深部金属矿地震数据处理关键技术研究——以内蒙古查干花钼矿区为例

岳航羽，王小江，王磊，陈孝强，姜春香，李培，张保卫,

(1.中国地质调查局 地球物理调查中心，河北 廊坊 065000；2.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；3.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北 廊坊 065000；4.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院，北京 100083；5.辽宁省地质矿产研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110032)

0 引言

早在20世纪80年代，国外的应用实例不仅证实了地震方法用于硬岩勘探的潜力，还引起了各国对金属矿地震勘探方法理论与应用技术的系统研究[1-4]。近年来，许多专家学者在金属矿勘查区利用地震方法技术取得了一系列进展，Eaton等[5]综述了地震方法在矿产勘探方面的成果，特别是在硬岩环境中应用效果；Malehmir等[6-7]系统地回顾了澳大利亚、欧洲、加拿大和南非的金属矿地震典型应用案例并提出了利用拖缆检波器和落锤震源的组合，形成一套高效快速、低成本、环境影响极小的金属矿地震勘探技术；徐明才等[8-13]利用反射波法、散射波法、地面地震层析成像及三分量地震等技术在内蒙古、甘肃、新疆等地开展金属矿地震试验研究，刻画深部控矿构造、圈定隐伏金属矿床。吕庆田等[14-16]在长江中下游成矿带庐枞矿集区、铜陵矿集区利用地震反射技术精确确定了研究区内主要层位的空间分布及深部大尺度的结构、构造，对在中国东部“第二富集带”寻找深部“层控”矿床具有潜在的应用价值，预示着广阔的应用前景。王俊秋等[17]利用轻便小型可控震源应用于金属矿勘探中是有效的。刘建勋等[18]将地震勘查技术应用于新疆喀拉通克铜镍矿区，采用强能量震源激发、小道间距、高覆盖次数的观测系统，取得了较好的探测效果，部分成果得到钻孔验证。周建勇等[19]开展了金属矿地震数值模拟和高精度反射地震研究，为在矿山寻找深部隐伏矿提供了线索。

由于金属矿常常是多种不同尺度的非均匀地质体共生，界面的波阻抗差异小，从而产生复杂多变、多种波相互干涉的地震波场，这也对日趋成熟的反射波技术提出了挑战。此外，金属矿区往往地质构造复杂，断层较发育，地质体产状复杂，岩性变化剧烈，地层界面连续性较差，加上地表条件和表层结构的复杂性，不利于打激发钻孔，且野外施工条件受限，所得到的资料一般覆盖次数较低，使得地震记录干扰严重、信噪比低，借助现有的常规处理流程对这些低信噪比的地震记录进行处理存在诸多问题。李光辉等[20]通过建立金属矿山地地区地震勘探随机噪声的理论模型，为进一步研究随机噪声的时空域传播特性以及选择合适的噪声压制方法提供理论指导作用。张保卫等[21]以新疆喀拉通克铜镍多金属矿区地震反射资料为例，通过分析该金属矿区地震资料的噪声特征，在Focus5.4处理平台上采用多方法联合去噪技术，探讨金属矿区地震反射资料的去噪思路。郑升等[22]针对云南山地金属矿区的勘探环境提出了一种基于自适应阈值递归循环平移的Shearlet变换去噪算法，能够较好地压制金属矿地震随机噪声，保护有效信号。

本文将以内蒙古查干花钼矿区二维地震资料为例，研究深部金属矿地震关键处理技术及其应用效果。根据研究区内金属矿地震资料的特点及难点，制定一套能够有效提高金属矿地震分辨率和信噪比的数据处理流程，精细比较各流程的处理效果，最大限度地提取内蒙古查干花钼矿区地震有效反射信号，为查明研究区内控矿构造、圈定隐伏矿体提供数据支撑。

1 研究区概况

乌拉特后旗查干花钼矿区位于内蒙古自治区乌拉特后旗巴音前达门苏木境内，地理坐标为东经107°09′00″～107°30′00″和北纬41°47′00″～42°00′00″，分布面积590 km2，是内蒙古中部地区一个典型的印支期岩浆热液型斑岩型钼矿床，区内属于高原大陆性气候，常年干旱少雨，年降雨量不足100 mm，无霜期118～150 d。

