深地震反射剖面揭示的西藏娘熱礦集區(qū)上地殼結(jié)構(gòu)

徐泰然，盧占武，王海燕，李洪強，李文輝

1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037 2.國土資源部深部探測與地球動力學(xué)重點實驗室，北京 100037

0 引言

深地震反射剖面技術(shù)能夠?qū)Φ貧ど畈拷Y(jié)構(gòu)進行精細成像，自20世紀(jì)末期開始被國際公認為深部探測的先鋒技術(shù)[1-5]。它與石油反射勘探原理相同，均利用不同物性界面的反射波來描述地質(zhì)構(gòu)造特征，是探測巖石圈精細結(jié)構(gòu)的手段之一[6]，目前在淺深層均有較多應(yīng)用[7-8]。20世紀(jì)80年代以來，我國的深地震反射技術(shù)主要集中在造山帶地殼結(jié)構(gòu)探測以及大型成礦帶和礦集區(qū)的深部結(jié)構(gòu)探測中。礦集區(qū)的許多基礎(chǔ)地質(zhì)問題都與地殼結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，比如是否存在斷裂控制的巖漿巖帶分布，控制幾個大型礦床的巖體是否有深部的巨型侵入巖體與之相連等；因此，通過深地震反射剖面方法研究地殼的精細結(jié)構(gòu)，對理解成礦作用過程也十分重要[9]。隨著深地震反射技術(shù)的巨大進步及對成礦系統(tǒng)的深入研究，國內(nèi)外學(xué)者已將此技術(shù)應(yīng)用在勘查礦產(chǎn)資源中。例如：在國外，加拿大的LITHOPROBE計劃試驗了深地震反射剖面方法在金屬礦區(qū)的探測效果，取得了成功[10]；在我國，應(yīng)用深反射地震剖面對銅陵礦集區(qū)復(fù)雜地殼結(jié)構(gòu)的研究揭示了銅陵礦集區(qū)的地殼精細結(jié)構(gòu)，查明了深部巖體的形態(tài)及其與地表巖體的關(guān)系和地殼結(jié)構(gòu)對成礦的約束作用[11]。

為了探究礦集區(qū)形成的構(gòu)造背景，了解成礦區(qū)域地下精細結(jié)構(gòu)與成礦的關(guān)系，本文對岡底斯成礦帶中部南北向穿過娘熱礦集區(qū)的一條130 km長的深地震反射剖面數(shù)據(jù)進行處理，以揭示娘熱礦集區(qū)及其鄰區(qū)的上地殼結(jié)構(gòu)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)處于拉薩地體內(nèi)部，其地體南北分別以印度河—雅魯藏布江縫合帶和班公—怒江縫合帶為界[12-13]，廣泛存在早—中白堊世灰?guī)r和海相沉積[14]。在白堊紀(jì)末期，海洋沉積大多局限于白堊紀(jì)末的班公—怒江縫合帶南部[15]，沿著拉薩地體南緣，其古生代和中生代地層被以白堊紀(jì)—第三紀(jì)為主的岡底斯巖基侵入。深地震反射剖面位于29°45′N—30°55′N、88°21′E—88°48′E，沿青都鄉(xiāng)(謝通門縣)—巴扎鄉(xiāng)(申扎縣)—申扎縣一線，長約130 km，橫穿寬約20 km的娘熱礦集區(qū)(圖1)。

在印度-亞洲板塊碰撞形成的全球最年輕的碰撞造山帶中，青藏高原內(nèi)擁有眾多縫合帶與成礦帶，其中岡底斯成礦帶是碰撞造山過程形成的最重要成礦帶[16]。該成礦帶屬特提斯成礦帶東段的喜馬拉雅成礦域，形成于由印度陸殼與特提斯洋殼斷離導(dǎo)致軟流圈地幔流體上涌而引發(fā)的造山帶地殼側(cè)向伸展背景之下[17]，巖漿侵入與成礦作用發(fā)生于印度-亞洲大陸碰撞造山的主碰撞期[18]。娘熱礦集區(qū)位于岡底斯成礦帶北部，在構(gòu)造上橫穿青都大裂谷，走向近東西條狀帶。該區(qū)域地形起伏劇烈，擁有多類型多金屬礦床(圖1)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

