金属矿地震勘探方法技术研究进展

张 盼,韩立国,巩向博,张凤蛟,许 卓

吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026

0 引言

随着经济发展对矿产资源的消耗,我国现已探明的浅部矿产资源的可利用量已经接近尾声,大多数矿山的预备储量不足,严重影响矿山的发展。勘探深部矿产资源,开发第二找矿空间对国家经济的发展和我国矿产企业的生产至关重要[1]。目前,虽然地质勘探学家对浅部矿产资源的勘探已经初步形成了以“地、化、物、遥”为主的勘探体系,但是由于隐伏岩体埋藏较深,特别是金属矿体地质条件复杂、矿化干扰大,传统的勘探方法很难清楚探明深部的矿床特征[2]。

深部固体矿产资源和覆盖区找矿面临探测深度大、干扰噪声强、要求精度高和深部成矿规律认识难的挑战[3],现有的非震地球物理勘探技术和方法对金属矿探测在定位精度和分辨率方面仍存在一定不足[4]。地震勘探技术具有穿透深度大、分辨率高等特点,是实现我国深地资源探查目标的必备地球物理技术手段。相对于油气勘探,金属矿等硬岩区地震地质构造复杂、地形起伏剧烈,表层速度变化大,人文环境复杂;结晶岩区内部波阻抗差异小,反射信息弱,而且,金属矿体通常较小,很难产生有效的反射;矿区通常背景干扰严重,信噪比低,不易获得好的反射地震数据。这些原因造成了金属矿地震勘探数据采集过程比油气及煤田更困难,采集到的地震数据往往会受到强烈的背景噪声干扰并显示出独特的反射或散射特征,这也必然导致了金属矿地震数据处理与常规油气及煤田地震数据处理在方法技术上的截然不同之处。

本文首先介绍了人工主动源金属矿地震勘探方法技术的研究进展,然后介绍了当前在金属矿地震勘探中迅速发展的被动源地震干涉技术,以及基于地震干涉法的被动源金属矿地震勘探方法技术的研究进展,最后介绍了主动源与被动源联合勘探方法技术的研究进展。主被动源联合地震勘探方法技术可以充分挖掘和利用多源地震波场携带的地下介质信息,使主动源与被动源地震勘探方法技术达到优势互补,有望突破单类震源数据不完备带来的探测方法上的技术瓶颈,实现深地金属矿产资源的精确有效探测。

1 主动源金属矿地震勘探方法技术研究进展

从震源激发角度来说,地震勘探有两类主要模式,即主动源地震和被动源地震勘探方法。陆地主动源(人工源)地震勘探是一项较为成熟的技术,只是在金属矿等固体矿产资源领域的应用一直处于探索和试验阶段。20世纪90年代以来,国外地球物理学者广泛开展了用地震勘探寻找隐伏金属矿的研究,如加拿大、澳大利亚、美国、英国、南非、瑞典和德国等国家相继开展了反射地震直接探测金属矿试验研究、井中地震成像研究、3D金属矿地震成像研究、散射成像技术研究等,较好地解决了沉积矿产勘查中的地质问题和非沉积矿产勘查中的地质构造、岩性填图、侵入体和蚀变带的圈定、块状硫化物矿体探测等地质问题,取得了一些成功的经验,并在《Geophysics》期刊(2000)以专辑形式介绍了阶段性金属矿地震勘探研究成果[5]。Eaton等就金属矿地震勘探问题进行了评述并编辑出版了著名的《Hardrock Seismic Exploration》[6],成为固体矿产地震勘探的经典文献。美国勘探地球物理学家协会(SEG)在2008年学术年会上设置了专门的矿产资源地震勘探专题,总结研讨了当时金属矿地震勘探的进展和成功的方法和案例,其中最重要的进展是3D地震勘探在金属矿探测中的应用[7-8]。3D地震勘探技术能有效地分析处理金属矿的不规则产状形态、复杂的围岩接触关系和控矿构造所形成的地震地质信息[9](图1)。乌普萨拉大学Juhlin院士和Malehmir教授领导的课题组长期以来一直坚持从事金属矿地震勘探的研究,主编和发表了多个专辑和学术论文。他们组织了20余篇矿产资源地震勘探的专题论文并表于《Geophysics》(2012)[10]。Malehmir等[11]指出了在金属矿及硬岩地区开展地震勘探新理论、新技术和新方法研究的必要性,也期待采用特殊的采集技术降低数据采集成本。欧洲地质学家和工程师学会(EAGE)在《Geophysical Prospecting》(2015)期刊上出版了硬岩地震成像专辑,介绍了国际上一些著名的课题组在固体矿产资源和地热资源领域地震勘探的实例研究进展[12],其中,3D地震成像技术在硬岩环境下的应用效果引起了较大关注。Malehmir等[13]通过芬兰某地深部金属矿的成功勘探特别强调了三维地震勘探的重要性。2018年,在EAGE组织的第二届矿产勘探与开发地球物理学术研讨会上,三维地震勘探在金属矿中的应用也是重要进展之一[14],同时在会上还有专家介绍了被动源地震成像的应用实例[15]。Malehmir等在《Geophysical Prospecting》第1期组织发表了有18篇论文的矿产资源地震勘探专辑,展示了国际上近三年金属矿勘探的新进展,包括地震数据采集、数据处理和解释的一些案例成果和深部高分辨率地震成像、信号识别提取及人工智能应用等新方法新技术[16]。其中,Li等[17]提出一种在地震勘探中识别地质不连续性的绕射成像方法,有助于深部金属矿地震数据的高精度成像。

