金屬礦地震勘探的數值模擬研究

蔡向陽

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽合肥，230022）

金屬礦地震勘探的數值模擬研究

蔡向陽

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽合肥，230022）

目前，在淺部礦產資源接近枯竭的情況下，向地球深部索取資源已成為資源勘查的必須趨勢。有資料表明，地震方法在金屬礦勘查的不同階段能夠解決不同的地質問題。盡管如此，金屬礦地震方法在解決不同地質勘查階段的地質問題時，還存在許多難題，這些難題妨礙了該方法在金屬礦勘查中的應用。本文重點介紹了散射波法的原理；地震波數值模擬原理和方法；經過數值模擬得到地質模型不同震源點的地震記錄圖和任意時刻的瞬時波前圖，結合地震地質模型，分析地震記錄，解釋波場特征。

金屬礦；數值模擬；地震勘探；地震記錄的分辨率；波動方程

0 引言

地震方法用于尋找石油、煤田等沉積層控礦床已取得許多成功的經驗和大量的成果，但用于尋找深部隱伏金屬礦還存在許多難題。根據有關統計資料，金屬礦地質找礦的成功率呈逐年下降的趨勢，二十世紀五十年代找礦的成功率為1%，到二十世紀末下降到0.2%左右，找礦成功率的下降意味著勘探成本的提高。造成找礦成功率下降的原因主要表現在：地表出露礦已基本找完，找礦對象主要為隱伏和深埋礦藏；低品位礦（如斑巖型礦）和一些貴金屬礦其礦石與巖石的差別小；方法技術選擇不當，交通困難地區的找礦難度加大；礦石與圍巖的物理性質差別縮小，礦體引起的異常不明顯，各種干擾相對增強；礦體埋深增大，礦體在地表引起的異常嚴重衰減，干擾有時超過有用異常，因而不易識別異常的存在。隨著地質工作的研究程度的提高，大多數出露和近地表礦床已被發現，因而尋找隱伏的和埋藏較深的礦床就成為急待解決的問題。

1 模型正演技術概念

地震波場的正演模擬是指已知地下構造的界面形狀，巖石的密度和地震波的傳播速度等參數，應用地震波的運動學和動力學的基本原理，求取地震記錄。常用的地震波場正演方法一般分為兩大類,即射線追蹤法和波動方程法。射線追蹤法也就是幾何射線法，屬于幾何地震學方法,由于它將地震波波動理論簡化為射線理論，主要考慮的是地震波傳播的運動學特征，所以簡單直觀，計算速度快，所得地震波的傳播時間比較準確，但缺少地震波的動力學信息，而且對復雜地質構造會出現盲區；波動方程法實質上是求解地震波波動方程，因此模擬的地震波波場包含了地震波傳播的所有信息，能全面反映波的運動學和動力學特征，為研究地震波的傳播機理和復雜地層的解釋提供了更多的佐證，因此波動方程數值模擬方法一直在地震模擬中占有重要地位。

地震波波動方程數值模擬方法主要包括有限差分法，有限元法和傅里葉變換法,原則上都可以模擬任意非均勻介質中波的傳播，但它們各有千秋。有限差分法的主要優點是計算速度快，占用內存小，缺點是精度低，僅適合于相比較簡單的地質模型。有限元法的主要優點是適宜于模擬任意地質體形態，可以任意三角形逼近地層界面，確保復雜地層形態的逼真性，其缺點是占用內存和計量都大。傅里葉變換方法(如相位移法、偽譜法等)由于利用空間的全部信息對波場函數進行三角函數插值，所以能更加精確地模擬地震波的傳播規律；同時，利用快速傅里葉變換進行計算，還可以提高運算效率；該方法的主要優點是精度高，占用內存小，缺點是計算速度較慢。在這里選用屬于傅里葉變換法范疇的相位移法解波動方程來正演摸擬任意非均勻介質中的地震波散射場。