深地震反射技術(shù)包含了采集、處理和解釋3個部分，缺一不可，每一部分都凝聚了前人無數(shù)次實驗得來的寶貴經(jīng)驗，例如采集參數(shù)，就有許多學(xué)者在此探究了很多[19]。深地震反射剖面為共深度點(CDP)疊加剖面，野外數(shù)據(jù)采集使用428數(shù)字地震儀，20DX-10Hz型號檢波器，采樣間隔2 ms，記錄時間10 s，記錄格式：SEG-D，前放增益：12 dB，高截頻：0.8fN(fN為奈奎斯特頻率)，高截濾波器相位為線性相位(LIN)。接收道距50 m，炮距250 m，檢波器720道，采用中間放炮方式，最小偏移距25 m，最大偏移距17 975 m，覆蓋次數(shù)不小于60次。采用井深30 m、50 kg藥量進行單井激發(fā)，部分難成井地區(qū)采用組合井。

圖1 娘熱礦集區(qū)深地震反射剖面位置及礦集區(qū)內(nèi)礦床分布Fig.1 Location of the Niangre ore concentration area deep seismic reflection profile and the distribution of the deposits in the ore concentration area

2.2 數(shù)據(jù)處理

深地震反射資料具有信噪比低、干擾強、構(gòu)造復(fù)雜等特點，給后續(xù)處理和解釋造成很大困難，因此獲得真實的疊加剖面是地質(zhì)解釋的前提和基礎(chǔ)。而數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是從干擾背景中提取和增強弱有效信號，提高剖面的信噪比和分辨率。為了取得較為理想的處理效果并提高成像精度，解決靜校正問題和去噪成為提高資料信噪比的重點。

2.2.1 靜校正

娘熱礦集區(qū)地表起伏大，近地表速度縱橫向變化劇烈，沒有穩(wěn)定的可進行連續(xù)追蹤的折射界面。在西藏地區(qū)，地形復(fù)雜，老地層出露，地表的速度橫向變化劇烈，有些折射界面不能連續(xù)識別，所以傳統(tǒng)的野外高程靜校正和折射靜校正難以解決此地靜校正問題。且反射波的信噪比很低，存在很大的靜校正誤差。利用初至層析靜校正方法往往能夠提高地震資料疊加成像的質(zhì)量。層析靜校正方法利用地震記錄的初至?xí)r間來求取準(zhǔn)確的近地表速度模型，由給定的初始模型進行正演，用射線追蹤的方法得到初始模型的初至波。然后將計算的初至波和實際拾取的初至波進行比較，計算地表模型修正量，經(jīng)過若干次迭代反演得到較精確的地表模型。在此基礎(chǔ)上計算炮點和檢波點靜校正量，從圖2中可以看到檢波器與炮點的校正量相差很大且有正有負，反映了地表的起伏不平。而通過對校正量的應(yīng)用(圖3)得到靜校正后的各個單炮，可以看出地表起伏現(xiàn)象明顯優(yōu)化，地下各同相軸被拉平，反射信息相對平滑，使數(shù)據(jù)克服了復(fù)雜地表的影響。值得一提的是，前人為了專門應(yīng)對深地震反射處理技術(shù)，發(fā)明了無射線層析靜校正技術(shù)，很好地解決了近地表速度不均勻問題。此外，層析反演方法可以精確獲得高速層底界面信息，所以層析靜校正方法可以很好地解決長波長靜校正問題。

圖2 層析靜校正量Fig.2 Tomographic statics

2.2.2 去噪

本區(qū)域因地形與速度變化等較差的激發(fā)接收條件，導(dǎo)致許多原始單炮記錄干擾較大，使得準(zhǔn)確識別弱信號并消除噪聲、提高信噪比成為復(fù)雜地表條件下深地震反射資料的一個難點。為了突出有效反射、提高成像質(zhì)量，為后續(xù)工作提供真實的構(gòu)造形態(tài)，需要在此階段反復(fù)處理。在常規(guī)地區(qū)及常規(guī)地震資料處理中，由于偏移距較小，面波以及聲波影響較嚴重，對于低頻及多次波的去除并不常見。但在深地震反射處理中，由于整個觀測系統(tǒng)為近垂直反射，地下傳播較深，導(dǎo)致偏移距也相應(yīng)增大。根據(jù)本區(qū)的地質(zhì)特點，結(jié)合原始資料不同藥量激發(fā)的情況，會出現(xiàn)常規(guī)勘探中少見的低頻干擾和其他傳播過程較遠而產(chǎn)生的次生波。為提高信噪比，消除各種噪聲干擾，進行了直流電干擾及低頻噪音等處理，獲得了較好的去噪結(jié)果(圖4)。