整个矿区位于华北板块北缘宝音图隆起带内，区内出露的地层主要为古元古界宝音图群浅灰色—灰绿色千枚岩、绢云石英片岩、浅变质粉砂岩等变质岩系，矿区夹持于两条NE向区域性断裂带——恩格尔乌苏断裂与阿拉善北缘断裂(又称巴丹吉林断裂)之间，如图1所示为研究区测线位置，绿色标记的二维地震测线沿SE至NW方向布置，区内地形相对平坦，多为低山丘陵地带，海拔一般在1 200～1 400 m，地形高差引起的静校正量相对较小；地表沉积物由洪积的粗砂和砾石组成，砂成分主要以石英、长石为主，夹杂着少量的岩屑，部分岩石裸露，即使在有第四系分布的地区，表层砾石广布，砾石成分复杂；在干枯的河道内，地层疏松，对地震波吸收衰减严重，较厚的砂砾层不利于成激发炮孔。研究区潜水面较深，表层低降速带较厚，钻孔成孔困难，不利于地震波的激发与接收。

图1 查干花钼矿区二维地震测线位置

区内岩浆岩主要为新元古代花岗岩、早石炭世黑云二长花岗岩、早二叠世花岗闪长岩、早侏罗世黑云花岗岩。此外，石英脉在本区较发育，石英脉与钨、钼矿关系极为密切，多呈脉状、细脉状、脉带状、网脉状及透镜状分布，地表主要为NNW向和近EW向走向两种，近EW向的石英脉晚于NNW向的石英脉。NNW向石英脉一般倾向E，倾角70°～85°；近EW向石英脉一般倾向S或N，倾角65°～85°；钻孔内石英脉夹角0°～90°均有，以25°～45°居多。

2 数据采集及处理难点

查干花钼矿区二维地震数据采集采用的是法国Sercel 428XL遥测地震数据采集系统，炸药震源激发，自然频率为35 Hz的3串2并组合的纵波检波器接收。在研究区内，通过野外炸药震源药量、井深试验，确定了激发参数为井深10～12 m，药量6～8 kg；通过野外观测系统试验，确定了中间激发两边接收的多次覆盖观测系统(906-9-3-9-1506)，道间距3 m，炮间距30 m，最大覆盖次数40次，偏移距9 m，长排列800道接收，采样率0.5 ms，记录长度4 s。

如图2所示为矿区内测线上不同位置的典型原始单炮记录，以第四系、基岩出露型井炮资料为主，受激发条件、复杂构造、岩体等因素影响，原始资料的品质存在较大差异，不同位置的记录上均可见较强的噪声干扰“淹没”地震反射波，主要包括面波干扰、声波干扰、随机噪声、脉冲干扰、线性相干噪声等，资料整体信噪比极低。其中，面波在单炮记录上较为发育，视速度低(1 100～2 800 m/s)、频率低(5～18 Hz)，呈“扫把”状分布；声波干扰，视速度约为340 m/s，在全区均有发育；随机噪声在高频段较为发育；脉冲干扰多集中在单炮记录的某几道内，频率较单一；线性相干噪声在部分单炮记录上发育明显，能量强，与有效反射波呈线性相干性，多利用在不同函数域中二者之间的差异进行去除。同时，不同位置的单炮记录在能量及子波一致性上均有显著的差异。虽然测线整体地势平坦，但是由于河道、沙地、水塘等影响，低降速带厚度和速度局部变化大，从图2所示的原始记录上看，初至不光滑，存在扭曲现象，表明该区金属矿地震资料存在静校正问题。

图2 查干花钼矿区测线上不同位置的原始单炮记录

归纳总结查干花金属矿地震数据处理的难点，包括:①表层结构复杂，静校正问题突出；②干扰波较发育，信噪比极低；③工区地表复杂，地表一致性较差；④速度及构造变化剧烈，偏移成像难度大。针对以上金属矿地震数据处理难点，本文制定了一套查干花钼矿区地震数据处理流程，如图3所示。通过采用针对性的处理技术手段，主要包括静校正、真振幅恢复、叠前噪声衰减、反褶积、高精度速度分析、偏移成像等，逐步提高内蒙古查干花金属矿地震资料的信噪比及分辨率，真实地反映矿区地下地质信息。

图3 查干花钼矿区地震数据处理流程

3 数据处理关键技术

金属矿地震数据处理质量直接关系着本矿区地震资料解释及隐伏矿体位置的确定，为达到理想的金属矿地震数据处理效果，本文基于Epos3.0勘探开发一体化平台下的Focus5.4地震资料处理系统，采用多组参数试验及处理前后效果分析，选用最有效的处理方法和最佳的参数组合，以提高查干花钼矿区二维地震数据处理质量。

3.1 静校正

查干花金属矿区表层结构复杂，低速层速度厚度横向变化大。为了做好静校正处理，做到既解决长波长问题，又保证研究区的构造准确性和合理性，优选层析静校正方法对全区进行静校正处理。如图4所示为查干花钼矿区静校正前后的单炮记录对比，应用层析静校正后，图4b所示的初至波更加光滑连续、扭曲现象得到明显改善，有效地解决了区内地表低降速带对地震波旅行时的影响。图5所示的查干花金属矿地震静校正前后的叠加剖面对比进一步证实了上述结论。图5b所示的红色椭圆形虚框圈定的区域浅层倾斜地层的同相轴得到显现，波组信息更加丰富，成像质量改善明显；蓝色箭头和绿色箭头所指的同相轴连续性得到进一步增强，同相轴识别度更高，能量更聚焦。

