随着我国寻找浅表层金属矿难度的加大，利用地球物理探测技术寻找深部金属矿是当今金属矿勘查的主要任务之一.近几年，国内外利用纵波地震技术在金属矿勘查中开展了不少研究和勘查工作，并取得了一些试验勘查成果(Salisbury et al.，2000;梁光河等，2001;徐明才等，2004;徐明才等，2009吕庆田等，2010;阎頔和敬荣中，2011;Malehmir et al.，2012a，b;White and Malinowski，2012).试验结果表明应用在金属矿勘查中的地震方法是解决覆盖区深部找矿的一种有效探测技术(徐明才等，2009).由于金属矿地震地质条件的复杂性，常规纵波地震方法在解决金属矿勘查中的地质问题时仍存在多解性，为解决金属矿精细勘探中的地质问题，有必要开展三分量地震探测技术试验研究(李庆春等，2007).

目前，三分量地震技术主要应用在能源勘查中(黄中玉，2003；芦俊等，2010)，在国外金属矿勘查中分别见有一篇井中三分量地震(Bellefleur et al.，2004)和一篇地面三分量地震的报道(Snyder et al.，2009)，国内除报道少量有关金属矿地震模型的试验研究外(刘建勋和王小江，2012)，未曾见有三分量金属矿地震试验的报道.三分量地震虽在能源勘探中取得了一定的效果，但仍属于前瞻性、先导性的工作，即使在石油地震勘探中，也有人认为多波多分量地震是有待攻克的最后一块前沿阵地(王光杰等，2000；王建民等，2007).除了金属矿地震记录信噪比低、地震波场复杂和层位识别标定困难外，在应用方面，金属矿三分量地震也不全同于能源三分量地震.

为使地震方法技术更好地应用在金属矿勘查中，解决有关金属矿勘探中的地质问题，我们率先在内蒙古准苏吉花铜钼矿区开展了三分量地震试验研究，并取得了一些研究进展和有关地震属性等方面的一些认识.

研究区地处二连浩特—苏尼特左旗以北的达来庙—乌日尼图地区，构造位置属西伯利亚板块东南大陆边缘早古生代陆缘增生带，达来庙向斜的南翼.研究区褶皱构造形迹不显见，北东向断裂构造为主体，北西向断裂为次一级构造(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 试验区区域地质图 Fig. 1 Regional geological map of the test area

区内出露的地层简单，自下而上有奥陶系中统(O₂b)、石炭系上统(C₃h)和侏罗系上统(J₃b)及第四系地层(Q).

石炭系上统红敖包组碎屑岩段(C₃h)是区内出露较为广泛的地层，上部岩性以变质粉砂岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质长石砂岩、安山玢岩为主.下部地层主要岩性为变质粉砂岩.第四系更新统砾石层(Q)大面积分布在工作区北部一带.

区内岩浆岩分布广泛，出露的岩浆岩有二叠系花岗闪长岩(γδ₄³)和侏罗系黑云母花岗岩(γ₅²).侵入的岩脉有闪长岩脉(δ)和石英脉(q).

二叠系花岗闪长岩体是本区的含矿岩体.岩体中石英脉十分发育，多具钼矿化现象，一般意义上讲，钼矿化石英脉就是矿体.

矿体赋存于近北西向张性断裂内，并切穿闪长脉岩，成矿较晚.矿体围岩以花岗闪长岩为主，局部见变质粉砂岩.

在三分量地震方法技术试验研究过程中，对测区岩矿石进行了弹性参数测试.由于测区地表大多为第四系覆盖，出露的岩石风化严重，因此，试验区岩矿石标本全部来自钻孔岩心(杨文采等，2007).通过对采集到的岩矿石岩心进行密度和波速测试，并进行统计，得到不同岩矿石平均密度、平均纵横波速度及计算得到的转换波平均速度(转换波速度依据计算)如表 1所示.