疊前去噪作為地震處理的基礎(chǔ)工作，能很大程度地提高信噪比。也可以在去噪過程中不斷創(chuàng)新，制定有針對性的去噪模塊與流程，甚至聯(lián)合多域去噪或多種方法多個模塊搭配使用。但大幅度去噪往往會導(dǎo)致有效信息的丟失，所以選擇去噪方法時應(yīng)考慮周全。

圖3 應(yīng)用靜校正量前(a)后(b)單炮對比Fig.3 Comparison of single shot records before (a) and after (b) statics application

圖4 去噪前(a)后(b)單炮記錄對比Fig.4 Comparison of single shot records before (a) and after (b) denoising

2.2.3 反褶積

反褶積會統(tǒng)一改變地震數(shù)據(jù)，所以依然能清晰區(qū)別目標(biāo)地質(zhì)體與圍巖。自從1969年P(guān)eacock 等[20]提出預(yù)測反褶積以后，此技術(shù)廣泛地應(yīng)用在地震資料處理中。正確應(yīng)用反褶積模塊，可以達到壓縮地震子波、提高資料分辨率的效果。反褶積具有多種類型，如脈沖反褶積與預(yù)測反褶積，本區(qū)宜用預(yù)測反褶積。根據(jù)預(yù)測反褶積原理[21]，對目標(biāo)勘探來說，一般認為反褶積子波是相似的、統(tǒng)一的。預(yù)測反褶積去除多次波不需要速度等信息，預(yù)測步長又很容易通過自相關(guān)得到，加上它具有參數(shù)設(shè)置簡單、運行速度快的特點，目前已被廣泛應(yīng)用。在實際處理中，要特別注意預(yù)測因子長度的選取。為了滿足反褶積輸入是最小相位的要求，應(yīng)通過指數(shù)加權(quán)方法改造地震道以及雙邊反褶積，使其子波靠向最小相位，再加上反射系數(shù)為白噪聲，就構(gòu)成了預(yù)測反褶積應(yīng)用的前提條件。圖5為預(yù)測反褶積之前的多次波混合圖像與預(yù)測因子步長為200 ms的消除多次波的圖像對比，可以看到多次波在反褶積之后明顯變少，突出了有效信號，去除了干擾，說明反褶積提高了分辨率。多次波極性與一次波相反，后續(xù)多次波極性正負相間，且時間上等間隔出現(xiàn)，陸上資料中多出現(xiàn)于煤層礦層等。對于算子長度的選取，只要將多次波的能量頂界包括進去，算子長度即可滿足要求，且由于預(yù)測反褶積模塊執(zhí)行所需運行時間少，處理時可適當(dāng)加大算子長度。當(dāng)然，壓制多次波的過程中難免會帶走一部分有效波信息，需要謹慎選擇參數(shù)。

2.2.4 速度分析

地震波速度參數(shù)貫穿于數(shù)據(jù)采集、處理和解釋的整個過程，它對估算近地表異常模型、剩余靜校正值非常重要，它們之間相互制約影響，影響成像質(zhì)量和成像位置，所以速度分析對于疊加成圖較為重要。深地震反射剖面處理中采用的速度主要指疊加速度。進行速度分析時對速度譜進行放大逐步分析，同時顯示速度剖面，以其上速度趨勢來控制速度譜不好的點，并參考CDP動校正道集以及譜點附近的疊加效果來控制當(dāng)前譜點速度的準(zhǔn)確性，保證速度拾取的精確程度[22]。

雖然現(xiàn)階段數(shù)據(jù)處理技術(shù)較為全面，對于此剖面也進行了必要的處理步驟，但仍找不到一種可以克服任意地形的快速處理技術(shù)，針對某些地形的一些適用方法，如造山帶的針對處理方法[23]，也仍打破不了原數(shù)據(jù)處理流程框架，無法得到大幅度進展。在資料處理過程中，取得每一步的成果后，結(jié)合對本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化的認識，重新調(diào)整處理流程和參數(shù)，對每個主要處理步驟均反復(fù)試驗，取得效果后再進行實際應(yīng)用，從而使獲得的剖面處理結(jié)果能夠更真實地反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