图4 查干花钼矿区金属矿地震静校正前(a)后(b)的单炮记录对比

图5 查干花钼矿区金属矿地震静校正前(a)后(b)的叠加剖面对比

3.2 真振幅恢复

由于查干花钼矿区地表条件的变化和波传播过程的介质效应，地震反射波的能量发生了改变，为此必须在叠前道集上对地震记录做真振幅恢复。一般而言，真振幅恢复分为球面扩散补偿和地表一致性振幅补偿两部分。如图6所示为查干花金属矿区真振幅恢复前后的单炮记录对比，通过比较不难发现，图6b所示的单炮记录幅值能量较图6a在横向和纵向上都得到了补偿，消除了由激发、接收等因素引起的炮与炮之间、炮集内道与道之间的差异，确保了查干花金属矿区地震波能量恢复到同一级别。矿区真振幅恢复前后的叠加剖面对比如图7所示，图7b所示的绿色和红色箭头指向的同相轴能量得到显著提高，浅、中、深层有效波得到加强，整个叠加剖面背景能量更均衡，为后续金属矿地震数据处理打下了良好的基础。

图6 查干花钼矿区金属矿地震真振幅恢复前(a)后(b)的单炮记录对比

图7 查干花钼矿区金属矿地震真振幅恢复前(a)后(b)的叠加剖面对比

3.3 叠前噪声衰减

针对查干花深部金属矿地震数据中各类干扰波的特点，在叠前道集上采用多域多步噪声衰减方法，逐步提高查干花深部金属矿地震记录的信噪比，具体包括：利用时变—空间二维倾角滤波，去除面波等低频、低速干扰波；利用时—频噪声抑制和高能压噪，去除声波、强能量的随机噪声；利用频率域时变带通滤波、带限噪声压制，去除甚低频、超高频随机噪声；利用小波变换和阵列滤波，去除高速、高频的线性干扰及弧形机械振动干扰；通过动校正和反动校正，再利用时变二维滤波处理技术去除多次折射等线性干扰波；最后，利用线性频率域信号增益进一步衰减随机干扰等。

图8为在查干花钼矿区利用上述步骤压制各类噪声前后的单炮记录对比，经过叠前噪声衰减处理后，图8b中炮点附近的面波、相干噪声去除效果明显，有效波附近的低速线性干扰和随机噪声也得到有效压制，反射同相轴得到清晰显现，有效提高了单炮记录的信噪比。此外，图9所示的噪声衰减前后的叠加剖面对比中红色矩形虚框圈定的区域和红色箭头所指的区域噪声衰减效果明显，反射波同相轴连续性增强，进一步说明了采用针对性的噪声压制处理技术后整体的信噪比和成像质量均显著提高。

图8 查干花钼矿区金属矿地震叠前噪声衰减前(a)后(b)的单炮记录对比

图9 查干花钼矿区金属矿地震叠前噪声衰减前(a)后(b)的叠加剖面对比

3.4 反褶积

查干花金属矿区复杂的表层地震地质条件易造成野外地震资料激发和接收因素的横向变化，导致空间上各地震反射道之间严重的不均匀性，为此采用地表一致性反褶积方法消除金属矿地震子波在振幅、频率及相位上的差异。同时，采用多道预测反褶积方法压缩金属矿地震子波，提高纵向分辨率，增强反射波组的连续性。图10、图11和图12依次是查干花钼矿区二维地震数据应用反褶积前后的单炮记录对比、叠加剖面对比以及频谱特征对比。通过观察比较发现，经过多种反褶积方法处理后，图10b所示的单炮记录、图11b所示的叠加剖面上地震同相轴整体的纵向分辨率明显提高，波组特征更细致、更易分辨，同相轴连续性更强、更易追踪识别，如图11b中的绿色和红色箭头所示。此外，图12b所示的频谱特征中频带得到有效拓宽，主频提高显著，由47Hz提升到了55 Hz，进一步证实了分辨率的提高。

