反射地震成像技术在新疆喀拉通克铜镍矿区的应用

周建勇，徐明才，刘建勋，高景华，王小江，张保卫

(1.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；2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

反射地震成像技术在新疆喀拉通克铜镍矿区的应用

周建勇1，2，徐明才1，刘建勋1，高景华1，王小江1，张保卫1

(1.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；2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

新疆喀拉通克铜镍矿自1989年建成投产，已生产27年，属中度危机矿山。为探测该矿山深部资源，需要提供地质构造和隐伏含矿岩体的信息，为此开展了地震数值模拟和高精度反射地震研究。地震正演模拟结果为该区金属矿地震数据采集观测系统设计和实际地震资料的解释提供了依据，地震勘探获得的反射地震剖面分辨率高，成像清晰，能够对测区深部地质结构和构造及隐伏岩体进行可靠解释。地震剖面的地质解释得到了钻探验证，证实了深部含矿岩体的存在。该地震探测结果为在矿山寻找深部隐伏矿指提供了线索。

地震勘探 正演模拟 隐伏岩体 构造 钻探验证

Zhou Jian-yong，Xu Ming-cai，Liu Jian-xun，Gao Jing-hua，Wang Xiao-jiang，Zhang Bao-wei. Application of Seismic reflection imaging in the Karatungk Cu－Ni deposit of Xinjiang[J].Geology and Exp loration，2016，52(5):0910－0917.

引言

从20世纪20年代以来，地震勘探技术一直是石油天然气等能源矿产的主要勘探方法。随着科技的进步和勘探技术的发展，地震勘探技术已初步应用在深部金属矿勘探中。

早在六七十年代，苏联就开始了金属矿地震勘探的试验研究，随后，加拿大，南非，澳大利亚等国家开始了金属矿地震方法的研究。地震勘探学者在加拿大地盾区利用地震方法对地下复杂裂缝进行成像，进而来寻找放射性核废物藏址(Green et al.，1983)；在加拿大的FlinFlon矿区还进行了VMS型矿床的3D成像正演模拟研究(Michal et al.，2012)；利用有限差分法对Kristineberg矿区的深部陡倾角构造进行成像模拟(Mahdieh et al.，2012)；运用3D地震勘探技术对南非的West Wits Line矿区和部分West Rand矿区进行了矿产资源评估(Musa et al.，2012)，勘探结果精确度度高，断层成像分辨率高，为后期的矿山勘查提供了地球物理依据。

在国内，有学者在金川龙首矿进行了隐伏铜镍矿体的人工地震CT方法探测实验(赵永贵等，1997)；对金属矿地震勘探综合方法进行了试验研究并对地震勘探的应用前景进行了分析(徐明才，2002；徐明才等，2004)；还进行了散射波地震记录模拟研究(李占业等，2009)；并在铜陵矿区进行了地震散射波模拟成像(尹军杰等，2009)；在庐枞矿集区进行了高分辨率反射地震试验(吕庆田等，2010)；在黑龙江乌拉嘎金矿金矿进行了浅层地震勘探研究(梁光河等，2011)。除此之外，对金属矿的转换波地震勘查技术进行了数值模拟研究(刘建勋等，2012)；还对透射波方法寻找金属矿进行了探讨研究(唐小平等，2012)。另外，还有很多学者对地震方法勘探金属矿产进行了大量的试验和研究(徐明才等，2005，2007，2015；尹军杰等，2005；勾丽敏等，2007；侯贺晟等，2010)。上述金属矿地震实验研究均为本项目地震方法寻找深部金属矿产资源提供了可借鉴的工作经验。

1 矿区地质条件

1.1 矿区构造

矿区处于哈萨克斯坦－准噶尔板块和西伯利亚板块接合部位的准噶尔板块北缘，位于萨尔布拉克－萨色克巴斯陶复向斜的东部(佟铁钢等，2004)，属于构造带边缘。本区地处两大构造单元结合部位，构造活动强烈，主要构造形迹和构造方向以NW、NNW向压扭性断层和褶皱为主，其规模大，延伸长，其次为近EW向压扭性断层与NE向张性断层。NNW向构造明显地切割和叠加在NW向构造线和构造形迹之上。