圖5 最小相位預(yù)測反褶積前(a)后(b)單炮記錄對比Fig.5 Comparison of single shot records before (a) and after (b) minimum phase predictive deconvolution

3 娘熱礦集區(qū)上地殼深反射剖面基本特征與解釋

利用上述方法技術(shù)得到一條0～10.0 s的初步疊加剖面(圖6)。本文主要針對橫跨剖面的7條斷裂及一些特殊現(xiàn)象，將剖面從南到北按CDP號1—5400依次進行排序，并與區(qū)域地質(zhì)圖(圖7)結(jié)合來進行地質(zhì)解釋，結(jié)果如圖8所示。

首先在CDP 300—500(圖8a)中，在地下2 s附近的反射同相軸為南傾，與此地區(qū)已知地表斷裂傾向相反，認為此軸是第三系深層花崗巖的上邊界，且此花崗巖延伸至地表，周圍出露，測線附近被第四系覆蓋。在CDP 600—800(圖8b)中，此段位于恰功鐵礦地區(qū)，區(qū)域內(nèi)東西向斷裂發(fā)育時限較早，以逆沖斷層為特征，形成于岡底斯成礦主碰撞期。可追蹤到北傾斷裂逆斷層F1與F2的地下同相軸，兩條斷裂呈“Y”型分布，斷裂F1向東延伸匯聚到主斷裂F2中，而礦集區(qū)內(nèi)的江嘎鐵礦也坐落在斷裂F2東段上，可見更早形成的礦床在斷裂形成的主碰撞期上升侵位，并在多次構(gòu)造運動后到達地表。斷裂F3為較早形成的正斷層，并有一些南北向逆斷層將此斷裂切割，可見構(gòu)造運動頻繁。在剖面圖中追蹤到北傾斷裂F3，并向下延伸逐漸變緩。在CDP 1000—1200位置(圖8c)追蹤到斷裂F4為北傾正斷層，延伸至地下2 s，西側(cè)被新生代地層覆蓋。F4東段發(fā)育有加多捕勒鐵礦床，于晚白堊世早期新特提斯洋殼俯沖岡底斯之下，形成以殼源物質(zhì)為主的混源巖漿，上升侵位而成。在娘熱礦集區(qū)北邊界的青都礦山附近CDP 1500—1800處(圖8d)，可以看到斷裂F5的軌跡，在延伸至地表途中被上地殼內(nèi)白堊紀(jì)花崗巖侵蝕，青都礦山淺層反射特征能量強，北側(cè)有一淺層斷裂，隱伏于地下，初步推測此區(qū)域斷裂控制著礦區(qū)內(nèi)巖體的分布和產(chǎn)出。而娘熱礦集區(qū)東部的斯弄多鉛鋅礦和納如松多鉛鋅礦也在幾個斷裂附近，在不同時期經(jīng)過不同地質(zhì)運動出露地表。在CDP 2600—2800(圖8e)中，推測地下2 s處的反射同相軸為北傾的斷裂F6，也可能是周圍出露的花崗巖在地下與其他地層的分界，測線附近被新生代地層覆蓋。由于整個地區(qū)花崗巖大面積出露，且附著于花崗巖的金屬礦產(chǎn)豐富，此地區(qū)地下也應(yīng)有大面積花崗巖，所以在CDP 3000—3200(圖8f)中地下3 s處的很強同相軸，我們推測它為地下花崗巖與圍巖的邊界。斷裂F7所在的CDP 3600—3900(圖8g)中，可以看到在地下4 s以上有多個同向軸，推測為石炭、二疊系等地層界面或花崗巖與圍巖分界面，而對于斷裂F7，推斷為北傾正斷層。在CDP 5000—5200(圖8h)中，地下4 s處有較強平緩?fù)噍S，為白堊紀(jì)花崗巖的上邊界，地下2 s附近可見多種沉積地層界限，地表被第四系覆蓋。而在地下6 s處即18 km深度附近出現(xiàn)強反射能量且較集中，與我國青藏高原內(nèi)羌塘地體和阿里地區(qū)發(fā)現(xiàn)的“深反射亮點”的現(xiàn)象與深度一致，亮點可能由于巖漿、流體、鐵鎂質(zhì)巖基、層狀下地殼等原因形成[24]，這與礦集區(qū)的地質(zhì)情況吻合。

