徐明才，柴銘濤，高景華

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊 065000)

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內(nèi)蒙古準(zhǔn)蘇吉花礦區(qū)巖礦石物性與地震波組特征研究

徐明才，柴銘濤，高景華

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊 065000)

在金屬礦地震勘探中，巖礦石彈性參數(shù)尤為重要。為更好地開展金屬礦地震方法技術(shù)試驗(yàn)研究，本文對(duì)內(nèi)蒙古準(zhǔn)蘇吉花礦區(qū)的鉆孔巖心標(biāo)本進(jìn)行了密度和速度測(cè)試，在此基礎(chǔ)上，開展了金屬礦地震方法試驗(yàn)。根據(jù)獲得的試驗(yàn)區(qū)巖礦石彈性參數(shù)測(cè)試結(jié)果，討論了不同巖礦石的反射系數(shù)和速度與密度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：花崗閃長巖(巖體)與變質(zhì)粉砂巖(圍巖)之間的反射系數(shù)較弱，不足以產(chǎn)生能夠識(shí)別的反射信號(hào)。在花崗閃長巖(巖體)內(nèi)部，閃長巖(脈)、礦化花崗閃長巖、銅鉬礦體與花崗閃長巖之間具有較強(qiáng)的反射系數(shù)，能夠產(chǎn)生可識(shí)別的反射波。銅鉬礦化花崗閃長巖的密度較高，速度較低，表明在金屬礦區(qū)，礦石的速度并不一定隨密度的增加而增加。利用所獲得巖礦石彈性參數(shù)和地質(zhì)資料，對(duì)獲得的試驗(yàn)地震剖面進(jìn)行了解釋，根據(jù)L2試驗(yàn)剖面上的地震波組特征，認(rèn)為在該剖面以外NE一側(cè)，有可能尋找到深部隱伏金屬礦。

巖礦石 密度 速度 反射系數(shù) 隱伏金屬礦 準(zhǔn)蘇吉花礦區(qū) 內(nèi)蒙古

Xu Ming-cai, Chai Ming-tao, Gao Jing-hua. Characteristics of seismic waves and physical properties of rocks and minerals in the Zhunsujihua mine of Inner Mongolia[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(6):1168-1174.

0 前言

近年來，國內(nèi)外金屬礦地震雖開展了不少研究和勘查工作，并取得了一些試驗(yàn)勘查成果(徐明才等，2009,2004；Milkereitetal.,2000；Whiteetal.,2000;Pretoriusetal.,2000；梁光河等，2001；Eatonetal.,2003；呂慶田等，2010；閻頔等，2011)，在有關(guān)巖礦石彈性參數(shù)的測(cè)試方面，國外在一些金屬礦區(qū)開展了相應(yīng)的測(cè)試研究工作(Salisburyetal.,2000，籍同冰等，1995)，而國內(nèi)在這方面開展的研究還很不夠(孫明等， 2003),妨礙了金屬礦地震勘查技術(shù)的深入應(yīng)用。為了更好地開展金屬礦地震方法試驗(yàn)，正確部署地震勘查工作和解釋金屬礦地震的勘探結(jié)果,必須系統(tǒng)地測(cè)量和研究測(cè)區(qū)的巖(礦)石的彈性性質(zhì)。為此，我們?cè)趦?nèi)蒙古準(zhǔn)蘇吉花礦區(qū)開展了巖礦石物性測(cè)試和地震方法的試驗(yàn)研究，并取得了一些與有關(guān)金屬礦巖礦石彈性參數(shù)和地震屬性等方面的一些認(rèn)識(shí)。

1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)地處二連浩特-蘇尼特左旗以北的達(dá)來廟-烏日尼圖地區(qū)，構(gòu)造位置屬西伯利亞板塊東南大陸邊緣早古生代陸緣增生帶，達(dá)來廟向斜的南翼(馮曉曦等，2013)。研究區(qū)褶皺構(gòu)造形跡不顯見，以北東向斷裂構(gòu)造為主體，北西向斷裂為次一級(jí)構(gòu)造。由于巖漿的侵入，接觸帶比較發(fā)育(圖1)。

區(qū)內(nèi)出露的地層簡單，自下而上有奧陶系中統(tǒng)(O2b)、石炭系上統(tǒng)(C3h)和侏羅系上統(tǒng)(J3b)及第四系地層(Q)。