我国20世纪90年初开始系统开展金属矿反射波法地震勘探的试验研究,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所和吉林大学共同承担了原地矿部“七五”国家科技攻关项目。徐明才等持续开展了多年的金属矿地震勘探生产及研究工作并在其专著《金属矿地震勘探》[18]中系统总结整理了当时国内和该课题组近20 a的工作成果。经过多年的发展,国内已逐步形成多支稳定的金属矿地震勘探研究团队。高锐院士团队利用深地震反射剖面技术对庐枞金属矿集区等进行浅部和深部结构的精细探测,并成功地预测了庐枞铁多金属矿集区龙桥铁矿隐伏矿[19-21]。继孙明等[22]在国内开展了金属矿地震散射波场的理论研究之后,刘学伟教授等坚持研究散射波场特征及散射波金属矿地震勘探,对云南个旧地震数据进行了精细的散射波成像处理[23-24],形成了独具特色的散射地震波法数据采集与成像系统。李庆春教授则对多波地震勘探方法在金属矿勘查中的应用开展了系统的研究,在转换波场模拟、去噪技术及成像方法方面都取得了很好的效果[25-27]。吕庆田教授团队系统开展了金属矿及硬岩地区地震勘探的研究工作,他们从金属矿地震勘探的基本理论和方法技术以及仪器装备等方面都进行了探索研究,先后在庐枞盆地、长江中下游金属矿集区开展了多年的地震反射法金属矿探测试验研究,在深部金属矿资源探测和地质构造研究等方面均已取得了重要进展(图2)[3, 28-29]。吉林大学李桐林与Eaton合作,利用反射地震方法研究新疆土乌斑岩铜矿沉积构造,结果表明地震方法对于浅层、适度倾斜的斑岩铜矿的侧面成像是一个很好的辅助工具,尤其对于矿区钻井前确定深部剖面的结构很有意义[30]。汪杰等[31]对反射地震勘探技术在金属矿勘探中的应用进行了系统分析。韩立国教授团队对深部金属矿波场传播及地震勘探数据特殊处理与解释方法进行了持续研究,发现单一震源主动源地震勘探对固体矿产特别是深部矿产资源的探测存在速度建模精度不高和成像差的现象,探索将被动源地震数据甚至其他地球物理数据作为有效的辅助信息应用于矿产资源及地质构造地震勘探,形成了主动源与被动源联合地震勘探的技术思路和理念[32-39]。他们首次将随机介质和粗糙界面模型引入到金属矿地震勘探中[32],针对金属矿地震数据特点展开了全方位的处理方法研究并进行了实际资料处理[33],研究了面向金属矿探测的地震勘探弹性波多参数全波形反演方法[34]和Marchenko成像新方法新技术[35]。对于主动源地震混合采集勘探方法,分别研究了多种波场分离与记录重建[36]和混合采集数据最优化直接偏移成像处理[37],提高了成像效果和计算效率。于明浩和巩向博等研究了复杂地表相控震源照明特征[38]以及稀疏最小二乘逆时偏移方法[39],较好地解决了小尺度散射金属矿体的成像精度问题(图3)。