圖6 娘熱礦集區(qū)深地震反射疊加剖面Fig.6 Deep seismic reflection stack profile of Niangre ore concentration area

地層：Qp1.下更新統(tǒng)；N2.上新統(tǒng)；E3.漸新統(tǒng)；J3K1.上侏羅統(tǒng)一下白堊統(tǒng)；J2-3.中一上侏羅統(tǒng)；P2.中二疊統(tǒng)上部；C2P1.中石炭統(tǒng)一下二疊統(tǒng)拉嘎組昂杰組；C1.下石炭統(tǒng)；D2-3.中一上泥盆統(tǒng)；D1.下泥盆統(tǒng)。巖體：Qpg.全新統(tǒng)鈣質(zhì)黏土；Qhs.全新統(tǒng)黏土；Qhf.全新統(tǒng)砂土；Qpfp.更新統(tǒng)砂礫巖；γN1.中新世花崗巖；δηοN1.中新世石英二長閃長巖；ηγN1.中新世二長花崗巖；ζγE3.漸新世正長花崗巖；ηγE2.始新世二長花崗巖；ηοE2.始新世石英二長巖；ζοE2.始新世石英正長巖；ζγE2.始新世正長花崗巖；γπE2.始新世花崗斑巖；δοE2.始新世石英閃長巖；ηγE1.古新世二長花崗巖；γK2.晚白堊世花崗巖；γπK2.晚白堊世花崗斑巖；γδK2.晚白堊世花崗閃長巖；γδπK2.晚白堊世花崗閃長斑巖；γδK2.晚白堊世石英花崗巖；δηοK2.晚白堊世石英二長閃長巖；γK1.早白堊世花崗巖；δοK1.早白堊世石英閃長巖；ηοK1.早白堊世石英正長巖；ηγK1.早白堊世二長花崗巖；ηγJ3.晚侏羅世二長花崗巖；P31.上二疊統(tǒng)下部白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r；P12.下二疊統(tǒng)上部礫巖砂巖；E2n.始新統(tǒng)含礫砂巖年波組；E2p.始新統(tǒng)含礫砂巖帕那組；E1-2d.古新統(tǒng)一始新統(tǒng)泥灰?guī)r典中組；K1cm.下白堊統(tǒng)泥灰砂頁巖楚木龍組。圖7 深反射剖面區(qū)域地質(zhì)圖Fig.7 Geological map of the deep reflection profile area

a.CDP 300—500；b. CDP 600—800；c. CDP 1000—1200；d. CDP 1500—1800；e. CDP 2600—2800；f. CDP 3000—3200；g. CDP 3600—3900；h. CDP 5000—5200。左、中、右依次為地質(zhì)圖、原始剖面、構(gòu)造解釋剖面。地質(zhì)圖圖例同圖7。圖8 解譯結(jié)果Fig.8 Results of interpret

4 結(jié)論與建議

1)本文實驗了層析靜校正、去噪、預(yù)測反褶積和速度分析等方法，取得了較好的效果。

2)從深地震反射剖面中可見娘熱礦集區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在礦集區(qū)附近花崗巖富集，存在多條北傾東西向斷裂。深地震反射剖面識別出7條斷裂(F1—F7)，這些斷裂控制了娘熱礦集區(qū)的成礦空間結(jié)構(gòu)，斷裂的發(fā)展與巖漿活動可能有一定對應(yīng)關(guān)系。該剖面揭示了岡底斯成礦帶中段北部的地下結(jié)構(gòu)，為礦集區(qū)找礦背景的研究提供了基礎(chǔ)資料。

3)青藏高原復(fù)雜地質(zhì)條件給深地震反射剖面數(shù)據(jù)處理帶來極大挑戰(zhàn)，雖然本文在數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面取得了一些進展，但是總體的效果還有進一步提高的空間，需要對處理方法進行深入的探索與研究。

致謝：中石化中南分公司第五物探大隊承擔(dān)了本次工作的數(shù)據(jù)采集，在此表示感謝。

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