石炭系上統(tǒng)紅敖包組碎屑巖段(C3h)是區(qū)內(nèi)出露較為廣泛的地層，上部巖性以變質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)長石砂巖、安山玢巖為主，夾礫巖、板巖、凝灰?guī)r。下部地層主要巖性為變質(zhì)粉砂巖，顏色呈灰黑色，礦物成分有石英、長石，綠泥石，為變余砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。由于受巖漿侵入的影響，局部巖石發(fā)生角巖化，矽卡巖化現(xiàn)象明顯。第四系更新統(tǒng)礫石層(Q)大面積分布在工作區(qū)北部一帶，地表沉積物由洪積的粗砂和礫石組成。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Map showing geology and structures in the survey area1-奧陶系中統(tǒng)巴彥呼舒組;2-石炭系上統(tǒng)紅敖包組;3-侏羅系上統(tǒng)布拉根哈達(dá)組;4-第四系更新統(tǒng);5-第四系全新統(tǒng);6-燕山早期侵入巖：花崗巖;7-華力西晚期侵入巖：花崗閃長巖;8-花崗斑巖脈;9-石英斑巖脈;10-石英脈;11- 地質(zhì)界線;12-斷層;13-張性斷裂;14-剖面位置;15-礦區(qū)1-Mid-Ordovician Bayanhushu Formation；2-Upper Carboniferous Hongaobao Formation;3-Upper Jurassic Bulagen-hada Formation;4-Quaternary Pleistocene；5-Quaternary Holocene;6-Early Yanshanian granites；7-Late Variscan granodiorite;8-granite porphyry dike;9-quartz porphyry dike;10-quartz dike；11-geological boundary；12-fault;13-tensional fault;14- profile location；15-mining area

區(qū)內(nèi)巖漿巖分布廣泛，出露的巖漿巖有二疊紀(jì)花崗閃長巖(Pγδ)和侏羅紀(jì)黑云母花崗巖(Jγβ)。侵入的巖脈有閃長巖脈(δ)和石英脈(q)。巖脈總體呈北東東向分布，其中石英脈與礦化關(guān)系極為密切(席明杰等,2013)。

二疊紀(jì)花崗閃長巖體是本區(qū)的含礦巖體。巖體中石英脈十分發(fā)育，多具鉬礦化現(xiàn)象，通常鉬礦化石英脈就是礦體。

礦體賦存于近北西向張性斷裂內(nèi)，并切穿閃長脈巖，成礦較晚。礦體圍巖以花崗閃長巖為主，局部見變質(zhì)粉砂巖。

2 巖礦石速度密度測(cè)試

由于測(cè)區(qū)地表大多為第四系覆蓋，出露的巖石風(fēng)化嚴(yán)重，因此，試驗(yàn)區(qū)巖礦石標(biāo)本全部來自鉆孔巖心。標(biāo)本采集完成后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)采集到的巖心進(jìn)行加工，以滿足測(cè)量儀器對(duì)巖心幾何尺寸的要求。

2.1 密度測(cè)試

密度測(cè)試設(shè)備包括：JJ1000型電子天平，游標(biāo)卡尺等。巖石密度測(cè)試采用體積密度法，其計(jì)算公式為：

式中：ρ0為試件的天然密度，g/cm3；M0為試件的天然的質(zhì)量，g；V為試件體積，cm3。

通過對(duì)采集到的巖礦石巖心進(jìn)行密度測(cè)試，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同巖礦石平均密度如表1所示。

表1 測(cè)區(qū)巖礦石密度表Table 1 List of density of rocks and ores in the survey area

根據(jù)密度測(cè)試結(jié)果分析，銅鉬礦化花崗閃長巖的密度最高，花崗閃長巖的密度最低(表1)。作為巖體圍巖的變質(zhì)粉砂巖，其密度略高于花崗閃長巖；在花崗閃長巖巖體內(nèi)部，閃長巖和礦化花崗閃長巖的密度高于花崗閃長巖；對(duì)于不同的礦化花崗閃長巖，銅鉬礦化花崗閃長巖的密度最高。

2.2 速度測(cè)試

速度測(cè)試采用Autolab-2000 巖石物性測(cè)試系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)不但可以測(cè)量縱橫波速度，還可測(cè)量應(yīng)變、靜態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)彈性模量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的不同壓力條件下的聲波走時(shí)曲線，拾取 P 波、S 波的初至，然后根據(jù)波速的到時(shí)和樣品的長度，計(jì)算不同壓力條件下聲波通過樣品的P、S波速度。

