金屬礦地震勘探方法技術(shù)研究進(jìn)展

張 盼,韓立國(guó),鞏向博,張鳳蛟,許 卓

吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130026

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的消耗,我國(guó)現(xiàn)已探明的淺部礦產(chǎn)資源的可利用量已經(jīng)接近尾聲,大多數(shù)礦山的預(yù)備儲(chǔ)量不足,嚴(yán)重影響礦山的發(fā)展?？碧缴畈康V產(chǎn)資源,開(kāi)發(fā)第二找礦空間對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和我國(guó)礦產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)至關(guān)重要[1]。目前,雖然地質(zhì)勘探學(xué)家對(duì)淺部礦產(chǎn)資源的勘探已經(jīng)初步形成了以“地、化、物、遙”為主的勘探體系,但是由于隱伏巖體埋藏較深,特別是金屬礦體地質(zhì)條件復(fù)雜、礦化干擾大,傳統(tǒng)的勘探方法很難清楚探明深部的礦床特征[2]。

深部固體礦產(chǎn)資源和覆蓋區(qū)找礦面臨探測(cè)深度大、干擾噪聲強(qiáng)、要求精度高和深部成礦規(guī)律認(rèn)識(shí)難的挑戰(zhàn)[3],現(xiàn)有的非震地球物理勘探技術(shù)和方法對(duì)金屬礦探測(cè)在定位精度和分辨率方面仍存在一定不足[4]。地震勘探技術(shù)具有穿透深度大、分辨率高等特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)我國(guó)深地資源探查目標(biāo)的必備地球物理技術(shù)手段。相對(duì)于油氣勘探,金屬礦等硬巖區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地形起伏劇烈,表層速度變化大,人文環(huán)境復(fù)雜;結(jié)晶巖區(qū)內(nèi)部波阻抗差異小,反射信息弱,而且,金屬礦體通常較小,很難產(chǎn)生有效的反射;礦區(qū)通常背景干擾嚴(yán)重,信噪比低,不易獲得好的反射地震數(shù)據(jù)。這些原因造成了金屬礦地震勘探數(shù)據(jù)采集過(guò)程比油氣及煤田更困難,采集到的地震數(shù)據(jù)往往會(huì)受到強(qiáng)烈的背景噪聲干擾并顯示出獨(dú)特的反射或散射特征,這也必然導(dǎo)致了金屬礦地震數(shù)據(jù)處理與常規(guī)油氣及煤田地震數(shù)據(jù)處理在方法技術(shù)上的截然不同之處。

本文首先介紹了人工主動(dòng)源金屬礦地震勘探方法技術(shù)的研究進(jìn)展,然后介紹了當(dāng)前在金屬礦地震勘探中迅速發(fā)展的被動(dòng)源地震干涉技術(shù),以及基于地震干涉法的被動(dòng)源金屬礦地震勘探方法技術(shù)的研究進(jìn)展,最后介紹了主動(dòng)源與被動(dòng)源聯(lián)合勘探方法技術(shù)的研究進(jìn)展。主被動(dòng)源聯(lián)合地震勘探方法技術(shù)可以充分挖掘和利用多源地震波場(chǎng)攜帶的地下介質(zhì)信息,使主動(dòng)源與被動(dòng)源地震勘探方法技術(shù)達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),有望突破單類震源數(shù)據(jù)不完備帶來(lái)的探測(cè)方法上的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)深地金屬礦產(chǎn)資源的精確有效探測(cè)。

