張宇，馮晅，恩和得力海，劉乾，李曉丹，王智雄

吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

金川銅鎳硫化物礦床是世界上著名的超大型礦床，擁有國內(nèi)最大儲量的鎳礦，鎳保有儲量占全國鎳總儲量的62.2%，產(chǎn)量約占全國鎳礦的95%[1--3]。金川銅鎳硫化物礦床主礦區(qū)的勘探和研究工作已經(jīng)進(jìn)行了多年，為擴(kuò)大產(chǎn)量，研究礦區(qū)深部構(gòu)造是非常必要的。傳統(tǒng)方法勘查金屬礦主要是利用地質(zhì)和地球化學(xué)方法，但當(dāng)探測深度較深時(shí)，采集巖樣標(biāo)本較困難，無法獲取深部信息[3]。同時(shí)，金川礦區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷裂傾角較大，導(dǎo)致地震波場異常復(fù)雜，難以給出合理的解釋，地震勘探方法受到很多限制[4]。為進(jìn)一步研究礦區(qū)深部構(gòu)造及礦產(chǎn)儲量，在礦區(qū)附近開展了背景噪聲層析成像的研究，結(jié)合重力以及航磁異常的結(jié)果，綜合解釋金川礦區(qū)及其周邊的地質(zhì)概況，給出深部找礦的依據(jù)。

地震背景噪聲成像是近年來發(fā)展起來的研究地殼速度結(jié)構(gòu)的方法，區(qū)別于主動(dòng)源，背景噪聲成像是一種無源成像方法[5]。背景噪聲在時(shí)間上穩(wěn)定并可重復(fù)利用,有效地避免了傳統(tǒng)地震成像因地震定位不精確和臺站分布不均勻以及高頻面波的強(qiáng)烈衰減等因素所導(dǎo)致的不可重復(fù)性[6--7]，有助于對地殼內(nèi)部的波速變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,分析地殼內(nèi)部區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的變化,促進(jìn)地震預(yù)測方面的探索研究[8]。

背景噪聲層析成像方法通過計(jì)算兩個(gè)臺站長時(shí)間地震噪聲的互相關(guān)函數(shù)，并進(jìn)行疊加，最終將結(jié)果近似為兩個(gè)臺站之間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，以此來獲得面波傳播信息[8]。由于該方法成本較低，并且對淺部地殼具有高分辨率，因而該方法被廣泛應(yīng)用[6--8]。Shapiro et al.[9]提出利用地震數(shù)據(jù)垂向分量進(jìn)行互相關(guān)得到地下速度結(jié)構(gòu)后，利用背景噪聲層析成像方法在美國加州臺站歷時(shí)一個(gè)月監(jiān)測，反演得到7.5 s和15 s周期的瑞雷波群速度成像圖。隨后，該方法在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。彭一波等[10]通過使用python語言的obspy軟件包從噪聲數(shù)據(jù)中提取了格林函數(shù)；王娟娟等[11]在新疆呼圖壁儲氣庫地區(qū)開展了背景噪聲成像技術(shù)，重點(diǎn)研究了該地層上覆地層物性特征；譚夏露等[12]在安寧河—?jiǎng)t木河斷裂附近開展背景噪聲研究，揭示了斷裂兩側(cè)存在明顯速度差異的特征；俞貴平等[13]在膠東地區(qū)進(jìn)行歷時(shí)一個(gè)月地震臺站監(jiān)測，反演結(jié)果揭示了膠西北和牟乳兩個(gè)礦集區(qū)控礦構(gòu)造的不同；魏紅梅等[14]利用背景噪聲技術(shù)在重慶地區(qū)開展研究，反演得到的速度結(jié)構(gòu)與研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造有很好的對應(yīng)性；丁文秀等[15]通過瑞雷波層析成像揭示了秦嶺—大別及鄰區(qū)大致以太行—武陵重力梯度帶為界,呈現(xiàn)出地殼東薄西厚的結(jié)構(gòu)特征；王仁濤等[16]利用背景噪聲層析成像技術(shù)獲得了松遼盆地沉積層厚度模型，揭示了松遼盆地的沉積層厚度分布呈現(xiàn)出中間厚、四周薄的特征。

筆者采用背景噪聲層析成像的方法反演得到金川礦區(qū)及周邊地下速度結(jié)構(gòu)，結(jié)合其他地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋,為深部找礦提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