表 1 (Table 1)

表 1 测区岩矿石密度速度表 Table 1 Density and velocity for rocks and ores in survey area 岩石名称 平均 密度 (g/cm3) 纵波平均 速度 (m/s) 横波平均 速度 (m/s) 纵横波 速度 比值 转换波 平均速度 (m/s) 花岗闪长岩 2.7402 5271.4 2973.7 1.77 3959.20 闪长岩(脉) 2.9094 5566.0 3189.0 1.75 4213.10 变质粉砂岩 2.8003 5576.4 3251.5 1.71 4258.10 矿化花岗 闪长岩 2.8467 5297.5 2769.3 1.91 3830.19 铜钼矿化花岗 闪长岩(矿石) 3.7670 4879.0 2600.0 1.88 3561.66

表 1 测区岩矿石密度速度表 Table 1 Density and velocity for rocks and ores in survey area

由表 1看出，铜钼矿化花岗闪长岩的密度最高，花岗闪长岩的密度最低.作为岩体围岩的变质粉砂岩，其密度略高于花岗闪长岩；在花岗闪长岩岩体内部，闪长岩和矿化花岗闪长岩的密度高于花岗闪长岩；对于不同的矿化花岗闪长岩，铜钼矿化花岗闪长岩(矿石)的密度最高.

作为岩体围岩的变质粉砂岩的纵、横波速度略高于花岗闪长岩岩体；在花岗闪长岩岩体内部，闪长岩(脉)的纵、横波速度高于花岗闪长岩，对于不同的矿化花岗闪长岩，铜钼矿化花岗闪长岩(矿石)的纵、横波速度最低(表 1).就纵、横波速度比值来说，变质粉砂岩最低，闪长岩(脉)次之，矿化花岗闪长岩最高.

根据表 1所示的密度和纵波速度参数，可计算出每种岩矿石的纵波波阻抗Z(Z_p=ρv_p)，利用两种岩矿石的纵波波阻抗，计算出垂直入射条件下的纵波反射系数R(R=)如表 2所示.

表 2 (Table 2)

表 2 纵波反射系数表 Table 2 Longitudinal wave reflection coefficient 岩石名称 花岗 闪长岩 闪长岩 (脉) 变质 粉砂岩 矿化花岗 闪长岩 铜钼矿 化花岗 闪长岩 花岗闪长岩 — 0.0632 0.0450 0.0215 0.1262 闪长岩(脉) -0.0632 — -0.0182 -0.0356 0.0632 变质粉砂岩 -0.0450 0.0182 — -0.0174 0.0813 矿化花岗 闪长岩 -0.0215 0.0356 0.0174 — 0.0986 铜钼矿化花岗 闪长岩(矿石) -0.1262 -0.0632 -0.0813 -0.0986 —

表 2 纵波反射系数表 Table 2 Longitudinal wave reflection coefficient

Salisbury等(2000)人在实验室使用脉冲转换技术对来自加拿大Sudbury等6个矿区典型硅酸盐围岩和块状硫化物矿石进行了速度和密度测量，认为0.06的反射系数足以产生较强的反射信号.从表 2所示的纵波反射系数能够看出：铜钼矿化花岗闪长岩与表中所列其他岩石之间的界面反射系数均大于0.06.因此，铜钼矿化花岗闪长岩岩体(脉)能够产生一定强度的反射波，除此之外，花岗闪长岩与闪长岩(脉)之间的反射系数为0.0632，也具有产生一定强度反射信号的前提.但花岗闪长岩(岩体)与变质粉砂岩(围岩)之间的反射系数只有0.0450，由此推断花岗闪长岩(岩体)与变质粉砂岩(围岩)之间产生的反射信号较弱，这种弱反射信号的幅度往往低于背景噪声，难以被提取出来.

实际上，当地震波以不同的入射角入射到地下波阻抗界面上时，反射系数也会随着入射波入射角的变化而发生相应的变化，通过解Zoepporize方程可研究这种变化.但垂直入射条件下纵波反射系数的强弱对认识试验区地震地质条件及其地震剖面上反射波组的意义仍具有十分重要的意义.

由于在垂直入射条件下不产生转换波，为研究不同岩矿石之间的弹性差异，利用表 1中所示的密度和转换波速度，计算出任意两种岩矿石的转换波波阻抗差(单位：g/cm³·m/s)如表 3所示.