1 主動(dòng)源金屬礦地震勘探方法技術(shù)研究進(jìn)展

從震源激發(fā)角度來(lái)說(shuō),地震勘探有兩類主要模式,即主動(dòng)源地震和被動(dòng)源地震勘探方法。陸地主動(dòng)源(人工源)地震勘探是一項(xiàng)較為成熟的技術(shù),只是在金屬礦等固體礦產(chǎn)資源領(lǐng)域的應(yīng)用一直處于探索和試驗(yàn)階段。20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)外地球物理學(xué)者廣泛開(kāi)展了用地震勘探尋找隱伏金屬礦的研究,如加拿大、澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)、南非、瑞典和德國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展了反射地震直接探測(cè)金屬礦試驗(yàn)研究、井中地震成像研究、3D金屬礦地震成像研究、散射成像技術(shù)研究等,較好地解決了沉積礦產(chǎn)勘查中的地質(zhì)問(wèn)題和非沉積礦產(chǎn)勘查中的地質(zhì)構(gòu)造、巖性填圖、侵入體和蝕變帶的圈定、塊狀硫化物礦體探測(cè)等地質(zhì)問(wèn)題,取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn),并在《Geophysics》期刊(2000)以專輯形式介紹了階段性金屬礦地震勘探研究成果[5]。Eaton等就金屬礦地震勘探問(wèn)題進(jìn)行了評(píng)述并編輯出版了著名的《Hardrock Seismic Exploration》[6],成為固體礦產(chǎn)地震勘探的經(jīng)典文獻(xiàn)。美國(guó)勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(huì)(SEG)在2008年學(xué)術(shù)年會(huì)上設(shè)置了專門(mén)的礦產(chǎn)資源地震勘探專題,總結(jié)研討了當(dāng)時(shí)金屬礦地震勘探的進(jìn)展和成功的方法和案例,其中最重要的進(jìn)展是3D地震勘探在金屬礦探測(cè)中的應(yīng)用[7-8]。3D地震勘探技術(shù)能有效地分析處理金屬礦的不規(guī)則產(chǎn)狀形態(tài)、復(fù)雜的圍巖接觸關(guān)系和控礦構(gòu)造所形成的地震地質(zhì)信息[9](圖1)。烏普薩拉大學(xué)Juhlin院士和Malehmir教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組長(zhǎng)期以來(lái)一直堅(jiān)持從事金屬礦地震勘探的研究,主編和發(fā)表了多個(gè)專輯和學(xué)術(shù)論文。他們組織了20余篇礦產(chǎn)資源地震勘探的專題論文并表于《Geophysics》(2012)[10]。Malehmir等[11]指出了在金屬礦及硬巖地區(qū)開(kāi)展地震勘探新理論、新技術(shù)和新方法研究的必要性,也期待采用特殊的采集技術(shù)降低數(shù)據(jù)采集成本。歐洲地質(zhì)學(xué)家和工程師學(xué)會(huì)(EAGE)在《Geophysical Prospecting》(2015)期刊上出版了硬巖地震成像專輯,介紹了國(guó)際上一些著名的課題組在固體礦產(chǎn)資源和地?zé)豳Y源領(lǐng)域地震勘探的實(shí)例研究進(jìn)展[12],其中,3D地震成像技術(shù)在硬巖環(huán)境下的應(yīng)用效果引起了較大關(guān)注。Malehmir等[13]通過(guò)芬蘭某地深部金屬礦的成功勘探特別強(qiáng)調(diào)了三維地震勘探的重要性。2018年,在EAGE組織的第二屆礦產(chǎn)勘探與開(kāi)發(fā)地球物理學(xué)術(shù)研討會(huì)上,三維地震勘探在金屬礦中的應(yīng)用也是重要進(jìn)展之一[14],同時(shí)在會(huì)上還有專家介紹了被動(dòng)源地震成像的應(yīng)用實(shí)例[15]。Malehmir等在《Geophysical Prospecting》第1期組織發(fā)表了有18篇論文的礦產(chǎn)資源地震勘探專輯,展示了國(guó)際上近三年金屬礦勘探的新進(jìn)展,包括地震數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和解釋的一些案例成果和深部高分辨率地震成像、信號(hào)識(shí)別提取及人工智能應(yīng)用等新方法新技術(shù)[16]。其中,Li等[17]提出一種在地震勘探中識(shí)別地質(zhì)不連續(xù)性的繞射成像方法,有助于深部金屬礦地震數(shù)據(jù)的高精度成像。