金川銅鎳硫化物礦床，大地構(gòu)造上位于華北板塊西南邊緣，龍首山隆起帶中部。區(qū)域構(gòu)造走向呈NEE向，在金川以東轉(zhuǎn)為近EW向[17]。龍首山隆起的北緣和南緣存在兩條深大斷裂帶。其中，龍首山隆起的北緣斷裂帶(F1斷裂)是龍首山隆起和潮水盆地的分界，將隆起區(qū)與沉降區(qū)分開；龍首山隆起的南緣斷裂帶是龍首山隆起和早古生代祁連褶皺帶的分界[3，18]。

F1斷裂是最主要的控礦斷裂，靠近礦區(qū)。F1斷裂不是單一的線性斷裂，是在長期的構(gòu)造演化中由若干個(gè)斷裂連接貫通形成的[19]。F1斷裂可能開始于晚古生界，在石炭、二疊紀(jì)時(shí)期連接貫通。該斷層的活動(dòng)使得元古代變質(zhì)巖系逆沖推覆到中新生代沉積巖之上，更新世砂礫巖被逆掩在F1斷層之下，可以斷定F1斷裂的形成年代比金川巖體的形成年代要更晚，應(yīng)該是新生代斷層[3,19]。龍首山隆起帶地層出露較為齊全，除奧陶系、志留系的地層外，其他地層均有出露[18--20]。龍首山隆起帶構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈且復(fù)雜，殼幔各圈層物質(zhì)及能量交換頻繁，成礦作用豐富，是大型、超大型礦床形成的有利地段(圖1)。

龍首山隆起帶的基底構(gòu)造層主要由前震旦系組成，以傾向南西的單斜構(gòu)造出露，大多位于龍首山的北側(cè)；蓋層主要為震旦系，表現(xiàn)為一復(fù)式背斜。隆起帶中斷裂、褶皺十分發(fā)育[21]。龍首山構(gòu)造單元的構(gòu)造發(fā)展主要經(jīng)歷了先擠壓后拉張?jiān)贁D壓的構(gòu)造歷史[22]，其構(gòu)造主要可概括為以下幾個(gè)階段：龍首山地區(qū)在呂梁運(yùn)動(dòng)的早期發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，晚期地幔上拱，稱為前斷裂拱曲階段；而后發(fā)生持續(xù)拉張作用至震旦紀(jì)，產(chǎn)生北祁連大陸裂谷，同時(shí)形成北祁連原始大洋灣；震旦紀(jì)末期，受強(qiáng)烈的托萊運(yùn)動(dòng)影響，龍首山地區(qū)發(fā)生擠壓式剪切斷裂活動(dòng)，形成目前的地質(zhì)環(huán)境雛形；后期龍首山持續(xù)隆起，遭受剝蝕，表現(xiàn)為最終形態(tài)[22]。

1.第四系；2.三疊系—新近系；3.古生界；4.前震旦系；5.龍首山隆起帶；6.花崗巖--閃長巖侵入體；7.鐵鎂--超鐵鎂侵入巖；8.斷裂。圖1 金川礦區(qū)及周邊地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[21，22]修改)Fig.1 Geological simplified map of Jinchuan mining area and surroundings

2 金川礦區(qū)及周邊地球物理特征

金川礦區(qū)及周邊區(qū)域布格重力異常(圖2)整體上以祁連山重力陡變梯級帶為主要特征，將重力低與重力高截然劃開。重力異常值自北向南，自東向西逐漸減小，定性地反映了地殼厚度自北向南、自東向西變厚的特點(diǎn)[3,22--23]。

從圖2中可明顯看出，重力異常線主要是沿著西北方向展開，在西部、東部位置存在局部異常成群的閉合，說明區(qū)域背景場存在局部的重力異常[23]。金川銅鎳礦床位于祁連山陡變梯級帶的北側(cè)(圖1)，大地構(gòu)造位置上屬于華北板塊西南邊緣，含礦超基性巖體的侵入與區(qū)域斷裂構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)。