深度按照速度4 000 m/s折算。Q. 第四系沉积;K1sh. 下白垩统双庙组火山岩;Jzh. 侏罗系砖桥组火山岩;J. 推断为下中侏罗统碎屑岩沉积(罗岭组或磨山组);T. 推断为三叠系灰岩;Ky1、Ky2(Ky2-1、Ky2-2)、Ky3分别代表白垩纪沉积盆地(红盆)的三层结构。粗实线为断裂;细虚线为岩性界面;ZK64为剖面经过的钻孔位置、编号及柱状图。据文献[28]修编。

a. 背景物理模型成像图;b. 小尺度散射体扰动情况下的莱斯大学逆时偏移成像图;c. 小尺度散射体扰动情况下的稀疏最小二乘逆时偏移成像图。据文献[39]修编。

人工激发主动源地震勘探方法的探测深度大,成像分辨率和精度高,是深部金属矿产资源高精度探测必备的地球物理技术。但复杂的地表地质条件和金属矿体非层状构造使得在地震记录上多表现为散射信息丰富、非层状且连续性较差的同相轴。为了达到高分辨率的成像效果和勘探目标,需要高品质宽频带的原始地震数据。在陆地地震数据采集中,这一点很难达到,实际中需要对采集数据进行各种合理的预处理以达到建模和成像对数据的要求[40]。

2 被动源金属矿地震勘探方法技术研究进展

2.1 被动源地震干涉法

被动源是非常便利、分布广泛、廉价的地震勘探震源,广泛存在于自然界中,特别是在金属矿等硬岩区存在着大量的被动源地震信号,主要来自于天然地震、环境噪声和矿山开采及交通噪声等,这些曾经被认为是干扰噪声的被动源数据通常含有大量与地下介质有关的信息。被动源地震数据处理方法有很多种,其中,背景噪声干涉成像法是被动源金属矿勘探中十分有潜力的数据处理方法。

地震干涉法的思想最初是由Claerbout[41]在1968年提出的,其指出对地表接收的透射波地震记录进行自相关运算,可以得到相当于地表自激自收的地震记录。Rickett[42]指出,为了在互相关之后得到好的重构反射响应,需要进行非常长时间的记录,并且地下需要存在许多空间不相关的白噪声震源。Rickett和Claerbout将相关法推广到多维模型,并将该方法命名为“声日光成像法”[43]。Schuster在2001年的EAGE会议上最早使用了“地震干涉法”这个名词[44],并对被动源地震数据进行虚拟炮记录合成、偏移成像等,取得了较好的效果[45]。

被动源地震干涉法的主要优势是无需知道地下被动源的震源子波、位置以及介质参数信息,就能重构得到类似于主动源地震数据的虚拟炮记录。最早提出和得到发展的为互相关地震干涉法。Wapenaar等[46]基于互易定理推导了瞬态被动源和噪声被动源互相关重构公式,奠定了被动源互相关地震干涉法的数学物理基础。通过互相关干涉法获得准确的格林函数信息要求介质是无损的,且要求检波器获得全方向的均匀能量照明。但在实际情况中,震源照明往往是不均匀的,研究区域的介质往往是非均匀和衰减的,这将大大降低重构格林函数的精度[47]。Xu等[48]利用互相关地震干涉法成功从实际被动源数据中提取出高信噪比的面波和体波响应,通过对面波的频散特性进行反演及对反射波的数据进行处理,进一步推断出地下浅层构造的速度场信息,并对地下地质构造进行成像,与主动源数据的处理结果具有较好的一致性。互相关地震干涉法也可以在线性拉东域进行,计算效率可以得到明显提升,但是射线参数选取需要参考真实模型速度范围[49]。

反褶积和互相干法也是实际应用较多的两种干涉方法。Snieder等[50]将不同楼层接收到的被动源波场进行反褶积运算,估计出反射脉冲响应,克服了互相关重构结果依赖于震源子波的问题。Vasconcelos等[51]用散射理论阐述了反褶积地震干涉法的理论依据。基于互相干的重建算法采用每道记录振幅谱对互相关结果进行归一化,可以压制噪声和降低每道记录振幅差异的影响,由于只采用相位信息,重构响应中消除了震源信号的影响[52]。

多维反褶积方法和稀疏反演重构方法均可以在一定程度上校正震源非均匀分布的影响。Wapenaar等[53]提出了基于多维反褶积的被动源地震干涉法,其可在地下震源分布不均匀的情况下得到好的重构结果,但是需要被动源数据的初至可分离。点扩散函数中携带非规则照明模式信息,从互相关重构结果中反褶积点扩散函数可以校正照明不均匀的影响,从而去除重构结果中的相关假象[54]。Groenestijn等[55]提出了被动源数据稀疏反演重构方法,可在稀疏性假设的条件下重构不含自由表面多次波的被动源虚拟炮记录。程浩等[56]将被动源稀疏反演一次波估计求解问题转化为双凸L1范数约束的最优化求解问题,解决了原始算法中加窗函数的问题,提升了求解的准确性。