我國(guó)20世紀(jì)90年初開(kāi)始系統(tǒng)開(kāi)展金屬礦反射波法地震勘探的試驗(yàn)研究,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所和吉林大學(xué)共同承擔(dān)了原地礦部“七五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。徐明才等持續(xù)開(kāi)展了多年的金屬礦地震勘探生產(chǎn)及研究工作并在其專著《金屬礦地震勘探》[18]中系統(tǒng)總結(jié)整理了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)和該課題組近20 a的工作成果。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)已逐步形成多支穩(wěn)定的金屬礦地震勘探研究團(tuán)隊(duì)。高銳院士團(tuán)隊(duì)利用深地震反射剖面技術(shù)對(duì)廬樅金屬礦集區(qū)等進(jìn)行淺部和深部結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測(cè),并成功地預(yù)測(cè)了廬樅鐵多金屬礦集區(qū)龍橋鐵礦隱伏礦[19-21]。繼孫明等[22]在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了金屬礦地震散射波場(chǎng)的理論研究之后,劉學(xué)偉教授等堅(jiān)持研究散射波場(chǎng)特征及散射波金屬礦地震勘探,對(duì)云南個(gè)舊地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)的散射波成像處理[23-24],形成了獨(dú)具特色的散射地震波法數(shù)據(jù)采集與成像系統(tǒng)。李慶春教授則對(duì)多波地震勘探方法在金屬礦勘查中的應(yīng)用開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,在轉(zhuǎn)換波場(chǎng)模擬、去噪技術(shù)及成像方法方面都取得了很好的效果[25-27]。呂慶田教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開(kāi)展了金屬礦及硬巖地區(qū)地震勘探的研究工作,他們從金屬礦地震勘探的基本理論和方法技術(shù)以及儀器裝備等方面都進(jìn)行了探索研究,先后在廬樅盆地、長(zhǎng)江中下游金屬礦集區(qū)開(kāi)展了多年的地震反射法金屬礦探測(cè)試驗(yàn)研究,在深部金屬礦資源探測(cè)和地質(zhì)構(gòu)造研究等方面均已取得了重要進(jìn)展(圖2)[3, 28-29]。吉林大學(xué)李桐林與Eaton合作,利用反射地震方法研究新疆土烏斑巖銅礦沉積構(gòu)造,結(jié)果表明地震方法對(duì)于淺層、適度傾斜的斑巖銅礦的側(cè)面成像是一個(gè)很好的輔助工具,尤其對(duì)于礦區(qū)鉆井前確定深部剖面的結(jié)構(gòu)很有意義[30]。汪杰等[31]對(duì)反射地震勘探技術(shù)在金屬礦勘探中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)分析。韓立國(guó)教授團(tuán)隊(duì)對(duì)深部金屬礦波場(chǎng)傳播及地震勘探數(shù)據(jù)特殊處理與解釋方法進(jìn)行了持續(xù)研究,發(fā)現(xiàn)單一震源主動(dòng)源地震勘探對(duì)固體礦產(chǎn)特別是深部礦產(chǎn)資源的探測(cè)存在速度建模精度不高和成像差的現(xiàn)象,探索將被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)甚至其他地球物理數(shù)據(jù)作為有效的輔助信息應(yīng)用于礦產(chǎn)資源及地質(zhì)構(gòu)造地震勘探,形成了主動(dòng)源與被動(dòng)源聯(lián)合地震勘探的技術(shù)思路和理念[32-39]。他們首次將隨機(jī)介質(zhì)和粗糙界面模型引入到金屬礦地震勘探中[32],針對(duì)金屬礦地震數(shù)據(jù)特點(diǎn)展開(kāi)了全方位的處理方法研究并進(jìn)行了實(shí)際資料處理[33],研究了面向金屬礦探測(cè)的地震勘探彈性波多參數(shù)全波形反演方法[34]和Marchenko成像新方法新技術(shù)[35]。對(duì)于主動(dòng)源地震混合采集勘探方法,分別研究了多種波場(chǎng)分離與記錄重建[36]和混合采集數(shù)據(jù)最優(yōu)化直接偏移成像處理[37],提高了成像效果和計(jì)算效率。于明浩和鞏向博等研究了復(fù)雜地表相控震源照明特征[38]以及稀疏最小二乘逆時(shí)偏移方法[39],較好地解決了小尺度散射金屬礦體的成像精度問(wèn)題(圖3)。

