徐富文, 劉 博, 蔡恒安, 魏克濤, 劉冬勤, 羅銀河
(1.湖北省地質局 第一地質大隊,湖北 大冶 435000; 2.中國地質大學(武漢),湖北 武漢 430074)
隨著找礦的焦點正逐步轉向深部,老礦山邊深部找礦已成為當前找礦突破的重要方向。雞冠咀銅金礦床為鄂東南地區20世紀80年代中期發現的全隱伏大型矽卡巖型銅金礦床,其已知礦體主要賦存于大理巖與石英二長閃長玢巖接觸帶及附近大理巖層間破碎帶中,呈多臺階分布。近年的勘查工作發現雞冠咀礦區的火山巖盆地邊緣(即銅綠山巖體北西緣一帶)有較好的成礦地質條件和找礦潛力(如發現雞冠咀銅金礦床Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ號礦體,桃花嘴銅鐵礦床Ⅴ號礦體,許家咀銅鐵礦床),可能為深部找礦的有利區,有望實現深部找礦的重大突破[1-2]。
區內以往開展的地面物探方法主要有大比例尺重磁法、直流激電測深法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等[3-4],以上方法在中淺部(1 km以淺)找礦中具有較好效果,但隨著找礦深度的進一步加大,上述方法受制于探測深度有限已無法滿足深部找礦的要求。此外,礦集區附近復雜的人文活動,特別是高壓輸電線、變電站、礦山大功率機械設備等造成的電磁噪聲及工業游散電流帶來大量干擾,使得常規的大深度探測方法如音頻大地電磁測深(AMT)、大地電磁測深(MT)等天然源電磁法的應用受到較大影響。近期開展的AMT、MT試驗結果顯示卡尼亞視電阻率受近場干擾嚴重,1 000 Hz以下曲線呈現45°上揚,經時間系列分析發現電道干擾嚴重,遠參考等處理方法亦無法消除,難以獲取有效的原始數據[4]。
近年來微動(被動源面波)勘探方法由于其利用背景噪聲作為信號源,具有抗干擾能力強、探測深度大、受施工場地限制小、成本低廉等優點,在地質勘查領域得到了廣泛應用[5-6]。微動勘探方法的歷史比較久,早在1957年,日本地球物理學家Aki[7]首次利用空間自相關法(SPAC)從微動信號中提取出面波,擬合求出面波頻散曲線進行地層結構估測。1970年,Capon[8]采用頻率—波數法(F-K法)也實現了這一過程。依據Aki[7]的思想,進行微動觀測時需要在圓環上設置多個觀測點。1983年,Okada et al.[9]論證了等邊三角形足以構成一個圓排列,從而解除了之前布陣時的約束。后來Ling et al.[10]和Okada[11]提出了擴展的空間自相關法(ESPAC),使得微動觀測臺陣形狀不再局限于圓形,可以是任意不規則的形狀,從而使微動勘探方法的實用性得到提升。國內方面,1986年原地質礦產部物化探局最早從日本引進了微動觀測技術和處理解釋方法,使中國開始進入該方法的理論研究與應用階段[12-13]。
自20世紀90年代以來,微動勘探方法在第四系覆蓋層厚度探查、城市地下空間探測、地質災害調查、深部地熱勘查、隱伏斷裂構造探測、盆地結構調查等方面得到廣泛應用,取得了良好的效果[14-23]。微動勘探方法在深部找礦方面的應用案例較少,黃海清[24]在福建紫金山悅洋礦區開展了微動勘探方法效果研究,認為該方法在層狀或似層狀礦床的分層、含礦巖體或巖層的追索方面是有效的,但未就該方法在復雜圍巖條件下的探測效果進行評價,而且其勘探深度較淺(<600 m)。
