天然源面波法在膨潤土礦勘查中的應(yīng)用

白燁，邱慶良，曹乃文

吉林省煤田地質(zhì)局 物測隊,長春 130033

0 引言

吉林省內(nèi)膨潤土、硅藻土等非金屬礦儲量極其豐富，這類礦產(chǎn)物性特征常表現(xiàn)為低電阻、低密度及低速度，同時單層礦體厚度有限。沉積成因的膨潤土上下圍巖一般是粉、細砂巖或泥巖，圍巖與礦體間地電特征差異小，在體積效應(yīng)的影響下無法對含礦地層界面有效識別，如果利用反射波地震法勘探這類經(jīng)濟價值較低的礦產(chǎn)，成本上也是難以承受的。綜合以上因素，現(xiàn)階段只能利用淺鉆控制含礦地層的空間展布，在勘探效率和成本上差強人意。近年來隨著火控品管制升級和淺層工程勘探的巨大需求，無需外部震源的天然源面波法在多領(lǐng)域進行了廣泛應(yīng)用[1-4]。例如城市工程勘查上受限于地表施工環(huán)境和強電磁干擾背景，常規(guī)物探方法無法有效開展工作，那么對于采集裝置布設(shè)靈活、無需外部發(fā)射源和對電磁影響不敏感的天然源面波則可高效施工。或者利用反演地層面波速度，約束電磁法反演多解性也是一種有效的手段。鑒于天然源面波法具有獲取地層速度信息的特點，以吉林省長嶺縣金山屯膨潤土礦為例(200 m以淺)，開展了層狀非金屬礦物探方法應(yīng)用的相關(guān)工作，以期為該類礦產(chǎn)的勘探提供更加準確、可靠及經(jīng)濟的物探手段。

1 天然源面波反演方法

1.1 天然源面波法

地球表面時刻都存在一種微弱震動，這種天然產(chǎn)生的震動以前被認為是背景白噪音，其來源主要有兩個方面：一是人類的日?；顒?；二是自然現(xiàn)象，包括海浪對海岸的撞擊、氣壓的變化等。這類震動從波的角度可以分解為體波(縱波和橫波)與面波(瑞利波和勒夫波)，在實際觀測中發(fā)現(xiàn)面波能量一般可以占整個震動能量的70%±。1957年Aki[5]提出利用這種天然震動所引起的面波反演地層橫波速度結(jié)構(gòu)的初始理論;經(jīng)過多年發(fā)展,廣田剛在80年代初提出了“微動勘探法”，相關(guān)概念由王振東于1986年引入國內(nèi)介紹和推廣[6]；北京水電物探研究所劉云幀在此理論基礎(chǔ)上做了大量的實際工作[7]。本次天然源面波數(shù)據(jù)采集及處理相關(guān)軟硬件設(shè)備使用了北京水電物探研究所的WD-1面波采集系統(tǒng)。

利用采集的面波信息反演地層橫波速度的理論基礎(chǔ)是頻散現(xiàn)象[8-9]，其表現(xiàn)為面波速度(群速度)會隨著傳播距離的增大而逐漸減小，實質(zhì)上是由于不同頻率波的相速度隨著傳播距離的增加衰減程度不同，面波能量分布一般僅限于垂向兩倍波長范圍之內(nèi)，因此利用這點建立了速度與深度之間的對應(yīng)關(guān)系，也就間接反演出不同深度地層橫波速度。