深度按照速度4 000 m/s折算。Q. 第四系沉積;K1sh. 下白堊統(tǒng)雙廟組火山巖;Jzh. 侏羅系磚橋組火山巖;J. 推斷為下中侏羅統(tǒng)碎屑巖沉積(羅嶺組或磨山組);T. 推斷為三疊系灰?guī)r;Ky1、Ky2(Ky2-1、Ky2-2)、Ky3分別代表白堊紀(jì)沉積盆地(紅盆)的三層結(jié)構(gòu)。粗實(shí)線為斷裂;細(xì)虛線為巖性界面;ZK64為剖面經(jīng)過(guò)的鉆孔位置、編號(hào)及柱狀圖。據(jù)文獻(xiàn)[28]修編。

a. 背景物理模型成像圖;b. 小尺度散射體擾動(dòng)情況下的萊斯大學(xué)逆時(shí)偏移成像圖;c. 小尺度散射體擾動(dòng)情況下的稀疏最小二乘逆時(shí)偏移成像圖。據(jù)文獻(xiàn)[39]修編。

人工激發(fā)主動(dòng)源地震勘探方法的探測(cè)深度大,成像分辨率和精度高,是深部金屬礦產(chǎn)資源高精度探測(cè)必備的地球物理技術(shù)。但復(fù)雜的地表地質(zhì)條件和金屬礦體非層狀構(gòu)造使得在地震記錄上多表現(xiàn)為散射信息豐富、非層狀且連續(xù)性較差的同相軸。為了達(dá)到高分辨率的成像效果和勘探目標(biāo),需要高品質(zhì)寬頻帶的原始地震數(shù)據(jù)。在陸地地震數(shù)據(jù)采集中,這一點(diǎn)很難達(dá)到,實(shí)際中需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行各種合理的預(yù)處理以達(dá)到建模和成像對(duì)數(shù)據(jù)的要求[40]。

2 被動(dòng)源金屬礦地震勘探方法技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 被動(dòng)源地震干涉法

被動(dòng)源是非常便利、分布廣泛、廉價(jià)的地震勘探震源,廣泛存在于自然界中,特別是在金屬礦等硬巖區(qū)存在著大量的被動(dòng)源地震信號(hào),主要來(lái)自于天然地震、環(huán)境噪聲和礦山開(kāi)采及交通噪聲等,這些曾經(jīng)被認(rèn)為是干擾噪聲的被動(dòng)源數(shù)據(jù)通常含有大量與地下介質(zhì)有關(guān)的信息。被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)處理方法有很多種,其中,背景噪聲干涉成像法是被動(dòng)源金屬礦勘探中十分有潛力的數(shù)據(jù)處理方法。

地震干涉法的思想最初是由Claerbout[41]在1968年提出的,其指出對(duì)地表接收的透射波地震記錄進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算,可以得到相當(dāng)于地表自激自收的地震記錄。Rickett[42]指出,為了在互相關(guān)之后得到好的重構(gòu)反射響應(yīng),需要進(jìn)行非常長(zhǎng)時(shí)間的記錄,并且地下需要存在許多空間不相關(guān)的白噪聲震源。Rickett和Claerbout將相關(guān)法推廣到多維模型,并將該方法命名為“聲日光成像法”[43]。Schuster在2001年的EAGE會(huì)議上最早使用了“地震干涉法”這個(gè)名詞[44],并對(duì)被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬炮記錄合成、偏移成像等,取得了較好的效果[45]。

