间距相等的台站对的互相关函数进行方向平均，将空间自相关系数写成与不同台间距有关的函数，然后通过对每一频点进行速度扫描，找出拟合最佳的相速度，从而获取频散曲线。ESPAC法允许微动勘探采用不规则形状台阵进行观测采集，极大地拓宽了微动勘探方法的使用范围。

3 数据采集与处理

3.1 观测台阵与采集参数

区内微动信号源主方向与均匀性具有不确定性，为保证探测精度，本次微动勘探的数据采集采用四重圆形台阵，其半径分别为75、150、300、600 m。如图2所示，每个圆环上布设3台检波器，每个测点的台阵由13台宽频带数字地震仪组成。本次微动观测的采样间隔为10 ms(采样率100 Hz)；根据2 000 m探测深度的要求，单点单次观测时间≥4 h;每天观测结束后对数据进行检查，不合格的数据需在第二天重测。

图2 台阵布设示意图

本次共布设了3条测线、16个测点。所用仪器设备为中地装(重庆)地质仪器有限公司生产的EPS-2型宽频带数字地震仪，内部采用自然频率为4.5 Hz的CDJ-Z/PD4.5B型检波器，通过电子反馈电路板拓展管理地震传感器的频带，使其达到0.1～150 Hz。

3.2 数据采集与质量控制

在数据采集正式开始前对所有的宽频带数字地震仪进行一致性测试，以确保观测数据的有效性。各台仪器的时间域波形记录、功率谱曲线测试结果如图3所示。

a.时间域波形记录；b.功率谱曲线

本次布设台阵的流程为：①在遥感卫星地图上按照台阵尺寸设计好每个测点的中心点及四个同心圆上的12个检波点点位，设计点位时尽量避免水田、建筑、工厂等；②野外布设台阵时根据实际情况进行适当偏移，开挖仪器安置坑，对软土及渗水点位进行硬化处理；③所有台站布设结束后使用RTK测量仪测量所有台站的实际点位坐标。

由于工区范围内有大面积水田覆盖，较多台站点位分布在软土上且极易渗水，为保证台站与地面耦合良好，在软土及渗水点位主要采取以下措施：

(1) 先在布设点开挖一个直径约40 cm的坑，在坑内夯入3～4根长度40 cm左右的木桩(图4-a)，以硬化检波点下方软土。

(2) 向坑内倒入水泥并敷平(图4-b)，待水泥硬化。

(3) 将检波器安置在水泥硬化面上(图4-c)，仪器统一指北并调节水平，然后覆土掩埋。

a.开挖土坑并夯入木桩；b.使用水泥作硬化处理；c.安装检波器

3.3 数据处理

本次微动勘探数据处理采用笔者自主开发的微动勘探数据处理系统，该系统集成了ESPAC频散曲线提取、视横波速度反演、仪器一致性分析、微动信号源入射方位分析等功能模块，且以上功能均可实现自动化批量处理，能较好地满足日常微动勘探的生产及研究需求。

3.3.1数据预处理

从野外回收仪器后导出当天数据，按照台阵点位对应的仪器编号将同一测点的1～13道数据排序，放置在以测点号命名的文件夹内。将原始数据转成通用的SAC格式文件，检查每个测点的各道数据的位置信息、采样率、采集时间长度是否正确，确定无误后方可进行数据预处理。对每个台站的数据进行预处理，包括去趋势、去均值和预滤波三个步骤，预处理的目的是尽量突出有效噪声信号，减弱仪器响应或其他一些因素对有效信号的影响。后期数据处理结果表明，所采集的野外数据信号集中在0.5～6 Hz之间，所以在预滤波时选取了0.2～8 Hz之间的频带范围。

3.3.2求取ESPAC系数

(1) 将每个台站采集的噪声数据用重叠75%的Hanning窗截断成等时长的数据片段，Hanning窗长度为1 024个采样点，即10.24 s。

(3) 分别对所有片段的自相关谱和互相关谱求取时间平均。

(4) 用相应两个台站的自相关谱对互相关谱进行归一化处理。

(5) 对所有台间距相同的台站对的互功率谱进行方位平均，取实部得到不同台间距的空间自相关系数。

3.3.3将空间自相关系数与第一类零阶贝塞尔函数进行拟合

通过速度扫描将同一频率下所有不同台间距的空间自相关系数与第一类零阶贝塞尔函数进行拟合，找到该频点下拟合差MF(f0)最小时所对应的速度，认为该速度是当前频率下的最佳相速度。