由區(qū)域內(nèi)的航磁異常數(shù)據(jù)(圖3)可以看出，區(qū)域內(nèi)磁異常普遍呈帶狀分布，大體上對應(yīng)隆起帶和褶皺單元。其中，大部分異常是由沿?cái)嗔褞秩氲闹兴嵝詭r和深變質(zhì)巖引起的[22]，揭示了研究區(qū)時(shí)常發(fā)生巖漿活動(dòng)。龍首山西北部異常表現(xiàn)為北西向，東部轉(zhuǎn)為近東西向，異常主要由下元古界深變質(zhì)巖系和中酸性巖漿巖引起[24]。金川礦區(qū)(圖3)整體上位于構(gòu)造帶(F1斷裂)和巖漿帶的交匯處，同時(shí)該處的磁異常也比較復(fù)雜[25]，因而造就了金川銅鎳硫化物礦床的豐富性。

圖3 區(qū)域航磁等值線平面異常圖(據(jù)文獻(xiàn)[21，23]修改)Fig.3 Contour plane anomaly map of regional aeromagnetic

3 金川礦區(qū)及周邊背景噪聲研究

3.1 金川礦區(qū)及周邊臺站數(shù)據(jù)處理

本次研究時(shí)間為2019年7月中旬至2019年8月中旬，在金川礦區(qū)及周邊布設(shè)65個(gè)地震臺站，為期一個(gè)月。臺站分布如圖4所示。野外原始數(shù)據(jù)為miniseed格式，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SAC格式。數(shù)據(jù)處理流程參考Bensen et al.提出的方法[26]。

圖4 臺站分布圖Fig.4 Station distribution map

第一步是臺站數(shù)據(jù)的預(yù)處理。原始數(shù)據(jù)存在零漂現(xiàn)象，對數(shù)據(jù)進(jìn)行移除儀器響應(yīng)，去均值，去趨勢等操作。隨后對所有臺站數(shù)據(jù)的垂直分量進(jìn)行重采樣，采樣頻率為20 Hz。重采樣處理后，將數(shù)據(jù)截取，同時(shí)進(jìn)行帶通濾波處理，濾波范圍為0.05～10 Hz。對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,這里采用滑動(dòng)絕對平均法，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：dj為第j個(gè)時(shí)間點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，2N+1為時(shí)窗的長度[26],然后在頻域做譜白化處理。

第二步，計(jì)算臺站之間的互相關(guān)函數(shù)。對任意兩個(gè)臺站所記錄到的數(shù)據(jù)文件(垂向分量)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)，對其疊加以提高信噪比,提取頻散曲線。在提取頻散曲線時(shí)，采用姚華建等[27]提出的基于圖像分析的方法來提取噪聲互相關(guān)函數(shù)的頻散曲線，該方法能提高頻散曲線的測量精度。

本文計(jì)算了65個(gè)臺站共1 813條兩兩互相關(guān)函數(shù)，為了控制頻散曲線的質(zhì)量，Yao et al.[28]認(rèn)為臺站間距要大于面波信號的一倍波長，同時(shí)筆者挑選出信噪比>5的互相關(guān)函數(shù)，最終提取了723條頻散曲線用于反演。

3.2 速度結(jié)構(gòu)反演

S波速度隨著深度由淺入深變化，能夠較好地反映出地球介質(zhì)由淺到深速度結(jié)構(gòu)的變化趨勢，這對研究金川礦區(qū)的構(gòu)造特征具有重要的參考價(jià)值。通過反演，得到了研究區(qū)不同深度處的速度結(jié)構(gòu)剖面，根據(jù)群速度分布特征，分別提供地下0.9 km、1.8 km、2.7 km、3.6 km、4.5 km、5.4 km共6個(gè)不同深度處的S波速度剖面(圖5)，圖中黑色虛線部分為F1深大斷裂的位置，紅色三角代表金川礦區(qū)的位置，紅色五角星為金昌市位置。

從圖5a-c中可以看出，在地下2.7 km深度以內(nèi)，S波速度差異較大，速度高與低不均勻分布，沒有特別明顯特征，表明研究區(qū)上地殼速度結(jié)構(gòu)存在橫向不均勻性。同一深度，S波速度出現(xiàn)高值、低值異常交替出現(xiàn)的情況。