1.2 矿区地层

矿区地层属北准噶尔地层分区二台地层小区，区内出露地层主要为下石炭统南明水组(C1n)，分为上、中、下三个岩性段。下段出露于矿区西南，为紫色、灰绿色千枚岩化泥板岩夹透镜状薄层灰岩；中段分布于矿区南、北两侧，底部为含砾中粗屑沉凝灰岩，向上渐变为中细屑沉凝灰岩、硅质沉凝灰岩、泥板岩、粉砂质沉凝灰岩；上段位于矿区中部分为上下两层下层以炭质沉凝灰岩为主，以泥岩、泥质板岩为主，地层间呈断层接触关系。测区还分布有以砂岩为主的下第三系古新－始新统红砾山组(E1－2h)地层，第四系全新统(Q4)残坡积层、冲积层主要由粉砂和砾石组成。

1.3 矿区岩浆岩

矿区岩浆活动频繁，主要为华力西早期至燕山期。

华力西期早－中期闪长岩类多呈岩株状，不规则岩枝和岩脉状产出，沿断裂构造侵入。

图1 喀拉通克铜镍矿田地质图与岩体群分布(据秦克章等，2014)Fig.1 Map show ing geology and distribution of rock－body clusters in the Kalatongke CU－Ni ore field(after Qin et al.，2014)

华力西期中－晚期辉长岩类多受MW向断裂构造控制，常呈岩株状。喀拉通克含矿岩体主要为该期岩浆产物，岩体主要侵位于下石炭统的南明水组地层中。

燕山早期斜长花岗岩呈岩脉状、岩株状侵入。主要有斜长花岗岩、花岗斑岩、石英斑岩等。

矿区已发现11个基性岩体如图1，按其产出特征及其与构造的关系，分为南北两个岩带。南岩构造带由Y1、Y2、Y3号岩体组成，其中Y1号岩体北段出露地表，向东南侧伏；Y2号位于Y1岩体东南端，埋深约150m；Y3号岩体埋藏较深，主要埋深在160m～580m之间，为隐伏、半隐伏岩体，是矿区的主要工业矿床。三个岩体的岩相在平、剖面上都具有偏心同心环状分布特点(见图2)，岩相由顶部至底部或由外向内的基性程度逐渐增高，为同源同期产物，岩石的总体基性程度由西向东依次降低和金属硫化物的总体含量依次减少(秦克章等，2014)。

图2 Y3岩体剖面对比图Fig.2 Com parison of rocks along the profile Y3

北岩构造带分布于矿区中部偏北，与南岩带相距400m～600m。

喀拉通克岩体群基性程度整体偏低，缺少典型和稳定的超基性岩相。本次采用高分辨率地震勘探技术，旨在探查深部地质构造，寻找深部隐伏岩体，为矿区圈定新的找矿靶区。

2 工作方法

2.1 观测系统定义

由于金属矿区的地质条件复杂，构造发育，确定正确的观测系统至关重要。在综合矿区现有的地质资料基础上，针对主要的断层和褶皱构造，结合钻孔测得的岩心数据(表1)，建立矿区的简单地质模型，利用数值模拟软件，基于有限差分法的声波方程进行正演模拟。

表1 钻孔的速度和密度参数Table 1 Velocity and density values of a drilling hole

本次模型大小为2000m×1500m，岩层的速度、密度参数如表2所示其中G4和G5为隐伏岩体模型。本次模拟采用的观测系统为：3m道间距，208道接收，接收范围为500m～1121m；本次共模拟58炮，炮距为15m；子波为雷克子波，主频为70Hz；采用的采样间隔为0.5ms，记录长度为1s。激发方式为中间激发，接收排列随着炮点的移动而改变。出。由此得出，在该区利用反射地震勘探技术和合理的地震观测系统，能够有效地探测矿区深部地质构造和隐伏岩体。

表2 模拟岩层的速度和密度参数Table 2 Velocity and density values of simulated rock layers

图3 矿区的地质模型(a)模拟地震剖面(b)Fig.3 Geologicalmodel(a)and simulation Seismic profile(b)in them ine

