張 盼,韓立國,鞏向博,張鳳蛟,許 卓

吉林大學地球探測科學與技術學院,長春 130026

0 引言

隨著經濟發(fā)展對礦產資源的消耗,我國現已探明的淺部礦產資源的可利用量已經接近尾聲,大多數礦山的預備儲量不足,嚴重影響礦山的發(fā)展?？碧缴畈康V產資源,開發(fā)第二找礦空間對國家經濟的發(fā)展和我國礦產企業(yè)的生產至關重要[1]。目前,雖然地質勘探學家對淺部礦產資源的勘探已經初步形成了以“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條件復雜、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]。

深部固體礦產資源和覆蓋區(qū)找礦面臨探測深度大、干擾噪聲強、要求精度高和深部成礦規(guī)律認識難的挑戰(zhàn)[3],現有的非震地球物理勘探技術和方法對金屬礦探測在定位精度和分辨率方面仍存在一定不足[4]。地震勘探技術具有穿透深度大、分辨率高等特點,是實現我國深地資源探查目標的必備地球物理技術手段。相對于油氣勘探,金屬礦等硬巖區(qū)地震地質構造復雜、地形起伏劇烈,表層速度變化大,人文環(huán)境復雜;結晶巖區(qū)內部波阻抗差異小,反射信息弱,而且,金屬礦體通常較小,很難產生有效的反射;礦區(qū)通常背景干擾嚴重,信噪比低,不易獲得好的反射地震數據。這些原因造成了金屬礦地震勘探數據采集過程比油氣及煤田更困難,采集到的地震數據往往會受到強烈的背景噪聲干擾并顯示出獨特的反射或散射特征,這也必然導致了金屬礦地震數據處理與常規(guī)油氣及煤田地震數據處理在方法技術上的截然不同之處。

本文首先介紹了人工主動源金屬礦地震勘探方法技術的研究進展,然后介紹了當前在金屬礦地震勘探中迅速發(fā)展的被動源地震干涉技術,以及基于地震干涉法的被動源金屬礦地震勘探方法技術的研究進展,最后介紹了主動源與被動源聯(lián)合勘探方法技術的研究進展。主被動源聯(lián)合地震勘探方法技術可以充分挖掘和利用多源地震波場攜帶的地下介質信息,使主動源與被動源地震勘探方法技術達到優(yōu)勢互補,有望突破單類震源數據不完備帶來的探測方法上的技術瓶頸,實現深地金屬礦產資源的精確有效探測。