被動(dòng)源地震干涉法的主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)需知道地下被動(dòng)源的震源子波、位置以及介質(zhì)參數(shù)信息,就能重構(gòu)得到類似于主動(dòng)源地震數(shù)據(jù)的虛擬炮記錄。最早提出和得到發(fā)展的為互相關(guān)地震干涉法。Wapenaar等[46]基于互易定理推導(dǎo)了瞬態(tài)被動(dòng)源和噪聲被動(dòng)源互相關(guān)重構(gòu)公式,奠定了被動(dòng)源互相關(guān)地震干涉法的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)。通過(guò)互相關(guān)干涉法獲得準(zhǔn)確的格林函數(shù)信息要求介質(zhì)是無(wú)損的,且要求檢波器獲得全方向的均勻能量照明。但在實(shí)際情況中,震源照明往往是不均勻的,研究區(qū)域的介質(zhì)往往是非均勻和衰減的,這將大大降低重構(gòu)格林函數(shù)的精度[47]。Xu等[48]利用互相關(guān)地震干涉法成功從實(shí)際被動(dòng)源數(shù)據(jù)中提取出高信噪比的面波和體波響應(yīng),通過(guò)對(duì)面波的頻散特性進(jìn)行反演及對(duì)反射波的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)一步推斷出地下淺層構(gòu)造的速度場(chǎng)信息,并對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行成像,與主動(dòng)源數(shù)據(jù)的處理結(jié)果具有較好的一致性?；ハ嚓P(guān)地震干涉法也可以在線性拉東域進(jìn)行,計(jì)算效率可以得到明顯提升,但是射線參數(shù)選取需要參考真實(shí)模型速度范圍[49]。

反褶積和互相干法也是實(shí)際應(yīng)用較多的兩種干涉方法。Snieder等[50]將不同樓層接收到的被動(dòng)源波場(chǎng)進(jìn)行反褶積運(yùn)算,估計(jì)出反射脈沖響應(yīng),克服了互相關(guān)重構(gòu)結(jié)果依賴于震源子波的問(wèn)題。Vasconcelos等[51]用散射理論闡述了反褶積地震干涉法的理論依據(jù)?；诨ハ喔傻闹亟ㄋ惴ú捎妹康烙涗浾穹V對(duì)互相關(guān)結(jié)果進(jìn)行歸一化,可以壓制噪聲和降低每道記錄振幅差異的影響,由于只采用相位信息,重構(gòu)響應(yīng)中消除了震源信號(hào)的影響[52]。

多維反褶積方法和稀疏反演重構(gòu)方法均可以在一定程度上校正震源非均勻分布的影響。Wapenaar等[53]提出了基于多維反褶積的被動(dòng)源地震干涉法,其可在地下震源分布不均勻的情況下得到好的重構(gòu)結(jié)果,但是需要被動(dòng)源數(shù)據(jù)的初至可分離。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)中攜帶非規(guī)則照明模式信息,從互相關(guān)重構(gòu)結(jié)果中反褶積點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以校正照明不均勻的影響,從而去除重構(gòu)結(jié)果中的相關(guān)假象[54]。Groenestijn等[55]提出了被動(dòng)源數(shù)據(jù)稀疏反演重構(gòu)方法,可在稀疏性假設(shè)的條件下重構(gòu)不含自由表面多次波的被動(dòng)源虛擬炮記錄。程浩等[56]將被動(dòng)源稀疏反演一次波估計(jì)求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為雙凸L1范數(shù)約束的最優(yōu)化求解問(wèn)題,解決了原始算法中加窗函數(shù)的問(wèn)題,提升了求解的準(zhǔn)確性。

近年來(lái),在常規(guī)地震干涉法的基礎(chǔ)上發(fā)展了地震超越干涉法。Broggini等[57]將地震超越干涉法的Marchenko成像引入地球物理領(lǐng)域,其本質(zhì)是通過(guò)虛源點(diǎn)與地表之間的直達(dá)波記錄和地表反射響應(yīng)反演得到上下行格林函數(shù);其在被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)上的應(yīng)用尚處于探索階段[58]。

