贵州复杂山区矿山三维地震勘探方法

2022-11-22束双伟

中国金属通报 2022年10期

束双伟

地震勘探的目的是通过地震观测获取反映地下界面真实位置和地下矿物特性、物性等地质信息。然而，二维地震观测只能获取反映平面内的地质信息。即使在实际生产中，二维观测有时也在地表按面积布置测线，但每一条测线都是按二维采集数据并按二维偏移处理。由于二维偏移是沿着测线的视倾角方向进行的，偏移结果不完全，也不准确，尤其对于矿山复杂的地质构造进行二维地震勘探，二维归位处理就不能反映地下界面的真实产状。随着大型矿山不断开发利用，单纯的资源勘探逐步进入开发勘探，在矿产资源勘探过程中要求提供精准的地质构造信息，受二维地震勘探的局限性及条件性的制约，影响了矿山地质勘探的精准度。三维地震勘探原理、条件与三维地质体相对应，同时具有高密度，三维空间成像归位以及多种灵活显示等优点，所以更易得到正确的矿山地质构造形态和多种显示图像，三维地震勘探在工程地质、矿产资源勘探方面发挥着无可替代的重要作用。

贵州某矿山采区地表主要以山地为主，地表高差大，山路崎岖不平，地表岩性出露复杂，而且区内有大田、下寨、罗翁、外山、落帮、低刮、小湾、大湾等村庄，表、浅层地震地质条件极其复杂，三维地震勘探施工难度大，对室内数据处理也造成一定影响。

1 概况

矿区位于董架向斜南盘、沫阳断层北盘的弧形构造带里。总体呈单斜构造，地层走向近东西，倾向南，地表倾角为13°～23°，局部地层沿走向出现波状起伏，矿区出露的地层由新至老有第四系（Q），三叠系下统紫云组（T1z）、罗楼组（T1L），二叠系上统长兴组（P3c）、吴家坪组（P3w）。

矿区内主要含矿地层为吴家坪组（P3w），岩性主要以灰、浅灰色厚层灰岩、燧石灰岩及结核，夹少量生物碎屑。该组地层厚为237m ～317m，含矿层为1 层～3 层，含矿总厚度为2.86m，单层厚度0.1m ～1.32m，含矿率为8.46%，含矿地层含矿率不高，多以透镜体产出。该组含可采矿层一层，即本矿可采层M1矿层，矿层较稳定，矿层厚度为0.72m ～1.32m，平均厚度为1.00m。矿层顶板为灰、浅灰色厚层灰岩，底板白云质灰岩、碳质页岩矿区内矿层厚度有一定的变化，矿层厚度0.72m ～1.32m，总体平均厚度为1.00m 左右；矿层厚度地表延伸变化较大，沿深部矿层厚度变化较为稳定，矿层结构较简单，全区内矿层厚度基本都达到最低可采厚度，为全区可采矿层。

通过前期对主斜井及7 个老硐的见矿化点进行实测，结合本次收集业主提供的四个探矿工程钻孔资料来看，矿区的矿层厚度较稳定。

矿山使用三维地震勘探前的准备工作：

（1）确定三维工区。

（2）根据贵州某矿区地质条件和地质任务设计三维地震探测方案。

（3）科学选用三维地质勘探各参数。

（4）合理进行实验，可选用正演模拟。

（5）三维地震探测过程中进行严格质量控制。

2 地震地质条件

2.1 表层地震地质条件

本勘探区本区位于云贵高原东部，东西向苗岭山脉西部北侧。本区为低中山喀斯特峰丛地貌。槽谷峰丛发育，碳酸盐岩出露广泛。地表相对高差超过200m，部分地段有悬崖勘探区地表主要以山地为主，区内有大田、下寨、罗翁、外山、落帮、低刮、小湾、大湾等村庄。山区起伏不平对地震施工造成一定影响。

2.2 浅层地震地质条件

区内河流多为季节性小溪及河流泉点稀少，据县气象站多年资料表明多春旱，潜水位低，根据已有资料与现场踏勘，第四系主要为风化粘土组成，厚度为0m ～17.05m，主要分布在相对低洼地带，结构松散，成孔困难。部分地段基岩出露，矿层风化松散，故成孔方式要针对不同的表层选择不同的成孔方式。故本区浅层地震地质条件较差。矿区出露地层按岩（土）体组合类型划分为硬质岩类工程地质岩组、软质岩类工程地质岩组及松散岩类工程地质岩组成。