图10 查干花钼矿区金属矿地震反褶积前(a)后(b)的单炮记录对比

图11 查干花钼矿区金属矿地震反褶积前(a)后(b)的叠加剖面对比

图12 查干花钼矿区金属矿地震反褶积前(a)后(b)的频谱特征对比

3.5 高精度速度分析

金属矿区地质构造复杂、火成岩地层发育，不但降低了地震数据资料的信噪比，更因复杂多变的侵蚀使得地下构造不易识别清楚。在查干花钼矿区采用速度谱分析拾取、常速扫描对比以及叠加段扫描等多种速度分析方法相联合，尽可能地提高矿区地下构造精度和成像效果，如图13所示，由于结晶岩区地质结构复杂，地质体倾角多变，在图13c中出现了速度倒转现象。通过多次速度分析迭代，能更准确地保证叠加成像质量，提高信噪比，也使得目标层的构造形态更加清晰，接触关系更合理可靠。

a—质控道集；b—叠加段；c—速度谱

3.6 偏移成像

金属矿地震数据偏移成像一直是金属矿地震数据处理中的难题，一方面是因为金属矿资料信噪比低，另一方面是矿区构造极其复杂。本文在叠加速度场的基础上建立了平滑后的初始偏移速度场，再进行不同百分比速度扫描试验，确定空间和时间上的速度准确值，选用有限差分法进行叠后偏移。查干花钼矿区地震偏移成像前后的剖面对比如图14所示，通过比较发现，图14b上的红色箭头和绿色箭头指示的区域绕射波组收敛效果明显，反射波组归位，深部构造有效反射信息更加清晰，有利于研究区内地质构造的解释和隐伏金属矿的推断。

图14 查干花钼矿区金属矿地震偏移成像前(a)后(b)的剖面对比

4 实际处理效果评价

为研究查干花钼矿区金属地震数据处理的实际效果，将处理结果剖面与已知矿体地质剖面相对照，验证方法技术的真实可靠性，并对钻孔控制以外的隐伏矿体及地质构造进行探测。图15a为查干花钼矿区金属地震数据处理剖面0.5 s以浅局部放大，图15b为该矿区测线附近的已知矿体的地质钻孔剖面。通过对照比较发现，图15a中地震波场背景呈空白、弱振幅特征，中间夹有清晰、强振幅、连续、倾斜的反射波组同相轴，依照地震反射波组特征勾画出的蓝色矿脉线与图15b中已知矿体的实际位置吻合较好，矿脉多以SE倾向为主，矿体较厚区间介质产生的反射波能量较强，薄层矿体产生的反射波振幅较弱。实际上，反射波振幅还与矿体品位等因素有关。由此证明了本文提出的深部金属矿地震数据处理关键技术是行之有效的。

图15 查干花钼矿区金属矿地震成像剖面放大显示(a)和已知矿体地质钻孔剖面(b)

图16为依据查干花金属矿区地震数据处理结果解释的成果剖面，如图所示，在1.6 s位置的界面反射振幅较强，同相轴连续清晰，在CDP8700位置有明显错断；而且0.6 s和1.0 s位置处较连续的反射同相轴分别在CDP8300和CDP8500位置消失，据此推断F1-1断裂位置。沿测线NW方向，地震反射同相轴在深度1.2 s、CDP10100位置处及深度1.6 s、CDP10250位置处同样出现间断，据此推测断裂F1-2。剖面深部推断为基岩反射界面，上部为古元古界宝音图群，根据岩石组合特征，可划分为多个岩段，区域上各岩段间均呈整合接触，该套地层属于一套浅海—滨浅海相碎屑岩建造。

图16 查干花钼矿区金属矿地震数据处理成果剖面

此外，在剖面位置CDP8600～9500之间、0.5～0.9 s，如蓝色虚线框定的区域内，同样是弱振幅背景下，存在与已知矿体波场特征相似的反射同相轴波组，据此推测圈定富含矿体的有利位置。另根据查干花金属矿区的地震时深转换速度关系，推测该有利含矿空间的深度范围在1 000～2 500 m。

5 结论

1)本文以内蒙古查干花钼矿区二维地震资料为例，开展了深部金属矿地震处理关键技术研究，通过分析研究区内金属矿地震数据的特点，归纳总结了金属矿地震数据处理的难点，针对性地制定了一套查干花钼矿区地震数据处理流程，主要包括静校正、真振幅恢复、叠前噪声衰减、反褶积、高精度速度分析、偏移成像等，逐步提高研究区内金属矿地震资料的信噪比及分辨率，真实地反映矿区地下地质信息。

2)基于Focus5.4地震资料处理系统，具体开展了金属矿地震数据处理各环节的对比试验及效果分析，选用最有效的处理方法和参数组合，最大限度地提高查干花钼矿区二维地震数据处理质量。实际处理结果能够很好地与地质剖面上已知的矿体分布吻合，地质剖面上矿体较厚区域产生的反射波能量较强，薄层矿体产生的反射波振幅较弱。同时，推断了区内的地质构造及圈定了有利含矿区域。