針對雞冠咀礦區外圍復雜的人文干擾和傳統物探方法在勘探深度上面臨的限制,本文嘗試將微動勘探方法應用于該礦區火山巖盆地邊緣的深部找礦,采用圓環半徑分別為75、150、300、600 m的四重嵌套三角形觀測臺陣,探究目標區2 000 m以淺的視橫波速度結構,通過與已知勘探線剖面進行對比,評價微動勘探方法在復雜人文干擾情況下對深部成礦地質體的探測效果;并推斷火山巖盆地的邊界形態及深部大理巖、巖體范圍,結合已知礦體賦存規律來圈定深部成礦有利部位。
雞冠咀銅金礦床位于湖北省大冶市城西約4 km,處在銅綠山礦田的西緣。區內施工條件復雜,周邊礦山眾多,水田覆蓋嚴重,高壓線與高壓變電站密布,礦山大功率機械開采設備機器24 h運轉,高速公路、信號塔等人文干擾嚴重。
礦區東部地層被燕山期中酸性巖漿巖吞蝕,僅殘留少量三疊系地層。礦區西部為火山巖盆地,被白堊系—古近系、第四系地層所覆蓋(圖1)。

圖1 研究區基巖地質圖
1.1.1地層
礦區地層主要有下—中三疊統嘉陵江組(T1-2j),中三疊統蒲圻組(T2p),下白堊統馬架山組(K1m)、靈鄉組(K1l)與上白堊—古新統公安寨組(K2E1g)。
嘉陵江組主要分布于礦區深部,埋藏標高為+10~-1 548 m,在剖面上呈“S”形變化,形成上、下兩個疊瓦式的平臥褶曲,為區內主要的賦礦層位。蒲圻組主要分布于礦區西北部-410 m標高以下,在貓兒鋪以西零星出露,一段為粉砂巖夾紫紅色泥巖,紫紅色泥巖內普遍含鐵質結核;二段為泥巖、黏土巖夾灰綠色泥質粉砂巖,含較多的鈣質結核,為礦液的主要隔擋層及零星小礦體的賦礦層位。馬架山組主要分布于貓兒眼—雞冠山—桃花嘴一線北西部,總體傾向NW,傾角低緩,巖性以火山沉積角礫巖為主,次為雜砂巖、碎屑凝灰巖、凝灰質粉砂巖、粉砂質黏土巖等。靈鄉組分布于礦區北西側,其巖性為安玄巖、紫紅色細砂巖、粉砂巖、粉砂質黏土巖等,以陸源碎屑沉積為主。公安寨組巖性為粗砂巖、礫巖偶夾頁巖、玄武巖。其中馬架山組、靈鄉組及公安寨組組成了火山巖盆地的建造組合。
上述地層中,與區內銅金礦成礦關系最密切的地層為嘉陵江組三段第一、三巖組的灰白色大理巖、白云質大理巖和四段的含泥質條帶白云質大理巖。
1.1.2構造
雞冠咀礦床位于火山巖盆地邊緣,斷裂構造十分發育,大的斷裂構造有桃花嘴—雞冠咀破碎帶(F16,原雞冠山破碎帶)、柯秀黃畈—桃花嘴斷裂(F10)、牯羊山—貓兒鋪斷裂(F9)、雞冠咀礦區深部的逆沖斷層F4。
F9位于礦區西緣,為主控礦斷裂,走向NNE,長3 000余米,斷面傾向W,傾角75°,被F16斷裂所切割。該斷裂長期活動,成礦前與接觸帶復合,控制銅綠山巖體的西部邊界。
F10為隱伏斷裂,長約2 400 m,斷裂傾向W,傾角70°~80°,具逆斷層性質。該斷裂具多期活動特點,桃花嘴銅鐵礦床、大青山鐵礦床均受其控制;成礦后又有活動,如形成大青山地表硅化、磁赤鐵礦角礫及大理巖中的粗糜棱巖化等。
F16位于雞冠山一帶,呈NE向延伸,地表以破碎帶形式出現,破碎帶寬約10~20 m,最寬達40 m。其斷面較陡,傾角60°~90°,在雞冠山以南向SE傾斜,在雞冠山以北則轉為傾向NW。該斷裂切穿了巖體、礦體及下白堊統地層,屬破礦構造。
1.1.3巖漿巖
區內分布的巖漿巖主要為銅綠山巖體,其屬于陽新復式侵入體西北部分,按侵入時代有燕山早期第三次侵入的石英正長閃長玢巖、石英閃長巖(二者為相變關系)和燕山晚期侵入的閃長巖、安山玢巖。根據工程揭露,在碎屑巖與侵入巖之間有隱伏大理巖分布,雞冠咀礦床的礦體主要位于侵入巖向碎屑巖過渡的部位。
根據巖心聲波測試及鉆孔波速測井成果(表1),研究區地層波速特征大致遵循以下規律:巖體波速最高,嘉陵江組大理巖次之,蒲圻組泥巖、泥質粉砂巖最低(其中蒲圻組一段波速明顯高于二段),馬架山組角礫巖、含礫砂巖波速具有一定差異,但整體而言其高于蒲圻組砂巖。