2.2 数据采集

测区地形起伏不大，在地形隆起地段地表岩石裸露。测区采矿噪声等各种干扰对地震勘探数据采集也有较大的影响。为此，在野外地震数据采集前，首先进行了干扰波的调查和可控震源激发参数、记录仪器参数等一系列试验。通过试验，选取如下采集方法：道间距3m，炮检距为12m，接收道数为1040道，采用中间放炮的激发方式，覆盖次数130次，记录仪器为法国Sercel－428XL有线遥测地震数据采集系统，0.5ms采样，记录长度为4s。检波器为2串3并的35Hz纵波检波器，激发震源为两台Kz－28式大型可控震源，扫描频率为10Hz～110Hz，扫描长度为14s，震源的输出力为75%，叠加次数为2～3次。实施的测线位置如下图4所示：

2.3 数据处理

由于金属矿区的地震地质条件复杂，地表起伏变化较大；火山岩分布广泛，地层连续性差，加上地下结构构造复杂多变，获得的地震记录干扰波较严重，信噪比较低。因此，提高资料的信噪比、做好速度分析和偏移处理和地表静校正工作是本次数据处理的关键。

图5(a)为在该区获得的共炮集记录，该记录上的干扰十分严重，记录信噪比较低。由于记录上的各种干扰复杂，消除这些干扰需采用了频率域的带通滤波、时间域的倾角滤波和强振幅压制具有不同功能的滤波技术组合。在共炮集记录上去噪前后的记录如图5所示。由此看出，经去噪处理后，地震记录上的噪声得到了极大压制，消除了面波的干扰，地震记录的信噪比得到了显著提高。

受测区地形影响，地震记录受地形和低降速带影响较大，静校正处理可消除这些影响。图6表示了静校正前后的炮集记录，由此看出，经折射波静校正处理后，地震记录上的初至波校正明显，地震波的连续性增强，信噪比得到了提高。

在去噪、动校正、剩余动校正和CDP叠加后得到的95线地震叠加剖面如图7(a)所示。该叠加剖面的信噪比和分辨率均较高，深浅层反射波信息丰富，反映的地层和构造等地质现象清晰。对该剖面进行偏移得到的偏移剖面如图7(b)所示，由此看出：经偏移处理后叠加剖面上的绕射波得

矿区的地质模型和模拟地震记录如图3所示：

模拟地震剖面上的不同岩性之间的反射界面清楚，褶皱、断层构造特征明显；隐伏岩体异常特征突到了收敛，倾斜反射界面得到归位，地质构造特征更加明显。

图4 勘探线位置图(测线部分)Fig.4 Locations of prospecting lines(survey section)

图5 去噪处理前(a)后(b)及去除噪声(c)的地震记录Fig.5 Seismic records before denoising(a)，after denoising(b)，and after noise being removed(c)

图6 折射波静校正前(a)后(b)记录Fig.6 Seismic records before(a)and after(b)refraction static correction

图7 95线叠加(a)和偏移剖面(b)Fig.7 Stacked profile(a)and Migration profile(b)of line 95

3 成果应用

图8为经初步解释后的95线地震剖面。在地震剖面浅部，受断裂构造和深部热液岩浆侵入的影响，剖面特征比较复杂。地震剖面上部地层受深部断裂影响整体倾向NE，剖面上除深部断层倾向NE外，其余断层大多倾向SW，且与深部断层相交。在该地震剖面的NE一测，根据地震剖面的波组特征，解释了一个局部向斜构造。

根据地震剖面上的反射特征，在图8所示95线地震剖面上的中上部，解释了岩浆岩体分布范围(虚绿线)。根据反射波的强弱，还解释了A、B、C三个振幅异常，其中标注C的振幅异常尺度最小，振幅较弱，对应于ZK315钻孔附近，由图2所示Y3岩体剖面对比图可知，在钻孔ZK315约550余米处，钻到了铜镍矿体，而在距离该钻孔约100m处的ZK328和ZK329钻孔处，却未钻到铜镍矿体。标注C的振幅异常与图2所示95线地质剖面标注的铜镍矿体位置和深度基本一致。在95线地震剖面上解释的A、B两个振幅异常振幅相对较强，其中振幅异常A埋藏最深，解释为对应深部隐伏岩体的低洼部位。A、B两个振幅异常与图9所示的测区布格重力异常(a)和化极磁力异常垂向一阶导数(b)上的磁异常均具有较好的对应关系，且重、磁、震异常套合较好。推测A、B两个地震异常为基性岩体引起的。