1.2 反演方法

由采集的時間域微動數(shù)據(jù)提取頻散曲線主要方法有F-K法和SPAC法，其中SPAC可以擴展為ESPAC法。F-K法是由美國Kapom提出[10]，思路是具有優(yōu)勢能量的頻率波，同樣會反映在對應(yīng)的波數(shù)上，以此建立兩者聯(lián)系。這種算法優(yōu)點是可以分離高階面波，提高反演結(jié)果準確性，缺點是要求的測點數(shù)量要比SPAC法多，當信號源的方向性較復(fù)雜時分辨率會降低。SPAC法是由Aki[5]于1957年提出，優(yōu)點是需要的測點較少，反演的頻率范圍廣，提取的頻散曲線分辨率高，但因為不能剝離高階信息，所以需要假定采集的信號為基階面波，這在反演以高階面波為主要成分的震動時會降低反演準確性。綜合兩種算法的優(yōu)缺點及在實際勘探中的效率，SPAC法的應(yīng)用更多一些[11-12]。

SPAC法中采集數(shù)據(jù)的拾震器布設(shè)方法如圖1所示，設(shè)定微動信號是時間t和位置矢量的函數(shù)，某一時刻的微動信號可看作是平穩(wěn)隨機過程的樣本函數(shù)，那么中心點A(0,0)與圓周上任一點B(ν，θ)的角頻率為ω的面波信號分別為μ1(0,0,ω,t)與μ2(γ,θ,ω，t)，通過兩點信息求取空間自相關(guān)函數(shù)表示為：

(1)

式中：μ為面波信號；ν為圓周上采集點到中心點的距離；θ為方位角；ω為角頻率。如果在一個圓周上布設(shè)了多個測點，那么需要進一步計算空間自相關(guān)函數(shù)的平均值，也就是空間自相關(guān)系數(shù)ρ。

(2)

積分后得：

(3)

1.3 面波的數(shù)據(jù)采集方式

天然源面波數(shù)據(jù)采集一般使用10個拾震器，按照多重嵌套三角形臺陣形態(tài)布設(shè)，如圖1所示，其設(shè)計是綜合考慮了反演算法、信號傳播特征和采集效率。在反演算法上李娜[13]對比了圓形臺陣與其他形狀提取的頻散曲線，證明了相同覆蓋面積時圓形臺陣對多向信號接收的有效性；沈雨憶[14]通過正演方法證明了在同一半徑圓周設(shè)置3個拾震器效率是最高的。因此以不同邊長的三角形形成多重嵌套結(jié)構(gòu)優(yōu)點有以下幾點：①獲得寬頻數(shù)據(jù)；②適應(yīng)震源傳播方向的不確定性；③采集不同波長信號；④提高生產(chǎn)效率。

本次數(shù)據(jù)采集采用嵌套三角形臺陣布設(shè)兩條物探測線，測點間距(圓心間距)40 m，采集裝置使用0.5 Hz檢波器和80 m邊長臺陣(圖1)。

圖1 天然源面波采集臺陣及勘查測線布設(shè)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of natural source surface wave acquisition array and survey line layout

2 區(qū)域地質(zhì)及地球物理特征

2.1 地質(zhì)特征

吉林省長嶺縣膨潤土礦構(gòu)造位置位于松遼盆地西南隆起向中央凹陷過渡帶北緣(圖2)。勘查區(qū)整體被第四系掩蓋，區(qū)內(nèi)高差由北側(cè)181.06 m過度到南側(cè)187.51 m，地勢平坦，適合大面積采集臺陣布設(shè)。區(qū)域地層由老到新分別為前震旦系、石炭—二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。2017年在該區(qū)布設(shè)金1號鉆孔(圖3)，據(jù)鉆孔所揭示含礦地層為新近系大安組，其上部巖性為灰綠、黃綠等色泥巖，下部為灰、灰白、灰黃等色砂巖、含礫砂巖和砂礫巖，組成整體上細下粗的正向韻律層。大安組中共發(fā)育3層膨潤土，分別為：①深度96.55～98.80 m，厚度2.25 m，灰綠色，塊狀結(jié)構(gòu)，土質(zhì)細膩，局部見花斑狀；②深度98.80～118.68 m，厚度19.88 m，灰綠色、灰黑色，近水平層理，底部含有粉砂；③深度127.83～128.88 m，厚度1.05 m，灰黑色，塊狀構(gòu)造，地質(zhì)松軟易碎。三層膨潤土總厚度23.03 m，埋藏深度范圍96.55～127.83 m。該套膨潤土成因是異地火成巖經(jīng)風化剝蝕搬運至該區(qū)域進入堿性水體水解蝕變形成，這類成因膨潤土礦體橫向發(fā)育穩(wěn)定，厚度較大，成分以鈣基膨潤土為主。