表 3 (Table 3)

表 3 转换波波阻抗差 Table 3 Converted wave impedance difference 岩石名称 花岗 闪长岩 闪长岩 (脉) 变质 粉砂岩 矿化花岗 闪长岩 铜钼矿 化花岗 闪长岩 花岗闪长岩 — 1409 1075 54 2568 闪长岩(脉) -1409 — -334 -1355 1159 变质粉砂岩 -1075 334 — -1021 1493 矿化花岗 闪长岩 -54 1355 1021 — 2514 铜钼矿化花岗 闪长岩(矿石) -2568 -1159 -1493 -2514 —

表 3 转换波波阻抗差 Table 3 Converted wave impedance difference

由表 3可以看出，铜钼矿化花岗闪长岩(矿石)与花岗闪长岩及矿化花岗闪长岩之间的波阻抗差异较大，其余不同岩矿石之间的波阻抗差异较小，波阻抗差异较小的岩矿石之间的界面难以形成可识别的转换波.分析表 2、3看出：就不同岩矿石之间的弹性差异来说，两者有相同之处，也有不同之处.

在金属矿区，三分量地震试验的目的在于探讨利用三分量地震解决金属矿勘查中地质问题的可行性，包括：探测测区控矿构造、隐伏岩体及已发现矿体在地质勘探剖面上的分布特征.

三分量地震试验剖面如图 1所示.在开展试验前，首先进行了干扰波调查、激发、接收及仪器录制因素试验，通过试验选取以下工作方法：道间距15 m、炮间距30 m，最小炮检距30 m，最大炮检距3615 m，60次覆盖，240道采集，炸药震源井中激发，激发井深10 m，药量5 kg；单个28 Hz三分量检波器接收，Sercel 428XL有线遥测数字地震仪器采集、0.5 ms采样、7 s记录长度的工作方法.采用该工作方法得到的三分量地震记录如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 三分量地震记录 Fig. 2 Three-component seismic record

由图 2所示的三分量地震记录看出，纵波震源激发，三分量地震记录中的Z分量反射波能量相对较强，而X、Y分量中的转换波能量相对较弱.三分量记录中的干扰波主要有：折射波、地滚波和折射转换波，这些干扰波能量强，呈线性分布.在Z分量记录中的折射纵波，在X、Y分量记录中能量较弱，但在Z分量记录中的地滚波和折射转换波，在X、Y分量记录中能量较强，表明Z分量记录中的地滚波和折射转换波含有较强的横波成分.三分量地震记录中的纵、横折射波能量较强，对浅层反射波干扰较大.Z分量记录的信噪比相对较高，浅中深层反射波的波组特征比较明显，X和Y分量记录的信噪比相对较低.

对三分量地震记录的处理包括纵波处理和转换波处理，采用的处理软件为McPS V4.0，该软件具有多分量地震数据处理和多波联合反演功能.金属矿纵波处理技术应用的较多，也相对比较成熟.对三分量Z分量数据处理的重点在于静校正、去噪、速度分析和偏移等，经试验，采用的Z分量数据处理流程如图 3所示.利用图 3所示处理流程对纵波地震资料进行处理得到的Z分量地震剖面如图 5a所示.

图 3

Fig. 3

图 3 金属矿三分量Z分量数据处理流程 Fig. 3 Seismic data processing flow of three-component Z component in metal mine

金属矿转换波地震处理技术国内外应用的较少，至今还没有开展过系统的试验研究.对三分量地震资料处理首先要通过置道头字定义观测系统，根据定义的观测系统，检查有无偏炮现象、有无排列置错情况、检查覆盖次数与偏移距等.三分量记录中X和Y分量原始数据的检查同常规P波(或Z分量)的检查完全一致.在此基础上，进行干扰波分析、叠前去噪、地表一致性振幅恢复、球面扩散补偿、地表一致性振幅补偿、精细道编辑、波场分离、静校正、地表一致性反褶积、叠前波场分析去噪、精细速度分析、抽取转换波ACP(Asymptotic Conversion Point渐进转换点)道集及其叠加、径向旋转和偏移等.经试验，采用的金属矿转换波数据处理流程如图 4所示.利用图 4所示处理流程对转换波资料进行处理得到的R分量地震剖面如图 5b所示.