表1 鉆孔巖心聲波測試結果
地球表面時刻都存在一種天然的微弱振動,通常被稱為微動,在天然地震學中被稱為背景噪聲,其主要由體波和面波組成,面波的能量占信號總能量的70%以上[11]。微動的震源復雜多樣,屬于多種震源經地下介質吸收、衰減、散射而被地震儀器記錄到的一種信號。根據微動信號的頻率范圍,將其分為兩類:頻率>1 Hz的高頻信號和頻率<1 Hz的長周期信號,前者主要源于人類活動,諸如交通工具、工廠機器運轉等,在傳播過程中衰減得較快,所以主要源于近距離的振動源;后者主要源于自然因素,諸如風、河水流動、海洋波浪等,由于其在傳播過程中衰減得較慢,因此長周期記錄中可能含有更大范圍的介質信息[5]。
微動勘探是指利用臺陣觀測環境噪聲中的微弱振動信號,通過提取環境噪聲中的面波頻散信息,反演獲取地下介質橫波速度結構的一種被動源地震勘探方法,也被稱為被動源面波勘探。不同頻率的面波具有不同的穿透深度,頻率越低的面波攜帶著更深部的地質信息。為了更有利于低頻面波信號的觀測及提取,主要通過增加觀測臺陣尺寸、加大觀測時長、降低檢波器頻率來實現。因此,微動勘探可以通過控制觀測臺陣尺寸的大小、采集時間的長度、檢波器頻率的高低來改變探測深度。與傳統的地震、電磁類物探方法相比,微動勘探方法的優勢在于其利用天然場源背景噪聲,無需人工震源,且儀器設備輕便,野外施工便捷,特別適用于人口密集、交通繁忙、振動和電磁干擾嚴重的城市及礦集區探測。
目前從微動信號中提取面波頻散曲線的方法主要有空間自相關法(SPAC)、擴展的空間自相關法(ESPAC)、頻率—波數法(F-K)、無中心圓臺陣法(CCA)、地震波干涉法(SI)、頻率—貝塞爾函數法(F-J)等。SPAC法是Aki[7]基于平穩隨機場理論提出的,他指出當處于時空穩態時,圓心點記錄的微動信號與圓周上其他點記錄的微動信號歸一的空間自相關方位平均(即空間自相關系數)與第一類零階貝塞爾函數對應,在頻率域中可表示為:

(1)
式中:ρ(r,f)為方位平均后的空間自相關系數;r為圓形臺陣的半徑;f為入射信號的頻率;J0為第一類零階貝塞爾函數;v(f)為瑞利波相速度;S0,r(r,θ,f)為圓心點微動信號與圓周上其他記錄點微動信號的互功率譜;S0(0,f)和Sr(r,f)分別表示圓心點與圓周上其他記錄點的自功率譜;θ為微動信號入射臺陣的方位角;Re表示取實部,當微動信號為隨機各向均勻分布時,空間自相關系數的虛部為零。
式(1)適用于基階面波能量為主,利用垂向記錄分量進行空間自相關提取瑞利面波頻散的情形。值得注意的是,式(1)中入射方位角的積分dθ對應物理意義上的方向平均,在傳統的圓形臺陣中是通過在圓周上等角度均勻分布的多個記錄點來實現的,且圓周上檢波器道數越多,式(1)越精確,空間自相關系數的虛部越接近于零。當微動信號源(噪聲源)方向不確定或只有單向波場而不滿足各向均勻分布時,圓形臺陣可具有較好的可靠性。
傳統的SPAC法要求臺站規則布設,需要一個臺站在圓心,其他臺站均勻分布于圓周上,這樣的要求極大地限制了SPAC法的應用,尤其是在城市地區,房屋建筑更加限制了臺站的布設。Okada[11]在2003年提出了ESPAC法,把所有臺間距相等的臺站對的互相關函數進行方向平均,將空間自相關系數寫成與不同臺間距有關的函數,然后通過對每一頻點進行速度掃描,找出擬合最佳的相速度,從而獲取頻散曲線。ESPAC法允許微動勘探采用不規則形狀臺陣進行觀測采集,極大地拓寬了微動勘探方法的使用范圍。