圖2 勘查區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.2 Structural location of exploration area

圖3 金1鉆孔錄井及孔旁測深頻散曲線Fig.3 Logging and dispersion curves of Jin 1 and sounding boreholes

表1 勘查區(qū)巖石面波速度(Vc)

2.2 地球物理特征

金1井鉆孔未進行橫波測井，各巖性地球物理特征以孔旁測深結(jié)果作為參考(圖3)，其中方形離散數(shù)據(jù)點為反演的各深度面波速度，實線為各深度段反演的橫波速度。

該區(qū)第四紀地層面波速度(Vc)介于200～380 m/s，下伏粉砂巖層速度較高，Vc約為350～400 m/s，泥巖段則是該區(qū)Vc最低值，約為300～320 m/s，膨潤土層Vc速度相對較高，約為340～380 m/s，大安組細砂巖速度為360～450 m/s，粗砂巖Vc為該區(qū)速度最大，約為430～520 m/s，各巖性面波速度詳情見表1。據(jù)此可以看出膨潤土面波速度與上下圍巖的泥巖及細砂巖具有一定差異，這些特征的具備為開展天然源面波勘探膨潤土礦提供了理論依據(jù)。

3 反演結(jié)果解釋方法

3.1 地層界面識別特征

面波法對地層界面劃分是根據(jù)頻散曲線數(shù)據(jù)點疏密和趨勢變化(Z字形轉(zhuǎn)折)，根據(jù)以往經(jīng)驗，頻散曲線數(shù)據(jù)點的疏密程度反映地層中巖性粒度，數(shù)據(jù)點稀疏表示巖性粒度偏大，數(shù)據(jù)點密集表示粒度較小。如果地層中存在速度突變或軟夾層，頻散曲線會表現(xiàn)為Z字型翻折，經(jīng)過與正演數(shù)據(jù)對比，一般在整個Z字形下部三分之一處劃分為界面[15-16]。

通過分析測區(qū)241個物理點反演結(jié)果，部分測點地層速度變化較明顯，反演的橫波速度變化相較于面波更為劇烈，如2037號測點在50 m深度上面波的變化及2381測點在100 m深度上面波速度出現(xiàn)跳躍(圖4)，這是由地層中存在軟夾層引起的高階面波參與反演。因此在面波法中對地層的劃分時需要參考頻散曲線以下5點特征：①頻散曲線形態(tài)特征；②地層面波速度；③地層橫波速度；④地層深度、厚度；⑤標志層橫向連續(xù)性特征。

圖4 24.0測線測點頻散曲線對照圖Fig.4 Comparison diagrams of 24.0 dispersion curves of measured lines and points

3.2 速度剖面解釋

本次完成了北西走向的24.0線(4.8 km)和北東走向的123.2線(4.8 km)兩條測線(圖5、6)，金1鉆孔位于24.0測線2173測點。

24.0測線面波速度(Vc)總體表現(xiàn)為西低東高的分布特征，西側(cè)地層Vc展布平緩，東側(cè)深度100 m±發(fā)育有多個高速地層圈閉，東部地層Vc表現(xiàn)復(fù)雜是由于中部斷裂構(gòu)造對地層速度結(jié)構(gòu)的影響所致。在垂向上，地層由淺至深Vc由210 m/s增加至440 m/s。在頻散曲線特征上來看，西側(cè)地層速度表現(xiàn)為隨著深度的增加逐漸增大，總體頻散曲線形態(tài)呈一致性，剖面東側(cè)地層速度表現(xiàn)相對復(fù)雜，其中夾有多層低速層。