(2)

式中：n为台间距的个数；ρ(ri,f0)为第i个台间距的空间自相关系数。本次速度扫描范围为100～8 000 m/s，扫描步长为10 m/s。

3.3.4提取频散曲线

对所有的频点进行速度扫描得到各频点的最佳相速度，即得到频散曲线。本次频率范围为0.2～5 Hz，频率步长为0.097 656 25 Hz。

3.3.5频散曲线反演

利用实测瑞利波相速度频散曲线反演得到台阵中心点下方介质的一维横波速度结构，目前只能将地下介质近似视为水平层状介质，根据水平层状介质模型来计算理论频散曲线。频散曲线反演的方法有多种，传统的有最小二乘法和对其改进后的马奎特算法，但通常要求给定一个精度较高的初始模型。近年来发展起来的遗传算法对初始模型的精度要求不高，而且全为正演计算，目前已成为频散曲线反演的重要方法。

对于二维剖面探测而言，往往更需要了解剖面上岩性的相对变化而无需反演横波速度的绝对值,所以在获得单点实测瑞利波相速度频散曲线后，可直接将相速度vr转换成二维视横波速度vx随深度D变化的vx-D曲线，再对各测点的vx-D曲线进行横向插值、光滑计算，最终获得二维视横波速度剖面(vx剖面)[15-17,20]。本次微动勘探的二维视横波速度剖面采用以下公式计算:

(3)

式中:ti为面波的周期。

因为避免了反演过程中设置初始模型、反演结果选取等人为因素影响，微动勘探剖面能更客观、有效地反映地层岩性变化，是地质解释的主要依据。

4 成果解译

4.1 15线成果解译

受矿权范围限制，15线剖面长600 m，共计4个测点(点号1 250—1 850)。1 850号点位于盆地边缘，在其南东部有以往实施的15号勘探线剖面。如图5所示，左侧为ZK1505孔波速测井曲线，右侧为15线微动勘探成果综合推断图。

图5 15线微动勘探成果综合推断图

浅部1 250号点-500 m标高—1 850号点-420 m标高以浅为中低速区域，视横波速度在2 000～3 600 m/s，推断为盆地内马架山组地层的反映，局部高速区域可能反映了原岩密度较大且胶结致密的角砾岩。中部-500～-1 200 m标高范围的整体视横波速度较低，为2 000～3 600 m/s，推断为蒲圻组黏土质粉砂岩的反映，蒲圻组一段波速高于蒲圻组二段。值得注意的是，在1 650—1 850号点-700～-1 200 m标高范围存在一高速区域，视横波速度在3 800～5 000 m/s，与广域电磁法剖面在该区域圈定的高阻异常相对应，因此该区域呈现高速、高阻、高磁、低密度特征。以往的15号勘探线剖面在1 850号点南东侧-500 m标高以深揭露出岩体，因此综合推断该高速区域为南东侧的铜绿山岩体侵入至蒲圻组地层的反映，据此推断此处为成矿有利部位，但受本次探矿权范围限制未能对此区域进行钻探验证。-1 200 m标高以深，视横波速度>4 000 m/s的高速区域推断为嘉陵江组大理岩。

1 250 号点-1 200 m标高以深视横波速度变低且等值线呈陡立分布，推断其为F9断裂往深部延伸至此的反映，广域电磁法剖面的电阻率等值线在该区域也呈类似的陡立电阻率梯度分布特征。而1 850号点-700 m标高—1 650号点-1 200 m标高也存在一视横波速度梯度带，推断其同样为F9断裂往深部的延伸。另外，1 450号点-1 200 m标高—1 850号点-1 400 m标高可能存在一SE向缓倾的隐伏断裂F4，该断裂上部为岩体，下部为嘉陵江组大理岩。