2.2 被動(dòng)源金屬礦地震勘探研究進(jìn)展

被動(dòng)源干涉成像方法已在金屬礦地震勘探中開(kāi)展了諸多試驗(yàn)應(yīng)用。2015年,歐洲地質(zhì)學(xué)家和工程師學(xué)會(huì)在《Geophysical Prospecting》期刊上出版了硬巖地震成像專輯,介紹了國(guó)際上著名的課題組在固體礦產(chǎn)資源和地?zé)豳Y源領(lǐng)域地震勘探的實(shí)例研究進(jìn)展[12]。本期最具有前景和科學(xué)意義的論文之一是被動(dòng)源干涉法地震勘探技術(shù)的試驗(yàn)(圖4)[59],其在加拿大Lalor礦山4 km2的探測(cè)區(qū)域通過(guò)300 h的被動(dòng)源地震記錄構(gòu)建了有效的虛擬震源記錄,測(cè)試了被動(dòng)源地震干涉法對(duì)于結(jié)晶巖石環(huán)境中礦床的成像能力。Weemstra等[60-61]對(duì)多維反褶積地震干涉法的公式進(jìn)行了改進(jìn),并對(duì)海底地震儀和金屬礦采集到的背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像處理。Panea等[62]對(duì)羅馬尼亞Mizil區(qū)的背景噪聲數(shù)據(jù)通過(guò)互相關(guān)干涉來(lái)重構(gòu)體波的反射信息(圖5)。Nakata等[63]對(duì)加州某區(qū)觀測(cè)的背景噪聲記錄進(jìn)行地震干涉處理,重構(gòu)出了潛波,并通過(guò)反演地震波的走時(shí)來(lái)估計(jì)三維速度結(jié)構(gòu)。Konstantaki等[64]利用被動(dòng)源干涉改進(jìn)非均勻性的成像研究,并指出該方法在一定條件下可取代主動(dòng)源地震方法。Chamarczuk等[65]開(kāi)發(fā)了干涉成像處理軟件,并將地震干涉成像技術(shù)用于芬蘭3D背景噪聲礦產(chǎn)資源探測(cè)。Ramm等[66]介紹了背景噪聲方法在固體礦產(chǎn)資源勘探中的研究成果。丁超[67]則研究了被動(dòng)源轉(zhuǎn)換波的成像與道集提取,為多波多震源的背景噪聲地震勘探提供了很好的參考。Polychronopoulou等[68]在希臘某礦區(qū)利用密集臺(tái)網(wǎng)記錄了局部微地震并進(jìn)行了干涉法反射地震記錄重建與處理。Girard等[69]利用背景噪聲直接偏移成像的方法對(duì)加拿大某礦區(qū)的噪聲記錄進(jìn)行處理,其結(jié)果與同一地點(diǎn)的主動(dòng)源偏移剖面吻合。Fang等[70]提出了一種基于頻域信號(hào)信噪比的被動(dòng)源面波和體波分離方法,利用互相關(guān)干涉重構(gòu)以及傳統(tǒng)處理方法進(jìn)行地震成像,并對(duì)在中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)某礦區(qū)采集的被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用。

a. 主動(dòng)源三維地震勘探疊加數(shù)據(jù)切片;b. 被動(dòng)源地震干涉疊加剖面。I1、J2和K3分別為主動(dòng)源成像結(jié)果中的三組反射,用于與被動(dòng)源成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比;NF代表主動(dòng)源剖面中沒(méi)有被被動(dòng)源重構(gòu)出的近地表反射信息;NP代表淺部的陡傾斜反射信息。據(jù)文獻(xiàn)[59]修編。

a—e分別為以東北方向測(cè)線第1、6、12、18和24個(gè)檢波點(diǎn)位置為虛擬源重構(gòu)的虛擬炮數(shù)據(jù)。據(jù)文獻(xiàn)[62]修編。

被動(dòng)源原始數(shù)據(jù)經(jīng)干涉法重構(gòu)成虛擬反射地震記錄后可用于被動(dòng)源地震勘探,但由于反射信號(hào)能量較弱、穩(wěn)定性差、頻率較低等因素的影響,單純依靠被動(dòng)源方法提取反射信息并進(jìn)行金屬礦地震勘探,也難以取得預(yù)期的高精度高分辨率勘探效果。

3 多源金屬礦地震勘探方法技術(shù)研究進(jìn)展

由以上對(duì)主動(dòng)源和被動(dòng)源金屬礦地震勘探方法的分析可知,單類震源激發(fā)的數(shù)據(jù)由于品質(zhì)和頻帶等方面的不足制約了地震勘探在深地礦產(chǎn)資源探測(cè)中應(yīng)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此,主動(dòng)源與被動(dòng)源數(shù)據(jù)的聯(lián)合應(yīng)用在一定程度上可以彌補(bǔ)單一主、被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)的不完備性及勘探方法的技術(shù)局限性,從而顯著提高深地礦產(chǎn)資源地震勘探的探測(cè)精度和分辨率。