區內微動信號源主方向與均勻性具有不確定性,為保證探測精度,本次微動勘探的數據采集采用四重圓形臺陣,其半徑分別為75、150、300、600 m。如圖2所示,每個圓環上布設3臺檢波器,每個測點的臺陣由13臺寬頻帶數字地震儀組成。本次微動觀測的采樣間隔為10 ms(采樣率100 Hz);根據2 000 m探測深度的要求,單點單次觀測時間≥4 h;每天觀測結束后對數據進行檢查,不合格的數據需在第二天重測。

圖2 臺陣布設示意圖
本次共布設了3條測線、16個測點。所用儀器設備為中地裝(重慶)地質儀器有限公司生產的EPS-2型寬頻帶數字地震儀,內部采用自然頻率為4.5 Hz的CDJ-Z/PD4.5B型檢波器,通過電子反饋電路板拓展管理地震傳感器的頻帶,使其達到0.1~150 Hz。
在數據采集正式開始前對所有的寬頻帶數字地震儀進行一致性測試,以確保觀測數據的有效性。各臺儀器的時間域波形記錄、功率譜曲線測試結果如圖3所示。

a.時間域波形記錄;b.功率譜曲線
本次布設臺陣的流程為:①在遙感衛星地圖上按照臺陣尺寸設計好每個測點的中心點及四個同心圓上的12個檢波點點位,設計點位時盡量避免水田、建筑、工廠等;②野外布設臺陣時根據實際情況進行適當偏移,開挖儀器安置坑,對軟土及滲水點位進行硬化處理;③所有臺站布設結束后使用RTK測量儀測量所有臺站的實際點位坐標。
由于工區范圍內有大面積水田覆蓋,較多臺站點位分布在軟土上且極易滲水,為保證臺站與地面耦合良好,在軟土及滲水點位主要采取以下措施:
(1) 先在布設點開挖一個直徑約40 cm的坑,在坑內夯入3~4根長度40 cm左右的木樁(圖4-a),以硬化檢波點下方軟土。
(2) 向坑內倒入水泥并敷平(圖4-b),待水泥硬化。
(3) 將檢波器安置在水泥硬化面上(圖4-c),儀器統一指北并調節水平,然后覆土掩埋。

a.開挖土坑并夯入木樁;b.使用水泥作硬化處理;c.安裝檢波器
本次微動勘探數據處理采用筆者自主開發的微動勘探數據處理系統,該系統集成了ESPAC頻散曲線提取、視橫波速度反演、儀器一致性分析、微動信號源入射方位分析等功能模塊,且以上功能均可實現自動化批量處理,能較好地滿足日常微動勘探的生產及研究需求。
3.3.1數據預處理
從野外回收儀器后導出當天數據,按照臺陣點位對應的儀器編號將同一測點的1~13道數據排序,放置在以測點號命名的文件夾內。將原始數據轉成通用的SAC格式文件,檢查每個測點的各道數據的位置信息、采樣率、采集時間長度是否正確,確定無誤后方可進行數據預處理。對每個臺站的數據進行預處理,包括去趨勢、去均值和預濾波三個步驟,預處理的目的是盡量突出有效噪聲信號,減弱儀器響應或其他一些因素對有效信號的影響。后期數據處理結果表明,所采集的野外數據信號集中在0.5~6 Hz之間,所以在預濾波時選取了0.2~8 Hz之間的頻帶范圍。
3.3.2求取ESPAC系數
(1) 將每個臺站采集的噪聲數據用重疊75%的Hanning窗截斷成等時長的數據片段,Hanning窗長度為1 024個采樣點,即10.24 s。

(3) 分別對所有片段的自相關譜和互相關譜求取時間平均。
(4) 用相應兩個臺站的自相關譜對互相關譜進行歸一化處理。
(5) 對所有臺間距相同的臺站對的互功率譜進行方位平均,取實部得到不同臺間距的空間自相關系數。
3.3.3將空間自相關系數與第一類零階貝塞爾函數進行擬合
通過速度掃描將同一頻率下所有不同臺間距的空間自相關系數與第一類零階貝塞爾函數進行擬合,找到該頻點下擬合差MF(f0)最小時所對應的速度,認為該速度是當前頻率下的最佳相速度。
(2)