图 4

Fig. 4

图 4 金属矿三分量转换波地震数据处理流程 Fig. 4 Seismic data processing flow of three-component converted wave in metal mine

图 5

Fig. 5

图 5 Z分量(a)和R分量(b)地震剖面 Fig. 5 Seismic profiles of Z component(a)and R component(b)

从图 5可以看出：Z分量剖面上反射波的频率相对较高，R分量剖面上反射波的频率相对较低.在Z分量和R分量地震剖面上出现的主要反射波组在时间上不具有明显的对应关系，表明在R分量剖面上的主要反射波组为真正意义上的转换波，并非Z分量的残余分量.假如在R分量剖面上主要反射波组出现的时间与Z分量剖面上主要反射波组出现的时间一致，则出现在R分量剖面上的反射波有可能不是真正意义上的转换波，而是Z分量的残余分量.

根据图 5所示Z分量和R分量地震剖面上所示地震波组特征，依据下式可计算纵横波速度比值，即：.

由该公式计算图中绿色箭头所示反射波的纵横波速度比值为1.61，蓝色箭头所示反射波的纵横波速度比值为1.75，由此得出：蓝、绿两箭头所指反射波以上地层岩性具有较大差异.根据地面地质和岩性测试结果分析，绿色箭头所示反射波以上的岩性主要以变质粉砂岩为主，而蓝色箭头所示反射波以上的岩性主要以花岗闪长岩为主.由于变质粉砂岩与花岗闪长岩之间的波阻抗差异较小，难以形成可识别的反射波，正如图 5所示的那样，因此，也难以根据Z分量和R分量剖面计算的纵、横波速度比值解释变质粉砂岩和花岗闪长岩的分布.

按照1:1.7横、纵波速度比对图 5所示的R分量剖面进行压缩，并经初步解释后的Z分量剖面和R分量剖面如图 6所示.在图 6所示的地震剖面上，大多反射波组呈水平产状分布.根据该地震剖面上反射波组的特征，倾向NE方向的F2张扭性正断层在剖面深部断层倾向发生了明显改变，即由向NE方向倾斜变为向SW方向倾斜，但断层性质未发生改变.该断层在深部的特征十分清楚，在浅地表由于变质粉砂岩与花岗闪长岩之间的波阻抗差异较弱，对该断层的解释参考了地表地质资料.在矿区，走向NW的F2断层为一控矿断层.

图 6

Fig. 6

图 6 解释后的Z分量(a)和R分量(b)地震剖面 Fig. 6 Z component(a)and R component(b)seismic section after interpretation

对比Z分量剖面和经压缩的R分量剖面后可以看出：在Z分量和R分量剖面上，主要的反射界面具有较好的对应关系，但在Z分量剖面上较弱的反射波组有可能在R分量剖面上对应于较强的反射波组，如图中绿色箭头所示.在Z分量剖面上较强的反射波组有可能在R分量剖面上对应于较弱的反射波组，如图中蓝色箭头所示.此外，在纵波剖面上的一些绕射波在转换波剖面上不太明显，转换波剖面上的波组特征不如纵波剖面上的波组特征明显.

分析图 6还可看到：(1)R分量剖面与对应的Z分量剖面相比在某些细节方面的不一致可能与这两种方法的成像能力及对岩性的敏感程度有关；(2)与Z分量剖面相比，R分量剖面的低频成分更丰富，R分量数据中高频成分缺失不利于改善分辨率，要改善分辨率期望较短的波长(低波速)；(3)PS波的反射率一般弱于对应的PP波反射率，弱反射率会使形成的PS波的信号更弱；(4)与R分量剖面相比，Z分量剖面上的倾斜反射波更加明显.在Z分量剖面上较强的倾斜反射波在R分量剖面上很弱或消失.在Z分量剖面右侧1~1.5 s之间的倾斜反射波有可能为侧反射.两种剖面之间的这种不一致很大程度上可能是由于地下采样(共深度点与共转换点)造成空间位置的差异对Z分量与R分量成像的影响，也可能是由于PS波记录的信噪比低，掩盖了这些倾斜反射波.