式中：V-為通過樣品的 P 波(S 波)速度，m/s；

H-為試樣的長度，mm；t到時(shí)-P 波或 S 波通過樣品所用的時(shí)間，ms。

由于巖礦石的P、S波速度不但與巖礦石的物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，還與地層的溫度和壓力有關(guān)。圖2表示了閃長巖巖心在不同壓力條件下P波、S1和S2波的測(cè)試結(jié)果曲線，由該曲線看出，當(dāng)壓力從0.6MPa增加到170MPa時(shí)，聲波的走時(shí)隨著壓力的增加，P波、S1和S2波的到時(shí)減小，即P波、S1和S2波的速度隨著壓力的增加而增加；壓力繼續(xù)增加到179.9MPa時(shí)，彈性波的走時(shí)與170MPa壓力時(shí)測(cè)得的走時(shí)相同，表明P波、S1和S2波的速度隨著壓力的增加，速度不再增加。當(dāng)壓力從179.9MPa減小到0.3MPa時(shí)，聲波的走時(shí)隨著壓力的減小，P波、S1和S2波的到時(shí)增加，即P波、S1和S2波的速度隨著壓力的減小而降低。表2表示了根據(jù)圖2測(cè)試結(jié)果計(jì)算出的P波、S1和S2波的速度、泊松比和楊氏模量。對(duì)于其他巖性的巖礦石，也分別進(jìn)行了不同壓力條件下P波、S1和S2波的速度測(cè)試。

圖2 閃長巖在不同壓力條件下P波、S1和S2波的測(cè)試結(jié)果曲線Fig.2 Test curves of P,S1 and S2 waves in diorite under different pressure conditions

作為巖體圍巖的變質(zhì)粉砂巖的縱橫波速度略高于花崗閃長巖巖體；在花崗閃長巖巖體內(nèi)部，閃長巖(脈)的縱橫波速度高于花崗閃長巖，對(duì)于不同的礦化花崗閃長巖，銅鉬礦化花崗閃長巖的縱橫波速度最低(表2)。

彈性波的動(dòng)力學(xué)參數(shù)反映了巖礦石的物理力學(xué)性質(zhì),礦化花崗閃長巖的泊松比相對(duì)較高，而變質(zhì)粉砂巖和花崗閃長巖及閃長巖的泊松比相對(duì)較低。對(duì)于楊氏模量來說，變質(zhì)粉砂巖和閃長巖的楊氏模量相對(duì)較高，花崗閃長巖和不同類別的礦化花崗閃長巖的楊氏模量相對(duì)較低。

2.3 巖礦石的密度與速度之間的關(guān)系

通常情況下，巖石的速度隨著密度的增加而增加。但在本試驗(yàn)研究區(qū)，巖礦石的速度與密度之間不具有這么一種簡單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由表1、2看出，銅鉬礦化花崗閃長巖的縱橫波速度最低，但密度最高，該測(cè)試結(jié)果表明銅鉬礦化花崗閃長巖的縱橫波速度并不隨著密度的增加而增加。

3 巖礦石的波阻抗及反射系數(shù)

Salisburyetal.(2000)對(duì)來自加拿大Sudbury等6個(gè)礦區(qū)多種常見的典型硅酸鹽圍巖和塊狀硫化物礦石以及介于二者之間的中間礦物巖石，在實(shí)驗(yàn)室使用脈沖轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)其速度和密度進(jìn)行了測(cè)量，認(rèn)為0.06的反射系數(shù)足以引起強(qiáng)反射波。從表3所示的縱波反射系數(shù)能夠看出：銅鉬礦化花崗閃長巖與表中所列其它巖石之間的界面反射系數(shù)均大于0.06。因此，銅鉬礦化花崗閃長巖巖體(脈)能夠產(chǎn)生一定強(qiáng)度的反射波，除此之外，花崗閃長巖與閃長巖(脈)之間的反射系數(shù)為0.06316，也具有產(chǎn)生一定強(qiáng)度反射信號(hào)的前提。但花崗閃長巖巖體與變質(zhì)粉砂巖圍巖之間的反射系數(shù)只有0.04504，由此推斷花崗閃長巖巖體與變質(zhì)粉砂巖圍巖之間產(chǎn)生的反射信號(hào)較弱，這種弱反射信號(hào)的幅度往往低于背景噪聲，難以被提取出來。