在地下0.9 km、1.8 km深度處，如圖5a、b所示，金川礦區(qū)整體位于高速帶，結(jié)合區(qū)域重力異常圖可以看出，金川礦區(qū)正好位于陡和緩的交界處，礦區(qū)內(nèi)斷裂繁多且復(fù)雜。目前學(xué)者普遍認(rèn)為金川銅鎳硫化物礦床是由地幔巖漿通過斷裂上涌形成的，由于重力分異作用會導(dǎo)致巖漿熱液分層，造成高低速特征分布差異。同時(shí)該地區(qū)磁特征較為復(fù)雜，礦區(qū)內(nèi)存在大量超基性鐵鎂質(zhì)巖石，這些巖石的磁性都較強(qiáng)，推測也可能是造成地下淺部高速體形成的主要原因。姜枚等[4]對金川礦區(qū)進(jìn)行人工震源地震層析成像，結(jié)果也顯示在地下1 000～2 500 m處存在高速體，本文背景噪聲層析成像的結(jié)果也顯示該處為高速特征，推測淺部高速體的形成與礦區(qū)內(nèi)超鎂鐵質(zhì)巖密切相關(guān)[4]。

圖5 不同深度處的S波速度層析成像圖Fig.5 S-wave velocity tomography at different depths

圖5c-f中所示，從地下2.7 km深度處開始至5.4 km處，礦區(qū)表現(xiàn)為明顯的低速特征，隨著地下深度的不斷加大，低速特征越來越明顯。同時(shí)，速度切片中大體以F1斷裂為界，F(xiàn)1北部表現(xiàn)為低速異常，對應(yīng)于潮水盆地；而在F1斷裂南部，除礦區(qū)及其附近外，整體表現(xiàn)為高速異常，對應(yīng)于龍首山隆起帶。圖6為深度剖面圖，可以看出礦區(qū)所在位置在地下淺部速度相對較高。隨著深度的加大，速度有減小的趨勢，并且礦區(qū)及其周邊的速度和外圍介質(zhì)相比普遍偏低，這一點(diǎn)在地下深部較為明顯，如圖6a、b所示，推測在地下深部可能存在隱伏礦床。F1斷裂作為主要控礦斷裂，從整體來看，其存在導(dǎo)致了斷裂兩側(cè)速度的變化，但是在礦區(qū)附近，斷裂兩側(cè)主要還是低速體。對于地下深部低速帶，結(jié)合前人研究成果[21]，金川礦區(qū)自1958年開采以來，國內(nèi)外的學(xué)者總結(jié)出金川礦區(qū)具有“深部熔離--貫入成礦”、“小巖體--成大礦”的成礦模式[22]，同時(shí)礦區(qū)內(nèi)存在很多小型斷裂，推測巖漿熱液可能通過斷裂上涌。李文淵等認(rèn)為殼幔物質(zhì)之間的交換造就了金川銅鎳硫化物礦床[21]。湯中立通過地球化學(xué)資料認(rèn)為硫化物礦床的硫元素來自幔源巖漿[22]。這些資料都證實(shí)了金川銅鎳硫化物礦床與深部幔源物質(zhì)上涌有很大關(guān)系。因而,筆者推測2.7～5.4 km處金川礦區(qū)的低速物質(zhì)是深部幔源物質(zhì)上涌的結(jié)果。

圖6 不同測線剖面S波速度結(jié)構(gòu)分布圖Fig.6 S-wave velocity structure distribution diagram of different exploration line profiles

4 結(jié)論

(1)在地下淺部0.9～1.8 km深度處，金川礦區(qū)位于高速帶上。結(jié)合區(qū)域重力異常和航磁異常，巖漿上涌過程由于重力分異會導(dǎo)致不同深度處巖漿成分有所差異，同時(shí)礦區(qū)附近為線性強(qiáng)磁異常，推測可能是形成高速的原因。

(2)在研究區(qū)的深部，潮水盆地整體表現(xiàn)為低速異常，龍首山隆起帶整體表現(xiàn)為高速異常。 F1斷裂為龍首山隆起帶和潮水盆地的分界線，推測速度差異可能與F1斷裂相關(guān)。

(3)F1斷裂作為主要控礦斷裂，將金川巖體由地下深部推覆到淺部，同時(shí)形成次級斷裂，造就了金川礦區(qū)豐富的礦體。在礦區(qū)附近，F(xiàn)1斷裂兩側(cè)主要呈現(xiàn)低速特征，隨深度加大，速度分異明顯。