在图 6所示Z分量地震剖面上的浅部方框内，有两组类型的反射波，一组为呈水平层状分布的反射波，这类反射波分布在剖面下部和剖面右上方；另一组反射波呈倾斜产状分布，主要分布在与8地质勘探线对应的位置及其8勘探线NE一侧，这组倾斜反射波振幅虽较弱但相干性较好，如图 7a所示.与图 7b所示地质剖面对比后发现，该倾斜反射波为倾斜矿体或石英岩脉产生的反射波或复合反射波，这些反射波出现的时间和深度与8勘探线铜钼矿体(或石英岩脉)的深度相当，由此推断这些倾斜反射波应为铜钼矿体(或石英岩脉)产生的.需要指出的是，地质剖面上揭示的这些铜钼矿体(或石英岩脉)厚度较薄，按照Widess有关薄层的理论，这些与围岩具有一定波阻抗差的薄层能够产生具有一定幅度的反射波，根据该反射波的产状能够确定薄互矿层(或石英岩脉)的存在和产状，但不能确定其厚度.在R分量转换波剖面上，在其对应的位置也有几个振幅较弱的反射波影子，但相干性较差，分析原因可能是在Z分量剖面上该反射波振幅较弱，在R分量剖面上，该界面产生的转换波振幅更弱，以至于该有效信号没有从干扰背景中提取出来.该探测结果与岩矿石弹性参数分析结果一致，即对于大多数岩矿石岩性界面而言，转换波的反射系数小于纵波反射系数.花岗闪长岩(岩体)与变质粉砂岩(围岩)之间的波阻抗差异较小，在Z分量剖面和R分量地震剖面上都没有形成可识别的反射波.在变质粉砂岩内部，岩性相对均匀，难以形成能量较强的反射波.

图 7

Fig. 7

图 7 地震剖面(a)与对应的地质剖面(b) Fig. 7 The seismic profile(a)with the corresponding geological section(b)

根据图 7a所示地震剖面上倾斜矿体或石英岩脉产生倾斜反射波的分布特征，能够推测在地质剖面以外NE一侧，有可能寻找到深部隐伏金属矿体.

本次金属矿三分量地震试验是在对试验区岩矿石物性测试的基础上开展的，该试验获得了纵波和转换波地震信息，并对纵波和转换波进行了去噪和成像，纵波和转换波试验剖面上反映的信息十分丰富，试验取得了较好效果.通过本项目研究，能够得出以下几点结论：

(1)通常情况下，岩石的速度随着密度的增加而增加，但对于铜钼矿化花岗闪长岩(或矿体)来说，岩矿石的速度并不随着密度的增加而增加.

(2)不同岩矿石之间的纵波和转换波弹性差异，既有相同之处，也有不同之处.在金属矿地震勘探中，利用三分量地震可获得更多的信息.

(3)转换波剖面上的主要反射波组与纵波剖面上的主要反射波组具有较好的对应关系.转换波剖面上的波组特征虽不如纵波剖面上的波组特征明显，但在转换波剖面上的信息量却大于纵波剖面.纵波剖面上的绕射波在转换波剖面上反映不明显.

(4)在金属矿区，地质界面与波阻抗界面不一定具有一一对应的关系.地质剖面中的花岗闪长岩(岩体)与变质粉砂岩(围岩)是一个明显的地质界面，但却不是一个明显的波阻抗界面.

(5)根据地震剖面上的反射波组特征，推断在8地质勘探线以外NE一侧，有可能发现新的铜钼矿体.

致 谢 本项目立项和执行过程中，得到了国土资源部国际合作与科学技术司、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所有关领导和专家的大力支持、指导和帮助；在本项目研究过程中，内蒙古自治区第九地质矿产勘查开发院提供了该区有关地质资料；在野外数据采集期间，中石化石油工程地球物理有限公司江汉分公司参与了激发孔钻井施工；北京多分量地震技术研究院对获得的三分量金属矿地震资料进行了试验处理．对上述单位和有关技术专家对本项目的支持和辛勤劳动表示衷心感谢．