近年来,在常规地震干涉法的基础上发展了地震超越干涉法。Broggini等[57]将地震超越干涉法的Marchenko成像引入地球物理领域,其本质是通过虚源点与地表之间的直达波记录和地表反射响应反演得到上下行格林函数;其在被动源地震数据上的应用尚处于探索阶段[58]。

2.2 被动源金属矿地震勘探研究进展

被动源干涉成像方法已在金属矿地震勘探中开展了诸多试验应用。2015年,欧洲地质学家和工程师学会在《Geophysical Prospecting》期刊上出版了硬岩地震成像专辑,介绍了国际上著名的课题组在固体矿产资源和地热资源领域地震勘探的实例研究进展[12]。本期最具有前景和科学意义的论文之一是被动源干涉法地震勘探技术的试验(图4)[59],其在加拿大Lalor矿山4 km2的探测区域通过300 h的被动源地震记录构建了有效的虚拟震源记录,测试了被动源地震干涉法对于结晶岩石环境中矿床的成像能力。Weemstra等[60-61]对多维反褶积地震干涉法的公式进行了改进,并对海底地震仪和金属矿采集到的背景噪声数据进行了成像处理。Panea等[62]对罗马尼亚Mizil区的背景噪声数据通过互相关干涉来重构体波的反射信息(图5)。Nakata等[63]对加州某区观测的背景噪声记录进行地震干涉处理,重构出了潜波,并通过反演地震波的走时来估计三维速度结构。Konstantaki等[64]利用被动源干涉改进非均匀性的成像研究,并指出该方法在一定条件下可取代主动源地震方法。Chamarczuk等[65]开发了干涉成像处理软件,并将地震干涉成像技术用于芬兰3D背景噪声矿产资源探测。Ramm等[66]介绍了背景噪声方法在固体矿产资源勘探中的研究成果。丁超[67]则研究了被动源转换波的成像与道集提取,为多波多震源的背景噪声地震勘探提供了很好的参考。Polychronopoulou等[68]在希腊某矿区利用密集台网记录了局部微地震并进行了干涉法反射地震记录重建与处理。Girard等[69]利用背景噪声直接偏移成像的方法对加拿大某矿区的噪声记录进行处理,其结果与同一地点的主动源偏移剖面吻合。Fang等[70]提出了一种基于频域信号信噪比的被动源面波和体波分离方法,利用互相关干涉重构以及传统处理方法进行地震成像,并对在中国内蒙古自治区某矿区采集的被动源地震数据进行了应用。

a. 主动源三维地震勘探叠加数据切片;b. 被动源地震干涉叠加剖面。I1、J2和K3分别为主动源成像结果中的三组反射,用于与被动源成像结果进行对比;NF代表主动源剖面中没有被被动源重构出的近地表反射信息;NP代表浅部的陡倾斜反射信息。据文献[59]修编。

a—e分别为以东北方向测线第1、6、12、18和24个检波点位置为虚拟源重构的虚拟炮数据。据文献[62]修编。

被动源原始数据经干涉法重构成虚拟反射地震记录后可用于被动源地震勘探,但由于反射信号能量较弱、稳定性差、频率较低等因素的影响,单纯依靠被动源方法提取反射信息并进行金属矿地震勘探,也难以取得预期的高精度高分辨率勘探效果。

3 多源金属矿地震勘探方法技术研究进展

由以上对主动源和被动源金属矿地震勘探方法的分析可知,单类震源激发的数据由于品质和频带等方面的不足制约了地震勘探在深地矿产资源探测中应有的技术优势。因此,主动源与被动源数据的联合应用在一定程度上可以弥补单一主、被动源地震数据的不完备性及勘探方法的技术局限性,从而显著提高深地矿产资源地震勘探的探测精度和分辨率。