在95地震剖面右侧，还分布有一个无反射透明区，在重力异常图上，该反射区没有明显的剩余重力异常，因此，推测该无反射透明区可能为中性或酸性隐伏岩体。

图8 解释后的95线地震剖面Fig.8 Interpreted Seismic profile of line 95

图9 测区的(a)重力异常(b)极化磁力异常垂向一阶导数Fig.9 Gravity anomalies(a)and vertical first derivative of polarized magnetic anomalies(b)

图10表示了95线地震剖面的浅部部分，在该剖面上标出了已完成钻孔的位置、深度和钻孔揭示的岩体分布，由表1数据可知.含矿化的辉长岩体与围岩的波阻抗差异较大，反射系数约为0.06，所以地震剖面上的强反射与辉长(苏长)岩体对应较好，钻孔揭示的矿体与反射波具有较好的对应关系，但闪长岩岩体与围岩之间的波阻抗差异较小，反射系数仅为0.03，没有形成好的反射波。

设计钻孔位于CDP3386处，已完成钻孔ZK329北东一侧。深部位于推断岩体的较低部位，主要验证深度约1300m处的强反射层。经钻探验证，分别在686m～840m和1060m～1140m之间发现了厚度较大的深部隐伏岩体。该深部隐伏岩体的发现，为在该区寻找深部隐伏金属矿指明了找矿方向。

图10 95线地震剖面(浅层局部部分)Fig.10 Interpreted Seismic profile of line 95(shallow local part)

4 结论

厚覆盖区金属矿地震勘探是一个难度很大的课题，通过本次金属矿地震勘探，可得到以下几点初步认识：

(1)根据矿区地质构造和钻孔资料设计地震地质模型，并进行正演模拟，其模拟结果可为金属矿地震勘探提供依据。

(2)在所得到的地震剖面上，地震记录的信噪比较高，由地震波组特征反映的深部地质构造特征明显。由此表明，本次采用的地震试验方法合理、正确。

(3)对地震勘查结果进行了钻孔验证，验证结果与地震推断结果基本吻合，表明了地震探测结果的可靠性。

(4)高分辨率的反射波地震勘探技术准确的探明喀拉通克矿区深部地质结构和隐伏岩体，为矿区寻找深部隐伏矿体指明了找矿方向。

(5)本次试验结果表明，在厚覆盖区，其它物化探方法探测深度和精度受限的情况下，采用高精度地震方法是可行的。

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Application of Seismic Reflection Imaging in the Karatungk Cu－Ni Deposit of Xinjiang

ZHOU Jian-yong，XU Ming-cai，LIU Jian-xun，GAO Jing-hua，WANG Xiao-jiang，ZHANG Bao-wei
(1.Institute ofGeophysical and Geochemical Exploration CAGS，Langfang，Hebei 065000；2.China University ofGeosciences(Beijing)，Beijing 100083)

The Karatungk Cu－Ni depositmine was built in 1989，which has been exploited for27 years，and is in amoderate crisis at present.For detecting the deep resources of thismine，it is necessary to acquire the information of relevantgeological structures and concealed ore－bearing rock bodies in the subsurface.So we have carried out the seismic numericalmodeling and high－precision reflection seismic profiling in this area.The results of the seismic forward modeling provided a basis for the design of the seismic data acquisition system and interpretation of real seismic data.The seismic profile conducted has a high resolution and clear images，permitting reliable interpretation of the deep geological structure and concealed rock bodies.The interpretation of seismic data has been verified by the drilling，confirming the existence of the ore－containing rock bodiesatdepth.The seismic exploration results offer clues for the further prospecting of deep concealed deposits in thismine area.

seismic exploration，forward modeling，concealed rock，structure，drilling verification

P631.4

A

0495－5331(2016)05－0910－08

2016－04－26；[修改日期]2016－08－30；[责任编辑]陈伟军。

周建勇(1990年－)，男，中国地质大学(北京)与中国地质科学院联合培养在读硕士研究生，地球探测与信息技术专业，主要从事金属矿地震勘探技术学习与研究。E-mail：960783031＠qq.com。