金1孔鉆遇的膨潤土層對應(yīng)剖面深度70～100 m的一套相對低速地層，隨著向東側(cè)延展地層速度逐漸增大，含礦地層厚度逐漸減薄。

深度70～100 m的高速帶推測為新近系泰康組底界面，該套地層含有大量礫石,因此速度較大，向東側(cè)地層速度逐漸增加并且頻散曲線形態(tài)變化較大，在2233～2241號測點附近，200 m±地層速度出現(xiàn)變化，且頻散曲線形態(tài)與兩側(cè)地層差異較大，推測該位置可能發(fā)育有斷裂構(gòu)造。

123.2剖面Vc由北向南總體表現(xiàn)為高-低-高-低的趨勢(圖6)，由淺至深面波速度Vc介于210～410 m/s。該剖面在北部和中部發(fā)育有兩個高速圈閉層。

123.2測線北部面波速度總體高于南側(cè)，北部深度75～125 m之間的粉砂巖和泥巖互層，面波速度基本為350 m/s±，高于南側(cè)的320 m/s，因此推斷南側(cè)地層泥質(zhì)含量可能略高于北側(cè)。在剖面中與24.0測線交匯處，深度75 m±存在一個高速圈閉，速度約360～380 m/s。在2393～2481號測點75 m±深度同樣存在一個高速層，相比較南側(cè)地層速度展布更為平緩，深度由淺至深速度呈線性增加，受后期構(gòu)造作用較弱?？傮w來看，剖面中發(fā)育有高速圈段整體地層速度較復(fù)雜，含膨潤土地層連續(xù)性較差，某些測點含礦層位不明確。

4 面波法適用條件

天然源面波進行礦產(chǎn)或地下地質(zhì)體勘探需要注意以下幾個問題：①目標邊界的確定；②礦體厚度與深度；③測點周邊干擾。

一個臺陣采集的天然源面波反演的地層速度是該臺陣覆蓋面積之下各深度的地層平均速度，本次勘探目標是沉積型膨潤土礦，礦體以層狀為主，對于橫向邊界精度要求不高，因此方法選擇是適合的，但如果勘探目標是采空區(qū)或孤石一類對其橫向位置精度要求較高時，臺陣面積不宜過大，但隨之產(chǎn)生的問題是勘探深度的減小。天然源面波法分辨率隨著深度的增加也會逐漸降低，因此勘探目標如果深度較大，需要衡量勘探目標的厚度，較薄礦體可能無法有效識別。天然源面波的信號來源前文已有說明，并認為在采集過程中周邊的人為振動也是一種信號源[3]，但在實際采集過程中發(fā)現(xiàn)，距離測點較近且振幅較大的震源，如發(fā)電機或大風天氣下產(chǎn)生的地表震動常常以直達波的形式到達拾震器，因此會嚴重干擾采集數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，降低反演深度，在此建議避免近強源振幅干擾，而不是將其視作有效震源。

5 結(jié)論

(1)天然源面波法在勘探目標與圍巖具有一定速度差時能夠有效的進行識別，但要重點考慮目標地層的厚度和深度，同時在針對橫向精度要求較高的勘探目標時應(yīng)注意控制臺陣大小及測點距，通過本次實驗證明在200 m以淺，針對20 m厚礦床該方法的準確性和可靠性。

(2)利用頻散曲線對地層速度界面識別需要通過頻散曲線的形態(tài)變化(Z字形反轉(zhuǎn))和數(shù)據(jù)點的疏密，并不是單一利用地層的面波速度對地層界面識別和劃分，因此在利用面波速度剖面識別含礦地層應(yīng)綜合參考頻散曲線以下5個特征：①頻散曲線形態(tài)特征；②地層面波速度；③反演地層橫波速度；④地層深度及厚度；⑤標志層橫向連續(xù)性特征。