（1）硬质岩类工程地质岩组：本岩组主要为紫云组、罗楼组、长兴组、吴家坪组的灰岩、燧石灰岩、白云质灰岩、白云岩、细晶质白云岩、硅质灰岩、泥灰岩。岩体力学强度高，抗风化能力强，岩土体工程地质条件较好。石灰岩有：三叠系中统关岭组（T2g）、下统永宁镇组（T1yn）、夜郎组（T1y），二叠系上统长兴组（P3c）、吴家坪组第二、第三段（P3w2+3）、中统茅口组（P2m）、栖霞组（P2q），石炭系上统马平组（C2m）、黄龙组（C2h）等。白云岩有：三叠系下统茅草铺组（T1m）、寒武系娄山关群（ls）等。砂岩、石英砂岩有：泥盆系上统高坡场组（Dgp）、蟒山群（Dms）。变质岩有：青白口系（Qb）及蓟县系（Jx）各组变质岩石。

（2）软硬质岩类工程地质岩组：此岩类主要是为罗楼组及吴家坪组的砂岩、泥质灰岩、细粒燧石灰岩、泥质砂岩属硬质岩类，其工程力学性质良好；而泥质页岩、炭质页岩及含矿层夹泥岩、粘土岩属软质岩类，其岩体力学强度低，遇水软化；在硬质岩类和软质岩类的接触面极易形成软化结构面，岩土体工程地质条件较差。

（3）松散岩类工程地质岩组：为分布于区内地势相对较低的洼地中的粘土、耕植土和弃土、弃石，为结构松散的残积物；主要是含植物根系的有机土，土层结构松散，遇水软化，具压缩性和可塑性，力学强度低，岩土体工程地质条件差。半坚硬—坚硬岩类工程地质岩组：千枚岩夹石英细砂岩、白云岩，片状活中厚—厚层状构造，裂隙一般不发育，力学强度大，抗压强度高，稳定性好。

综上所述，矿区岩土体工程地质条件总体较差。给成孔、下炸药带来非常大的困难，影响激发接收的效果。

2.3 深层地震地质条件

根据地质资料分析，二叠系上统吴家坪组（P3w）岩性主要以灰、浅灰色厚层灰岩、燧石灰岩及结核，夹少量生物碎屑，含矿层1 层～3 层，既含该矿区可采矿层M1 号。厚为237m ～317m。M1 矿层厚度相对较厚，可以形成能量较强、连续性较好的矿层反射波。

3 三维地震勘探难点及针对性技术措施

（1）本区地处云贵高原山区，地表岩性变化较大，激发条件复杂。采集前充分做好踏勘，布置低速带调查点，为激发井深和后期处理解释提供依据。

（2）根据地表岩性条件，合理选择成孔钻具，充分进行井深、药量及检波器等试验工作，选择最佳采集参数，保证采集效果。

（3）做好折射静校正。地表高差变化较大，野外静校正问题十分严重。加上有些地段激发和接收困难，使有的折射波起跳不干脆，对折射波的拾取不利。故本区处理重点是做好计算折射静校正的一系列工作。包括折射波的识别，计算方法的选取与参数的优化等。云贵高原山区矿山所处时空区域的原始资料评价：为实现复杂山区矿山地质勘探经济技术一体化，采用三维地震勘探方式，需将前期获得的地质勘查数据进行有效融合。重点分析前期矿山地质勘探资料在成像精度、信噪比、矿产资源储量、图像分辨率等方面存在的问题，另外还要分析所用的采样密度、覆盖次数、方位宽窄等相关参数有误差时，可根据所布置的地质勘探任务进行调整，对前期探测到数据进行评价分析。

（4）提高资料信噪比：山区资料施工难，所获得的记录一般信噪比不高，处理中如何去除干扰，提高信噪比十分关键。通过对原始资料进行滤波、速度分析、自动校正、自动剩余静校、DMO 叠加、三维去噪和叠后时间偏移等模块的处理，全力压制各种噪声干扰，得到有利于对主要目的层反射波识别与追踪的具有较高信噪比的三维叠加和三维偏移数据体。