主动源和被动源地震数据联合成像进行地震勘探较早地应用于面波勘探[71-73]。Baradello等[74]利用被动源面波地震数据补偿主动源面波地震数据,成功得到了浅部介质的纵横波速度比。李欣欣[75]研究了主动源与被动源瑞利波联合成像方法,使瑞利波成像的精度和深度均得到了提高。Hayashi[76]将主动源和被动源联合面波勘探方法应用于实际数据,成功反演了地下横波速度结构。Adly等[77]将主动源地震数据和被动源面波一维反演联合起来,较好地刻画了开罗的城市近地表结构。Battaglia等[78]将主动源地震数据与被动源数据融合,通过层析成像处理反演了意大利南部的火山分布。Colombero等[79]利用主动源和被动源面波联合成像研究了芬兰Siilinjärvi磷矿。在主动源和被动源体波信息反演与成像方面,Vesnaver等[80]模拟了CO2注入区的三维主动源和被动源地震数据混合采集,并进行了层析成像研究,是利用走时信息进行主动源和被动源联合成像的成功实例。Berkhout和Verschuur提出了一种主动源和被动源混合采集和联合成像的理论框架,在油气勘探开发和CO2存储过程中对主动源与被动源地震信号实施混合采集,将地球介质的弹性动力学过程用统一的公式表达出来,模拟了主动源与被动源地震数据的联合成像[81-82]。Alali等[83]采用多维反褶积方法对油气地震数据的主动源和被动源地震数据进行了融合处理(图6)。Gil等[84]利用主动源和被动源联合勘探方法对瑞典Garpenberg成矿系统进行研究,指出该方法是矿体顶部深度勘探和表征的最佳选择,同时展现了该方法对深部和陡峭矿化带勘探的潜力。韩立国等自2011年起开展各种主动源与被动源地震数据混合采集与联合成像的地震勘探方法研究,包括主动源多震源地震混合采集与成像[36]、多震源被动源地震记录重构和主动源与被动源联合成像[85]等,其主要研究目标是利用纵波主动源地震数据与被动源重构地震记录进行匹配、插值与融合(合并),进而进行稳健的高分辨率全波形反演速度建模,提高地震勘探的成像精度和勘探效果。张盼等[85]研究了主动源数据与背景噪声干涉地震记录双向插值重建与数据融合,得到了虚拟宽频地震数据(图7)。为了得到高精度速度成像效果,张盼等[86-87]利用低频背景噪声数据重构虚拟炮集,开展不依赖震源的全波形反演,获得介质大尺度速度结构,为缺失主动源地震数据全波形反演提供可靠的初始速度模型,主被动源串联联合反演获得了地下介质高精度速度成像。靳中原[35]对主动源、被动源和低频补偿重构的宽频数据进行了Marchenko成像研究,获得了复杂构造基底的精确成像。Zhang等[88]研究了主被动源联合全波形反演方法对金属矿模型构造的成像效果,利用不依赖震源的反演算法避免被动源震源子波估计问题,低频被动源信息可用来为主动源全波形反演提供可靠的初始速度模型,进而有助于获得金属矿体的高精度速度结构成像。Shang等[89]针对被动源分布不均的情况,改进了多维反褶积算法,补偿震源照明不均对地震干涉重构的影响,并在该情况下实现了主动源与被动源的串联全波形反演。

上排为互相关干涉重构结果;中排为点扩散函数;下排为多维反褶积重构结果。据文献[83]修编。

a. 较稀疏炮间距的主动源数据偏移结果;b. 被动源加密一倍的联合数据偏移结果。据文献[85]修编。

总体来看,由于实际背景噪声属性和分布复杂,重构反射记录能量连续性和稳定性较差,并且信号不稳定,体波反射波的主被动源联合勘探当前多出现在理论与方法的探索研究中。

4 结论与展望

深部资源勘查战略是我国面对矿产资源日益贫乏的一项重要举措,通过加深矿产资源的勘探深度以实现对矿产资源的近一步开采和利用。同时,对我国的地质研究表明,我国尚存大量矿产资源有待开发和利用,大体集中在地下深部区域,这也迫切要求我国加强对深部找矿方法的研究,以提升我国矿产资源勘探水平。同发达国家的地质勘探水平相比,我国地质勘探水平还有很大的提升空间,针对矿产勘探的研究有很大的必要性,需要不断加大财力、物力、人力的投入,从而突破现有瓶颈,实现长远进步。

地震勘探由于其穿透深度大、探测精度高等优点,必将成为深部矿产资源勘探的主要地球物理方法。但是,单一主、被动源激发地震波的勘探技术方法在高精度深地资源探测中均受到一定程度的制约,发展主被动源联合的多震源勘探方法技术,有可能突破单类震源数据不完备带来的探测方法上的技术瓶颈,实现深地资源与地下空间的精确有效探测。

金属矿探测的对象主要为复杂的含矿构造、块状岩体或矿体等复杂地质体,这些不同类型的构造和矿体将产生属性特征差异悬殊的地震波场,在记录上表现为离散的、非层状的、有时难以确定可追踪的同相轴。由于经典地震勘探方法都是基于层状介质建立的,对于非层状复杂金属矿介质并不完全适用。因此,基于散射理论的金属矿地震数据处理和解释方法仍然将是未来重要的研究内容。随着勘探目标深度的逐渐增加,地震信号的信噪比将大大降低,需要研究高精度的信噪分离技术。另外,将人工智能方法引入金属矿地震勘探具有极大的应用前景,如研究智能去噪算法、通过深度学习提高记录分辨率、基于深度神经网络的解释方法等。