分析表3、4可以看出，就不同巖礦石之間的縱、橫波反射系數(shù)強(qiáng)弱來說，兩者有相同的地方，也有不同的地方。如花崗閃長巖與閃長巖、銅鉬礦化花崗閃長巖之間的縱橫波反射系數(shù)均較大，銅鉬礦化花崗閃長巖與(蝕變)礦化花崗閃長巖之間的縱橫波反射系數(shù)也較大，但銅鉬礦化花崗閃長巖與閃長巖、變質(zhì)粉砂巖之間的縱波反射系數(shù)較大，橫波反射系數(shù)則較??；(蝕變)礦化花崗閃長巖與閃長巖(脈)、變質(zhì)粉砂巖之間的橫波反射系數(shù)較大，縱波反射系數(shù)則較小。由此得出，在同一金屬礦地區(qū)，在縱波地震勘探中得不到的某巖礦石界面的反射信號(hào)，在橫波地震勘探中有可能獲得，反之，也一樣。因此，縱橫波聯(lián)合地震勘探或三分量地震勘探可使獲得的地震信息更加豐富。

表2 測(cè)區(qū)巖礦石縱橫波速度和動(dòng)力學(xué)參數(shù)表Table 2 Velocity and dynamic parameters of rocks and ores in the survey area

表3 縱波反射系數(shù)表Table 3 Reflection Coefficients of P-waves

表4 橫波反射系數(shù)表Table 4 Reflection Coefficients of S-waves

圖3 L2線地震剖面Fig.3 Seismic section along line L2

以上討論了垂直入射條件下縱波、橫波反射系數(shù)，實(shí)際上，當(dāng)?shù)卣鸩ㄒ圆煌娜肷浣侨肷涞降叵虏ㄗ杩菇缑嫔蠒r(shí)，反射系數(shù)會(huì)隨著入射波入射角的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，通過解Zoepporize方程可以了解這種變化。但垂直入射條件下縱波、橫波反射系數(shù)的強(qiáng)弱對(duì)認(rèn)識(shí)試驗(yàn)區(qū)地震地質(zhì)條件及其地震剖面上反射波組的意義也具有十分重要的意義。

在內(nèi)蒙古準(zhǔn)蘇吉花礦區(qū)地質(zhì)剖面上，花崗閃長巖巖體與變質(zhì)粉砂巖圍巖之間的縱、橫波的反射系數(shù)均較小，產(chǎn)生的反射信號(hào)強(qiáng)度有可能低于背景噪聲。在花崗閃長巖巖體內(nèi)部，還分布有與裂隙和破碎帶有關(guān)的閃長巖(脈)、礦化花崗閃長巖、輝鉬礦化花崗閃長巖等礦(化)體，這些閃長巖(脈)和銅鉬礦化花崗閃長巖及銅鉬礦體與花崗閃長巖之間的反射系數(shù)較大，利用地震方法能夠確定閃長巖(脈)和銅鉬礦化花崗閃長巖及銅鉬礦體的存在。

4 反射地震試驗(yàn)剖面

圖3表示了在該區(qū)沿8勘探線使用炸藥震源激發(fā)，Sercel 428XL有限遙測(cè)地震采集系統(tǒng)采集得到的地震剖面。在該地震剖面上，除剖面NE一側(cè)1.0～1.5s之間的一組傾斜反射波以外，其余反射波組均呈水平產(chǎn)狀分布。根據(jù)該地震剖面上反射波組的特征，解釋了一組張性斷層，其中：淺部兩條斷層傾向NE，向下錯(cuò)斷到一條斷距較大的傾向SW的深部斷層，傾向NE的兩條斷層分別在約3km和5km處與傾向SW的張性正斷層相交。

在該地震剖面上淺部方框內(nèi)，還分布有一些振幅較弱、但相干性較好的傾斜反射波，如圖4(a)所示。與圖4(b)所示地質(zhì)剖面對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，該傾斜反射波為傾斜礦體或石英巖脈產(chǎn)生的反射波或復(fù)合反射波，受分辨率限制，難以根據(jù)地震剖面上的傾斜反射波阻解釋單一礦體或石英巖脈的厚度，也難以確定哪一組反射波是礦體產(chǎn)生的，哪一組反射波是石英巖脈產(chǎn)生的。根據(jù)圖4(a)所示地震剖面上傾斜礦體或石英巖脈產(chǎn)生傾斜反射波的分布特征，能夠推測(cè)在L2地質(zhì)剖面以外NE一側(cè)，還能夠?qū)ふ业缴畈侩[伏金屬礦體。