（5）保证资料保真度。地震数据的保真度是资料解释的基础，保持地震信号的相对振幅和反映地层界面特性的动力学特征，以利于矿层厚度变化的研究。不能片面强调资信噪比和分辨率而牺牲保真度，也不能为保真而不加区分地存留冗余信息，那样会干扰有效信息，结果可能适得其反。

复杂山区矿山三维地震勘探数据采集是一种面积接收技术。其观测系统的设计及参数的选择都要考虑三维特性。因此，三维数据采集比二维复杂，质量要求也高，需要进行理论模型试验，并结合野外试验选择合适的参数和方法。

三维地震工区的确定，主要是根据地下地震、地质条件和地面地形地貌条件，并以前者为主，矿区的观测面积要根据构造的大小，目的层的深度和倾角走向来决定。决定矿区观测范围时还要考虑需要满足，覆盖的次数的地下范围和偏移前后数据上有空间的不同。

地下满足覆盖面积的确定，地下满覆盖面积（即地下勘探面积）可预先根据有利地区的范围，在以往的二维构造图上粗略确定，然后考虑降低勘探成本，工作规划整齐等因素，最后确定地下满覆盖面积。

4 主要采集参数及方法

通过试验工作，同时结合试验记录对比，从能量、信噪比、分辨率、有效波受干扰程度考虑，经过专家组的反复研究，主要采集参数确定如下：

（1）在基岩出露区，井深为3.5m ～4m，对于井深无法达到4m 的区域，采用2 孔或3 孔组合放炮的形式；在地势较平坦且覆盖层较厚的区域，井深为8m ～10m；在低洼区和山坡区域，要求打到基岩面下进行激发，井深一般为5m ～6m。

（2）采用TNT 炸药激发，药量1.5kg ～2.0kg。

（3）检波器为60HZ 4 串组合接收，点放挖坑埋置，记录长度2.0s，仪器为法国产428XL 数据采集系统。

（4）最大炮检距小于1000m。

（5）区内干扰波主要为低频的面波干扰和随机干扰。

（6）排列方式：束状8 线8 炮制，中点发炮；接收道数：8×72=576 道；接收线距：40m；接收道距：10m；最小非纵距：5m；最大非纵距：355m；最小炮检距：11.18m；最大炮检距：412.46m；CDP 网格：5m（纵向）×10m（横向）；覆盖次数：6 次（纵向）×4 次（横向）=24 次；炮点网度：20m（横向）×60m（纵向）；检波点网度：40m（横向）×10m（纵向）。

5 主要测网布置

三维地震勘探是一种高密度采集、空间成像、归位准确的面积接收技术，其特点是利用炮点和接收点网格的灵活组合而获得分布均匀的地下数据点网格及所要求的覆盖次数。三维观测系统选择正确与否，将直接影响野外施工效率、资料处理效果及地质成果的精度。

综合考虑本次勘探工作的地质任务，必须满足一定的覆盖次数且较均匀分布，以保证较高的信噪比和分辨率。线束布置方向主要以垂直地层走向或构造走向为原则，数据采集采用规则的三维观测系统，线束基本垂直构造走向布置。建立相对坐标系，X 轴以20m 为基本单位编号，而Y 轴以10m 为单位编号，形成了本区工程布置图。