式中:n為臺間距的個數;ρ(ri,f0)為第i個臺間距的空間自相關系數。本次速度掃描范圍為100~8 000 m/s,掃描步長為10 m/s。
3.3.4提取頻散曲線
對所有的頻點進行速度掃描得到各頻點的最佳相速度,即得到頻散曲線。本次頻率范圍為0.2~5 Hz,頻率步長為0.097 656 25 Hz。
3.3.5頻散曲線反演
利用實測瑞利波相速度頻散曲線反演得到臺陣中心點下方介質的一維橫波速度結構,目前只能將地下介質近似視為水平層狀介質,根據水平層狀介質模型來計算理論頻散曲線。頻散曲線反演的方法有多種,傳統的有最小二乘法和對其改進后的馬奎特算法,但通常要求給定一個精度較高的初始模型。近年來發展起來的遺傳算法對初始模型的精度要求不高,而且全為正演計算,目前已成為頻散曲線反演的重要方法。
對于二維剖面探測而言,往往更需要了解剖面上巖性的相對變化而無需反演橫波速度的絕對值,所以在獲得單點實測瑞利波相速度頻散曲線后,可直接將相速度vr轉換成二維視橫波速度vx隨深度D變化的vx-D曲線,再對各測點的vx-D曲線進行橫向插值、光滑計算,最終獲得二維視橫波速度剖面(vx剖面)[15-17,20]。本次微動勘探的二維視橫波速度剖面采用以下公式計算:
(3)
式中:ti為面波的周期。
因為避免了反演過程中設置初始模型、反演結果選取等人為因素影響,微動勘探剖面能更客觀、有效地反映地層巖性變化,是地質解釋的主要依據。
受礦權范圍限制,15線剖面長600 m,共計4個測點(點號1 250—1 850)。1 850號點位于盆地邊緣,在其南東部有以往實施的15號勘探線剖面。如圖5所示,左側為ZK1505孔波速測井曲線,右側為15線微動勘探成果綜合推斷圖。

圖5 15線微動勘探成果綜合推斷圖
淺部1 250號點-500 m標高—1 850號點-420 m標高以淺為中低速區域,視橫波速度在2 000~3 600 m/s,推斷為盆地內馬架山組地層的反映,局部高速區域可能反映了原巖密度較大且膠結致密的角礫巖。中部-500~-1 200 m標高范圍的整體視橫波速度較低,為2 000~3 600 m/s,推斷為蒲圻組黏土質粉砂巖的反映,蒲圻組一段波速高于蒲圻組二段。值得注意的是,在1 650—1 850號點-700~-1 200 m標高范圍存在一高速區域,視橫波速度在3 800~5 000 m/s,與廣域電磁法剖面在該區域圈定的高阻異常相對應,因此該區域呈現高速、高阻、高磁、低密度特征。以往的15號勘探線剖面在1 850號點南東側-500 m標高以深揭露出巖體,因此綜合推斷該高速區域為南東側的銅綠山巖體侵入至蒲圻組地層的反映,據此推斷此處為成礦有利部位,但受本次探礦權范圍限制未能對此區域進行鉆探驗證。-1 200 m標高以深,視橫波速度>4 000 m/s的高速區域推斷為嘉陵江組大理巖。
1 250 號點-1 200 m標高以深視橫波速度變低且等值線呈陡立分布,推斷其為F9斷裂往深部延伸至此的反映,廣域電磁法剖面的電阻率等值線在該區域也呈類似的陡立電阻率梯度分布特征。而1 850號點-700 m標高—1 650號點-1 200 m標高也存在一視橫波速度梯度帶,推斷其同樣為F9斷裂往深部的延伸。另外,1 450號點-1 200 m標高—1 850號點-1 400 m標高可能存在一SE向緩傾的隱伏斷裂F4,該斷裂上部為巖體,下部為嘉陵江組大理巖。
在剖面1 475號點附近實施了ZK1505孔,孔深1 495 m。圖5左側為該孔的波速測井結果,可以看出波速測井結果與微動勘探視橫波速度剖面十分吻合,兩者波速整體均呈現高、低、高、低、高的關系,分別對應馬架山組角礫巖、蒲圻組二段、蒲圻組一段、斷層角礫巖、嘉陵江組大理巖。