2 地質模型的建立

傳統用于正演模擬的地質模型都是用層狀結構,即要求模型的每一個層都必須從模型體的左邊界貫穿到模型體的右邊界,層的定義一般按順序由上到下依次排列,不得交叉。對于簡單的地質體這樣的做法并無大礙,但是,當地下的地質結構比較復雜(如存在斷層、尖滅等)時,這種模型的描述方法就很困難了。對復雜構造,不采用傳統的“層狀模型”進行模型正演,而采用“塊狀模型”來描述地下構造,從而進行模型正演研究。“塊狀模型”摒棄了傳統模型中“層”的概念,以介質區域作為單元,因而能夠描述任意復雜的地質模型。所謂“塊”是指具有一定速度密度的地質體,它是一個相對獨立的個體,對于二維地質模型，“塊”可以看成是由相交界面之間或相交界面與模型邊界構成的封閉區域。本文地震地質模型的建立原則遵循由簡到繁，以利于散射波的識別及波場特征的表達和總結。

3 地質—地球物理模型離散化

不同的研究目的，構成地質—地球物理模型的地球物理量也不同。對于均勻各向同性介質聲波方程，地質—地球物理模型可以表示為，而對于均勻各向同性彈性波方程而言，其地質—地球物理模型則要表示成

地質—地球物理模型的離散化是通過對模型的空間剖分來實現的，為了準確地刻畫地下介質物理性質空間變化，模型網格剖分必須要求足夠精細，只有這樣才能以較小地誤差逼近地下介質地實際物性分布。但是在計算機實現中，網格剖分越細，則空間網格點的數目就越多，這必然會占用大量的內存，加大計算的工作量，降低計算的效率。因此，模型離散化時既要考慮數值模擬的分辨率（或網格大小），又要考慮計算成本。

4 結論

地震勘探在金屬礦的應用目前主要限于沉積礦產，這是因為反射地震在地球成層狀時才能取得好的效果。

(1) 在金屬礦勘查中，地震方法是一項新方法新技術，任何新方法新技術在到達成熟階段之前，都需要有一個過程。金屬礦地震勘查技術雖取得了較好的方法技術研究和試驗效果，但由于金屬礦區地震地質條件的多樣性和復雜性，在金屬礦勘查中的地震方法技術研究需要結合應用和示范工作進一步開展，以在應用和示范過程中進一步發現問題，研究問題，不斷完善這一方法技術。

(2) 在金屬礦勘查中，地震方法可在較大的深度范圍內，精確地查清淺、深層地質構造之間的關系，圈定深部隱伏巖體、探討測區斷裂系統和構造巖漿對礦床富集就位的控制作用，不同時代的巖層界而的空間形態與成礦制約作用，在有利的條件下，利用綜合地震資料，探測與礦體有關的局部不均勻體，對隱伏礦體進行空間定位。

[1] 尹軍杰,劉學偉,李文慧;地震波散射理論及應用研究綜述[J];地球物理學進展;2005年01期

[2] 李燦蘋,劉學偉,王祥春,楊麗;地震波的散射理論和散射特征及其應用[J];勘探地球物理進展;2005年02期

[3] 勾麗敏;劉學偉;雷鵬;劉士軍;;金屬礦地震勘探技術方法研究綜述——金屬礦地震勘探技術及其現狀[J];勘探地球物理進展;2007年01期

A study of seismic prospecting for metallic ore

Cai Xiangyang
(Anhui Anhui geophysical and Geophysical Exploration Technology Institute，Hefei，230022)

At present,in the case that the shallow mineral resources are close to depletion,the deep demand for resources from the earth has become the necessary trend of the exploration..There are data shows that seismic method can solve different geological problems in different stages of metallic ore exploration.. Nevertheless,there are still many difficulties in solving the geological problems during different geological exploration stages,which hinders the application of this method in metallic ore exploration.. This paper introduces the principle of scattering wave method;seismic wave numerical simulation principle and method;geological model with different focal point of seismograms and arbitrary moment of instantaneous wave front is obtained through the numerical simulation, combined with the seismic geologic model.Analysis seismic records,explain the wave field characteristic.

metal mine；numerical simulation；seismic exploration；seismic record resolution；wave equation