（1）考虑到资料处理和空间属性建立上的方便，线束自西向东编号，用汉字标在每束中心炮线的下方。每束与上一束重合4条接收线。

（2）接收线、炮线统一编号。检波点和炮线采用与道间距相关长度进行编号。接收线为奇数，炮线编为偶数。检波点、炮点自南向北统一编号，这样有利于野外施工。

（3）施工顺序自西向东：第一束、第二束、……第十七束。每一束的第一条接收线与上一束的第五接收线重合。

每放完一排炮，逐次向前移动，接收道不断向备用道过渡，直至备用道全部变为接收道后，仪器向前搬站。

（4）施工中要确保交叉站、采集站输入道号定位准确，炮点、接收点的关系正确无误。

6 地震工程测量工作

（1）测量设备：测量使用华测GPS 接收机5 套，该仪器性能合格。

（2）控制测量：以GPS1、GPS4 两个已知点作为起算点，联测到测区构成由4 个点组成的三角网，最大基线边长1.57km，最小基线边长0.67km。点位采用木桩和石灰构成，均选择在非耕地处，以利于长期保存，并且交通便利。点位附近无大面积水域，高压线，微波塔及其他影响接收信号的障碍物。使用华测GPS 接收机进行静态观测。有效观测时段60min。总共观测15 个测站，有效观测时段数为2.5。高程采用GPS 拟合高程。内业处理采用南方GPS 商用后处理软件平差计算。平差后基线边平面精度为1：7 万～1：21 万之间，高程拟合精度0.3m。

（3）测量放样：采用GPS 实时差分测量（RTK）放样，即使用一个E 级GPS 控制点作为基准站，配合5 个流动站同时进行作业。工地校正平面残差最大0.001m，垂直残差最大0.021m。放样前将测线端点和终点坐标输入测量控制器（手簿）内，建立直线放样。放样一般从小号开始，5 个流动站分段向前放样。基站随测线移动，基站距离流动站的基线长度均不大于1km，每次发展的参考站均采用已放样点进行检核。实地放样点均为固定解。测线点位采用线号加桩号来表示，如：1-11，1 表示线号，11 表示桩号。从起点开始每隔20m 放一个物理点，每个物理点均采用石灰加木桩表示，并在点位附近插小红旗示意测线方向。测线经过村庄不能实地放样时，在木桩上表明线偏距离，并在附近墙壁上喷红漆注明点号与偏心距离。测量工作日报按要求均在现场填写完整，交给地震施工员使用。每日放样前和参考站搬迁，均复测2 个以上已放样点，平面误差最大0.2m，高程误差最大0.16m。测线的复测率均达到该测线放样点总数的2.0%，平面误差最大0.3m，高程误差最大0.3m。

野外RTK 数据存储于测量控制器（手簿）里，使用随机商用动态数据处理软件进行变换处理，采用Microsoft Excel 计算软件和Ultra Edit-32 数字编辑器进行数据整理，利用南方CASS7．0测绘软件绘制测线放样图。

（4）测量质量控制：本次测量E 级GPS 勘探点两个已知点保存完好，资料正确可靠。GPS 自由网布点合理，施测方法正确，精度完全满足设计要求。放样点平面误差平面最大为0.3m，一般在0.12m ～0.3m 范围内。高程误差最大为0.3m，一般在0.11m ～0.3m 范围内。放样点复测检核分析：最大平面误差0.15m，最大高程误差0.15m。测线端点实测坐标与设计坐标校差：一般为0.06m，最大为0.12m。

本次三维地震勘探测量工作，作业方法正确，仪器性能良好，测量精度可靠，上交资料齐全，完全满足合同及设计要求。

7 资料处理及解释成果

本次处理叠前采用了野外静校正、地表一致性反褶积、常速扫描，最大限度的提高了资料的分辨率，剖面质量有了较大的提高。地震资料处理做了大量的测试工作，经过多方面参数测试后，确定了比较合适的地震资料处理流程，三维采集的数据按三维空间成像处理，可以真实地确定反射界面的空间位置，避开地形、地物的障碍，对地表条件适应性很强，尤其是静校正及叠前时间偏移取得了比较好的处理效果，对资料有更大的保真度，相位数据更齐全，便于研究地层的岩性，三维地震勘探资料的完整统一性及显示技术的现代化，更便于人工联机解释。

最终取得了以下地震地质成果：控制了勘探范围内M1 矿层的埋藏深度及起伏形态；基本查明了M1 矿层中落差大于等于8m 的断层，同时对8m 以下的断点进行了解释和组合；全区共解释断层5 条，其中正断层3 条，逆断层2 条；可靠断层2 条，较可靠断层3 条；落差8m ≤△h ＜20m 的断层3 条，落差△h ＜8m的断层2 条；利用巷道见矿化点资料与物探资料进行结合，合理地对M1矿层的厚度变化趋势进行了解释，圈定了矿层变薄带（或无矿区）。