1 主動源金屬礦地震勘探方法技術研究進展

從震源激發(fā)角度來說,地震勘探有兩類主要模式,即主動源地震和被動源地震勘探方法。陸地主動源(人工源)地震勘探是一項較為成熟的技術,只是在金屬礦等固體礦產資源領域的應用一直處于探索和試驗階段。20世紀90年代以來,國外地球物理學者廣泛開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、英國、南非、瑞典和德國等國家相繼開展了反射地震直接探測金屬礦試驗研究、井中地震成像研究、3D金屬礦地震成像研究、散射成像技術研究等,較好地解決了沉積礦產勘查中的地質問題和非沉積礦產勘查中的地質構造、巖性填圖、侵入體和蝕變帶的圈定、塊狀硫化物礦體探測等地質問題,取得了一些成功的經驗,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題進行了評述并編輯出版了著名的《Hardrock Seismic Exploration》[6],成為固體礦產地震勘探的經典文獻。美國勘探地球物理學家協(xié)會(SEG)在2008年學術年會上設置了專門的礦產資源地震勘探專題,總結研討了當時金屬礦地震勘探的進展和成功的方法和案例,其中最重要的進展是3D地震勘探在金屬礦探測中的應用[7-8]。3D地震勘探技術能有效地分析處理金屬礦的不規(guī)則產狀形態(tài)、復雜的圍巖接觸關系和控礦構造所形成的地震地質信息[9](圖1)。烏普薩拉大學Juhlin院士和Malehmir教授領導的課題組長期以來一直堅持從事金屬礦地震勘探的研究,主編和發(fā)表了多個專輯和學術論文。他們組織了20余篇礦產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)開展地震勘探新理論、新技術和新方法研究的必要性,也期待采用特殊的采集技術降低數據采集成本。歐洲地質學家和工程師學會(EAGE)在《Geophysical Prospecting》(2015)期刊上出版了硬巖地震成像專輯,介紹了國際上一些著名的課題組在固體礦產資源和地熱資源領域地震勘探的實例研究進展[12],其中,3D地震成像技術在硬巖環(huán)境下的應用效果引起了較大關注。Malehmir等[13]通過芬蘭某地深部金屬礦的成功勘探特別強調了三維地震勘探的重要性。2018年,在EAGE組織的第二屆礦產勘探與開發(fā)地球物理學術研討會上,三維地震勘探在金屬礦中的應用也是重要進展之一[14],同時在會上還有專家介紹了被動源地震成像的應用實例[15]。Malehmir等在《Geophysical Prospecting》第1期組織發(fā)表了有18篇論文的礦產資源地震勘探專輯,展示了國際上近三年金屬礦勘探的新進展,包括地震數據采集、數據處理和解釋的一些案例成果和深部高分辨率地震成像、信號識別提取及人工智能應用等新方法新技術[16]。其中,Li等[17]提出一種在地震勘探中識別地質不連續(xù)性的繞射成像方法,有助于深部金屬礦地震數據的高精度成像。

我國20世紀90年初開始系統(tǒng)開展金屬礦反射波法地震勘探的試驗研究,中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所和吉林大學共同承擔了原地礦部“七五”國家科技攻關項目。徐明才等持續(xù)開展了多年的金屬礦地震勘探生產及研究工作并在其專著《金屬礦地震勘探》[18]中系統(tǒng)總結整理了當時國內和該課題組近20 a的工作成果。經過多年的發(fā)展,國內已逐步形成多支穩(wěn)定的金屬礦地震勘探研究團隊。高銳院士團隊利用深地震反射剖面技術對廬樅金屬礦集區(qū)等進行淺部和深部結構的精細探測,并成功地預測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]在國內開展了金屬礦地震散射波場的理論研究之后,劉學偉教授等堅持研究散射波場特征及散射波金屬礦地震勘探,對云南個舊地震數據進行了精細的散射波成像處理[23-24],形成了獨具特色的散射地震波法數據采集與成像系統(tǒng)。李慶春教授則對多波地震勘探方法在金屬礦勘查中的應用開展了系統(tǒng)的研究,在轉換波場模擬、去噪技術及成像方法方面都取得了很好的效果[25-27]。呂慶田教授團隊系統(tǒng)開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以及儀器裝備等方面都進行了探索研究,先后在廬樅盆地、長江中下游金屬礦集區(qū)開展了多年的地震反射法金屬礦探測試驗研究,在深部金屬礦資源探測和地質構造研究等方面均已取得了重要進展(圖2)[3, 28-29]。吉林大學李桐林與Eaton合作,利用反射地震方法研究新疆土烏斑巖銅礦沉積構造,結果表明地震方法對于淺層、適度傾斜的斑巖銅礦的側面成像是一個很好的輔助工具,尤其對于礦區(qū)鉆井前確定深部剖面的結構很有意義[30]。汪杰等[31]對反射地震勘探技術在金屬礦勘探中的應用進行了系統(tǒng)分析。韓立國教授團隊對深部金屬礦波場傳播及地震勘探數據特殊處理與解釋方法進行了持續(xù)研究,發(fā)現單一震源主動源地震勘探對固體礦產特別是深部礦產資源的探測存在速度建模精度不高和成像差的現象,探索將被動源地震數據甚至其他地球物理數據作為有效的輔助信息應用于礦產資源及地質構造地震勘探,形成了主動源與被動源聯(lián)合地震勘探的技術思路和理念[32-39]。他們首次將隨機介質和粗糙界面模型引入到金屬礦地震勘探中[32],針對金屬礦地震數據特點展開了全方位的處理方法研究并進行了實際資料處理[33],研究了面向金屬礦探測的地震勘探彈性波多參數全波形反演方法[34]和Marchenko成像新方法新技術[35]。對于主動源地震混合采集勘探方法,分別研究了多種波場分離與記錄重建[36]和混合采集數據最優(yōu)化直接偏移成像處理[37],提高了成像效果和計算效率。于明浩和鞏向博等研究了復雜地表相控震源照明特征[38]以及稀疏最小二乘逆時偏移方法[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分別代表白堊紀沉積盆地(紅盆)的三層結構。粗實線為斷裂;細虛線為巖性界面;ZK64為剖面經過的鉆孔位置、編號及柱狀圖。據文獻[28]修編。