在剖面1 475号点附近实施了ZK1505孔，孔深1 495 m。图5左侧为该孔的波速测井结果，可以看出波速测井结果与微动勘探视横波速度剖面十分吻合，两者波速整体均呈现高、低、高、低、高的关系，分别对应马架山组角砾岩、蒲圻组二段、蒲圻组一段、断层角砾岩、嘉陵江组大理岩。

4.2 23线成果解译

23线剖面与15线剖面平行，两线相距约220 m，剖面长度600 m，共有4个测点(点号1 150—1 750)，在剖面南东侧有以往实施的23号勘探线剖面(图6)。

图6 23线微动勘探成果综合推断图

结合钻孔揭露情况综合分析认为，1 150号点-750 m 标高—1 750号点-300 m标高以浅为中低速区域，视横波速度>3 200 m/s，推断为马架山组地层的反映，与15线类似，其内部高速区域可能为原岩密度较大且胶结致密的角砾岩或玄武岩的反映。中部-600～-850 m标高范围为低速区域，推断为蒲圻组黏土质粉砂岩的反映。-900 m标高以深区域的视横波速度>3 600 m/s，为高速区域，推断为嘉陵江组大理岩的反映。

4.3 28线成果解译

28线剖面长1 400 m，有8个测点(点号1 200—2 600)，剖面方位140°。由于施工中受大范围水田分布影响，该剖面与28号勘探线剖面(方位112°)呈小角度斜交。图7为28线微动勘探成果综合推断图。

图7 28线微动勘探成果综合推断图

结合26及28号勘探线揭露情况综合分析认为，岩体和碳酸盐岩波速最高，马架山组角砾岩波速次之，蒲圻组碎屑岩波速最低。1 200号点-1 000 m标高—2 600号点-200 m标高以浅为高速区域，推断为浅部马架山组、灵乡组和公安寨组地层的反映。类似15、23线，1 200—1 600号点-600～-1 000 m标高的局部高速区域推断为原岩密度较大且胶结致密的角砾岩或玄武岩的反映。2 600号点-2 000 m标高—2 200号点-1 100 m 标高的高速区域推断为南东侧的铜绿山岩体的反映，该岩体从南东深部向北西浅部侵入盆地深部的嘉陵江组大理岩中，岩体与嘉陵江组地层的接触带边缘形成了Ⅶ号矿体。1 200—2 200号点的-2 000～-1 000 m标高范围为低速区域，推断为蒲圻组地层的反映，类似15线，蒲圻组二段波速低于蒲圻组一段。推断在该低速区域的南东侧，即2 000—2 200号点-1 400 m标高以深为岩体与蒲圻组粉砂岩的接触带,可能存在与Ⅶ号矿体类似的成矿条件，是成矿有利部位。

5 结论

(1) 微动勘探方法由于利用环境中的地震背景噪声(天然、人文噪声)作为信号源，具有探测深度大、抗干扰能力强、不受人文噪声干扰的特点，能很好地适用于人文活动密集、干扰情况复杂的矿集区深部勘探工作，是一种绿色高效的深部探测方法。

(2) 本文首次将微动勘探方法应用于鄂东南矿集区深部找矿，获取的地下横波速度结构对矿区外围深部的隐伏大理岩和岩体具有较好的探测效果，与验证钻孔ZK1505揭露的地层情况及钻孔波速测井成果吻合较好,并结合平面重磁和广域电磁法成果推断了两处成矿有利部位。本次开展的微动勘探工作为区内深部探测提供了新的技术支撑，对鄂东南矿集区下一步的深部找矿方法选取具有较好的指导和借鉴意义。

(3) 深部钻孔岩心声波测试及波速测井结果均显示大理岩波速明显小于岩体波速，两者之间具有明显的波速差异，下一步应进一步加强区内岩石波速特征及其变化规律研究，特别是岩体与大理岩之间的波速差异分析研究，为区内微动勘探成果解译及深部找矿靶区圈定提供物性支撑。

(4) 随着找矿深度的进一步加大，深部地质体的信息变得越来越微弱，从而更加难于提取，在深部探测与深部找矿中更加需要结合多种地球物理方法及地质成矿规律进行综合研究。

致谢：浙江大学夏江海教授在数据处理方面提供帮助，湖北省地质局第一地质大队金尚刚教授级高级工程师在成矿规律研究方面给予指导，在此一并表示感谢。