主動(dòng)源和被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)聯(lián)合成像進(jìn)行地震勘探較早地應(yīng)用于面波勘探[71-73]。Baradello等[74]利用被動(dòng)源面波地震數(shù)據(jù)補(bǔ)償主動(dòng)源面波地震數(shù)據(jù),成功得到了淺部介質(zhì)的縱橫波速度比。李欣欣[75]研究了主動(dòng)源與被動(dòng)源瑞利波聯(lián)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]將主動(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合面波勘探方法應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù),成功反演了地下橫波速度結(jié)構(gòu)。Adly等[77]將主動(dòng)源地震數(shù)據(jù)和被動(dòng)源面波一維反演聯(lián)合起來(lái),較好地刻畫(huà)了開(kāi)羅的城市近地表結(jié)構(gòu)。Battaglia等[78]將主動(dòng)源地震數(shù)據(jù)與被動(dòng)源數(shù)據(jù)融合,通過(guò)層析成像處理反演了意大利南部的火山分布。Colombero等[79]利用主動(dòng)源和被動(dòng)源面波聯(lián)合成像研究了芬蘭Siilinj?rvi磷礦。在主動(dòng)源和被動(dòng)源體波信息反演與成像方面,Vesnaver等[80]模擬了CO2注入?yún)^(qū)的三維主動(dòng)源和被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)混合采集,并進(jìn)行了層析成像研究,是利用走時(shí)信息進(jìn)行主動(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合成像的成功實(shí)例。Berkhout和Verschuur提出了一種主動(dòng)源和被動(dòng)源混合采集和聯(lián)合成像的理論框架,在油氣勘探開(kāi)發(fā)和CO2存儲(chǔ)過(guò)程中對(duì)主動(dòng)源與被動(dòng)源地震信號(hào)實(shí)施混合采集,將地球介質(zhì)的彈性動(dòng)力學(xué)過(guò)程用統(tǒng)一的公式表達(dá)出來(lái),模擬了主動(dòng)源與被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合成像[81-82]。Alali等[83]采用多維反褶積方法對(duì)油氣地震數(shù)據(jù)的主動(dòng)源和被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合處理(圖6)。Gil等[84]利用主動(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合勘探方法對(duì)瑞典Garpenberg成礦系統(tǒng)進(jìn)行研究,指出該方法是礦體頂部深度勘探和表征的最佳選擇,同時(shí)展現(xiàn)了該方法對(duì)深部和陡峭礦化帶勘探的潛力。韓立國(guó)等自2011年起開(kāi)展各種主動(dòng)源與被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)混合采集與聯(lián)合成像的地震勘探方法研究,包括主動(dòng)源多震源地震混合采集與成像[36]、多震源被動(dòng)源地震記錄重構(gòu)和主動(dòng)源與被動(dòng)源聯(lián)合成像[85]等,其主要研究目標(biāo)是利用縱波主動(dòng)源地震數(shù)據(jù)與被動(dòng)源重構(gòu)地震記錄進(jìn)行匹配、插值與融合(合并),進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)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。張盼等[85]研究了主動(dòng)源數(shù)據(jù)與背景噪聲干涉地震記錄雙向插值重建與數(shù)據(jù)融合,得到了虛擬寬頻地震數(shù)據(jù)(圖7)。為了得到高精度速度成像效果,張盼等[86-87]利用低頻背景噪聲數(shù)據(jù)重構(gòu)虛擬炮集,開(kāi)展不依賴震源的全波形反演,獲得介質(zhì)大尺度速度結(jié)構(gòu),為缺失主動(dòng)源地震數(shù)據(jù)全波形反演提供可靠的初始速度模型,主被動(dòng)源串聯(lián)聯(lián)合反演獲得了地下介質(zhì)高精度速度成像。靳中原[35]對(duì)主動(dòng)源、被動(dòng)源和低頻補(bǔ)償重構(gòu)的寬頻數(shù)據(jù)進(jìn)行了Marchenko成像研究,獲得了復(fù)雜構(gòu)造基底的精確成像。Zhang等[88]研究了主被動(dòng)源聯(lián)合全波形反演方法對(duì)金屬礦模型構(gòu)造的成像效果,利用不依賴震源的反演算法避免被動(dòng)源震源子波估計(jì)問(wèn)題,低頻被動(dòng)源信息可用來(lái)為主動(dòng)源全波形反演提供可靠的初始速度模型,進(jìn)而有助于獲得金屬礦體的高精度速度結(jié)構(gòu)成像。Shang等[89]針對(duì)被動(dòng)源分布不均的情況,改進(jìn)了多維反褶積算法,補(bǔ)償震源照明不均對(duì)地震干涉重構(gòu)的影響,并在該情況下實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)源與被動(dòng)源的串聯(lián)全波形反演。