a. 背景物理模型成像圖;b. 小尺度散射體擾動情況下的萊斯大學逆時偏移成像圖;c. 小尺度散射體擾動情況下的稀疏最小二乘逆時偏移成像圖。據文獻[39]修編。

人工激發(fā)主動源地震勘探方法的探測深度大,成像分辨率和精度高,是深部金屬礦產資源高精度探測必備的地球物理技術。但復雜的地表地質條件和金屬礦體非層狀構造使得在地震記錄上多表現為散射信息豐富、非層狀且連續(xù)性較差的同相軸。為了達到高分辨率的成像效果和勘探目標,需要高品質寬頻帶的原始地震數據。在陸地地震數據采集中,這一點很難達到,實際中需要對采集數據進行各種合理的預處理以達到建模和成像對數據的要求[40]。

2 被動源金屬礦地震勘探方法技術研究進展

2.1 被動源地震干涉法

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

地震干涉法的思想最初是由Claerbout[41]在1968年提出的,其指出對地表接收的透射波地震記錄進行自相關運算,可以得到相當于地表自激自收的地震記錄。Rickett[42]指出,為了在互相關之后得到好的重構反射響應,需要進行非常長時間的記錄,并且地下需要存在許多空間不相關的白噪聲震源。Rickett和Claerbout將相關法推廣到多維模型,并將該方法命名為“聲日光成像法”[43]。Schuster在2001年的EAGE會議上最早使用了“地震干涉法”這個名詞[44],并對被動源地震數據進行虛擬炮記錄合成、偏移成像等,取得了較好的效果[45]。

被動源地震干涉法的主要優(yōu)勢是無需知道地下被動源的震源子波、位置以及介質參數信息,就能重構得到類似于主動源地震數據的虛擬炮記錄。最早提出和得到發(fā)展的為互相關地震干涉法。Wapenaar等[46]基于互易定理推導了瞬態(tài)被動源和噪聲被動源互相關重構公式,奠定了被動源互相關地震干涉法的數學物理基礎。通過互相關干涉法獲得準確的格林函數信息要求介質是無損的,且要求檢波器獲得全方向的均勻能量照明。但在實際情況中,震源照明往往是不均勻的,研究區(qū)域的介質往往是非均勻和衰減的,這將大大降低重構格林函數的精度[47]。Xu等[48]利用互相關地震干涉法成功從實際被動源數據中提取出高信噪比的面波和體波響應,通過對面波的頻散特性進行反演及對反射波的數據進行處理,進一步推斷出地下淺層構造的速度場信息,并對地下地質構造進行成像,與主動源數據的處理結果具有較好的一致性?；ハ嚓P地震干涉法也可以在線性拉東域進行,計算效率可以得到明顯提升,但是射線參數選取需要參考真實模型速度范圍[49]。