對(duì)比地震剖面與地質(zhì)剖面后看出：花崗閃長巖巖體與變質(zhì)粉砂巖圍巖之間的波阻抗差異較小，在地震剖面上沒有形成可識(shí)別的反射波。在花崗閃長巖巖體內(nèi)部，由閃長巖(脈)、鉬礦化花崗閃長巖及銅鉬礦體與花崗閃長巖之間的反射系數(shù)較大，形成的反射波盡管較弱，但基本可連續(xù)追蹤。在變質(zhì)粉砂巖內(nèi)部，巖性相對(duì)均勻，難以形成比較明顯的反射波。

圖4 圖3方框內(nèi)地震剖面(a)和對(duì)應(yīng)的地質(zhì)剖面(b)Fig.4 Seismic section(a) in box of Fig.3 and corresponding geological section(b)

5 結(jié)論

(1) 在金屬礦區(qū)，地質(zhì)界面與波阻抗界面不一定具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。地質(zhì)剖面中的花崗閃長巖(巖體)與變質(zhì)粉砂巖(圍巖)是一個(gè)明顯的地質(zhì)界面，但卻不是一個(gè)明顯的波阻抗界面。對(duì)于破碎帶來說，由于破碎帶的密度和速度相對(duì)較低，具有一定厚度的破碎帶也能夠產(chǎn)生比較明顯的反射波。

(2) 通常情況下，巖石的速度隨著密度的增加而增加，但對(duì)于銅鉬礦化花崗閃長巖(或礦體)來說，巖礦石的速度并不隨著密度的增加而增加。

(3) 在垂直入射條件下，對(duì)不同的地質(zhì)界面來說，縱、橫波反射系數(shù)強(qiáng)弱既有相同處，也有不同處。在金屬礦地震勘探中，利用縱橫波聯(lián)合勘探和三分量地震勘探可獲得更多的信息。

(4) 根據(jù)地震剖面上的反射波組特征，推斷在L2地質(zhì)剖面以外NE一側(cè)，有可能發(fā)現(xiàn)新的銅鉬礦體。

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Characteristics of Seismic Waves and Physical Properties of Rocks and Minerals in the Zhunsujihua Mine of Inner Mongolia

XU Ming-cai，CHAI Ming-tao，GAO Jing-hua

(InstituteofGeophysicalandGeochemicalExplorationCAGS,Langfang,Hebei065000 )

In seismic prospecting for metal ores, elastic parameters of rocks and minerals are particularly important. This work measured the density and velocity of drill core samples from the Zhunsujihua copper-molybdenum mine in Inner Mongolia, and carried out experiments on the seismic methods on the basis of these parameters. Based on the elastic parameters of rocks and minerals in the survey area, the reflection coefficients of rocks and minerals and the relationship between velocity and density were analyzed. The results indicate that reflection coefficient between the granodiorite and metamorphic siltstone is weak, not enough to generate identified reflected signal. The reflection coefficients among diorite (vein), mineralized granodiorite, copper-molybdenum ore bodies and granodiorite are strong enough to produce recognizable reflected signal in granodiorite. The density of copper-molybdenum mineralized granodiorite is high, but its velocity is low. This indicates that ore velocity does not necessarily increases with the increasing density in the mining area. The experimental seismic sections were explained using the geological data and the obtained elastic parameters of rocks and minerals. It can be inferred that the deep hidden metal ores can be searched on the NE side of outside the L2section based on the characteristics of reflections on the L2seismic profile.

rocks and minerals, density, velocity, reflection coefficient, hidden metal ore

2013-05-13；

2015-06-12；[責(zé)任編輯]郝情情。

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：201111018)資助。

徐明才(1955年-)，男，1991年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，獲碩士學(xué)位，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事復(fù)雜條件下地震方法技術(shù)研究和開發(fā)工作。E-mail:xumingcai@igge.cn。

P618.51

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0495-5331(2015)06-1168-7