上排為互相關(guān)干涉重構(gòu)結(jié)果;中排為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù);下排為多維反褶積重構(gòu)結(jié)果。據(jù)文獻(xiàn)[83]修編。

a. 較稀疏炮間距的主動(dòng)源數(shù)據(jù)偏移結(jié)果;b. 被動(dòng)源加密一倍的聯(lián)合數(shù)據(jù)偏移結(jié)果。據(jù)文獻(xiàn)[85]修編。

總體來(lái)看,由于實(shí)際背景噪聲屬性和分布復(fù)雜,重構(gòu)反射記錄能量連續(xù)性和穩(wěn)定性較差,并且信號(hào)不穩(wěn)定,體波反射波的主被動(dòng)源聯(lián)合勘探當(dāng)前多出現(xiàn)在理論與方法的探索研究中。

4 結(jié)論與展望

深部資源勘查戰(zhàn)略是我國(guó)面對(duì)礦產(chǎn)資源日益貧乏的一項(xiàng)重要舉措,通過(guò)加深礦產(chǎn)資源的勘探深度以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)資源的近一步開(kāi)采和利用。同時(shí),對(duì)我國(guó)的地質(zhì)研究表明,我國(guó)尚存大量礦產(chǎn)資源有待開(kāi)發(fā)和利用,大體集中在地下深部區(qū)域,這也迫切要求我國(guó)加強(qiáng)對(duì)深部找礦方法的研究,以提升我國(guó)礦產(chǎn)資源勘探水平。同發(fā)達(dá)國(guó)家的地質(zhì)勘探水平相比,我國(guó)地質(zhì)勘探水平還有很大的提升空間,針對(duì)礦產(chǎn)勘探的研究有很大的必要性,需要不斷加大財(cái)力、物力、人力的投入,從而突破現(xiàn)有瓶頸,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)進(jìn)步。

地震勘探由于其穿透深度大、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn),必將成為深部礦產(chǎn)資源勘探的主要地球物理方法。但是,單一主、被動(dòng)源激發(fā)地震波的勘探技術(shù)方法在高精度深地資源探測(cè)中均受到一定程度的制約,發(fā)展主被動(dòng)源聯(lián)合的多震源勘探方法技術(shù),有可能突破單類震源數(shù)據(jù)不完備帶來(lái)的探測(cè)方法上的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)深地資源與地下空間的精確有效探測(cè)。

金屬礦探測(cè)的對(duì)象主要為復(fù)雜的含礦構(gòu)造、塊狀巖體或礦體等復(fù)雜地質(zhì)體,這些不同類型的構(gòu)造和礦體將產(chǎn)生屬性特征差異懸殊的地震波場(chǎng),在記錄上表現(xiàn)為離散的、非層狀的、有時(shí)難以確定可追蹤的同相軸。由于經(jīng)典地震勘探方法都是基于層狀介質(zhì)建立的,對(duì)于非層狀復(fù)雜金屬礦介質(zhì)并不完全適用。因此,基于散射理論的金屬礦地震數(shù)據(jù)處理和解釋方法仍然將是未來(lái)重要的研究?jī)?nèi)容。隨著勘探目標(biāo)深度的逐漸增加,地震信號(hào)的信噪比將大大降低,需要研究高精度的信噪分離技術(shù)。另外,將人工智能方法引入金屬礦地震勘探具有極大的應(yīng)用前景,如研究智能去噪算法、通過(guò)深度學(xué)習(xí)提高記錄分辨率、基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解釋方法等。