23線剖面與15線剖面平行,兩線相距約220 m,剖面長度600 m,共有4個測點(點號1 150—1 750),在剖面南東側有以往實施的23號勘探線剖面(圖6)。

圖6 23線微動勘探成果綜合推斷圖
結合鉆孔揭露情況綜合分析認為,1 150號點-750 m 標高—1 750號點-300 m標高以淺為中低速區域,視橫波速度>3 200 m/s,推斷為馬架山組地層的反映,與15線類似,其內部高速區域可能為原巖密度較大且膠結致密的角礫巖或玄武巖的反映。中部-600~-850 m標高范圍為低速區域,推斷為蒲圻組黏土質粉砂巖的反映。-900 m標高以深區域的視橫波速度>3 600 m/s,為高速區域,推斷為嘉陵江組大理巖的反映。
28線剖面長1 400 m,有8個測點(點號1 200—2 600),剖面方位140°。由于施工中受大范圍水田分布影響,該剖面與28號勘探線剖面(方位112°)呈小角度斜交。圖7為28線微動勘探成果綜合推斷圖。

圖7 28線微動勘探成果綜合推斷圖
結合26及28號勘探線揭露情況綜合分析認為,巖體和碳酸鹽巖波速最高,馬架山組角礫巖波速次之,蒲圻組碎屑巖波速最低。1 200號點-1 000 m標高—2 600號點-200 m標高以淺為高速區域,推斷為淺部馬架山組、靈鄉組和公安寨組地層的反映。類似15、23線,1 200—1 600號點-600~-1 000 m標高的局部高速區域推斷為原巖密度較大且膠結致密的角礫巖或玄武巖的反映。2 600號點-2 000 m標高—2 200號點-1 100 m 標高的高速區域推斷為南東側的銅綠山巖體的反映,該巖體從南東深部向北西淺部侵入盆地深部的嘉陵江組大理巖中,巖體與嘉陵江組地層的接觸帶邊緣形成了Ⅶ號礦體。1 200—2 200號點的-2 000~-1 000 m標高范圍為低速區域,推斷為蒲圻組地層的反映,類似15線,蒲圻組二段波速低于蒲圻組一段。推斷在該低速區域的南東側,即2 000—2 200號點-1 400 m標高以深為巖體與蒲圻組粉砂巖的接觸帶,可能存在與Ⅶ號礦體類似的成礦條件,是成礦有利部位。
(1) 微動勘探方法由于利用環境中的地震背景噪聲(天然、人文噪聲)作為信號源,具有探測深度大、抗干擾能力強、不受人文噪聲干擾的特點,能很好地適用于人文活動密集、干擾情況復雜的礦集區深部勘探工作,是一種綠色高效的深部探測方法。
(2) 本文首次將微動勘探方法應用于鄂東南礦集區深部找礦,獲取的地下橫波速度結構對礦區外圍深部的隱伏大理巖和巖體具有較好的探測效果,與驗證鉆孔ZK1505揭露的地層情況及鉆孔波速測井成果吻合較好,并結合平面重磁和廣域電磁法成果推斷了兩處成礦有利部位。本次開展的微動勘探工作為區內深部探測提供了新的技術支撐,對鄂東南礦集區下一步的深部找礦方法選取具有較好的指導和借鑒意義。
(3) 深部鉆孔巖心聲波測試及波速測井結果均顯示大理巖波速明顯小于巖體波速,兩者之間具有明顯的波速差異,下一步應進一步加強區內巖石波速特征及其變化規律研究,特別是巖體與大理巖之間的波速差異分析研究,為區內微動勘探成果解譯及深部找礦靶區圈定提供物性支撐。
(4) 隨著找礦深度的進一步加大,深部地質體的信息變得越來越微弱,從而更加難于提取,在深部探測與深部找礦中更加需要結合多種地球物理方法及地質成礦規律進行綜合研究。
致謝:浙江大學夏江海教授在數據處理方面提供幫助,湖北省地質局第一地質大隊金尚剛教授級高級工程師在成礦規律研究方面給予指導,在此一并表示感謝。