反褶積和互相干法也是實際應用較多的兩種干涉方法。Snieder等[50]將不同樓層接收到的被動源波場進行反褶積運算,估計出反射脈沖響應,克服了互相關重構結果依賴于震源子波的問題。Vasconcelos等[51]用散射理論闡述了反褶積地震干涉法的理論依據。基于互相干的重建算法采用每道記錄振幅譜對互相關結果進行歸一化,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,重構響應中消除了震源信號的影響[52]。

多維反褶積方法和稀疏反演重構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結果,但是需要被動源數據的初至可分離。點擴散函數中攜帶非規(guī)則照明模式信息,從互相關重構結果中反褶積點擴散函數可以校正照明不均勻的影響,從而去除重構結果中的相關假象[54]。Groenestijn等[55]提出了被動源數據稀疏反演重構方法,可在稀疏性假設的條件下重構不含自由表面多次波的被動源虛擬炮記錄。程浩等[56]將被動源稀疏反演一次波估計求解問題轉化為雙凸L1范數約束的最優(yōu)化求解問題,解決了原始算法中加窗函數的問題,提升了求解的準確性。

近年來,在常規(guī)地震干涉法的基礎上發(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域,其本質是通過虛源點與地表之間的直達波記錄和地表反射響應反演得到上下行格林函數;其在被動源地震數據上的應用尚處于探索階段[58]。

2.2 被動源金屬礦地震勘探研究進展

被動源干涉成像方法已在金屬礦地震勘探中開展了諸多試驗應用。2015年,歐洲地質學家和工程師學會在《Geophysical Prospecting》期刊上出版了硬巖地震成像專輯,介紹了國際上著名的課題組在固體礦產資源和地熱資源領域地震勘探的實例研究進展[12]。本期最具有前景和科學意義的論文之一是被動源干涉法地震勘探技術的試驗(圖4)[59],其在加拿大Lalor礦山4 km2的探測區(qū)域通過300 h的被動源地震記錄構建了有效的虛擬震源記錄,測試了被動源地震干涉法對于結晶巖石環(huán)境中礦床的成像能力。Weemstra等[60-61]對多維反褶積地震干涉法的公式進行了改進,并對海底地震儀和金屬礦采集到的背景噪聲數據進行了成像處理。Panea等[62]對羅馬尼亞Mizil區(qū)的背景噪聲數據通過互相關干涉來重構體波的反射信息(圖5)。Nakata等[63]對加州某區(qū)觀測的背景噪聲記錄進行地震干涉處理,重構出了潛波,并通過反演地震波的走時來估計三維速度結構。Konstantaki等[64]利用被動源干涉改進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源地震方法。Chamarczuk等[65]開發(fā)了干涉成像處理軟件,并將地震干涉成像技術用于芬蘭3D背景噪聲礦產資源探測。Ramm等[66]介紹了背景噪聲方法在固體礦產資源勘探中的研究成果。丁超[67]則研究了被動源轉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)利用密集臺網記錄了局部微地震并進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加拿大某礦區(qū)的噪聲記錄進行處理,其結果與同一地點的主動源偏移剖面吻合。Fang等[70]提出了一種基于頻域信號信噪比的被動源面波和體波分離方法,利用互相關干涉重構以及傳統(tǒng)處理方法進行地震成像,并對在中國內蒙古自治區(qū)某礦區(qū)采集的被動源地震數據進行了應用。

a. 主動源三維地震勘探疊加數據切片;b. 被動源地震干涉疊加剖面。I1、J2和K3分別為主動源成像結果中的三組反射,用于與被動源成像結果進行對比;NF代表主動源剖面中沒有被被動源重構出的近地表反射信息;NP代表淺部的陡傾斜反射信息。據文獻[59]修編。

a—e分別為以東北方向測線第1、6、12、18和24個檢波點位置為虛擬源重構的虛擬炮數據。據文獻[62]修編。

被動源原始數據經干涉法重構成虛擬反射地震記錄后可用于被動源地震勘探,但由于反射信號能量較弱、穩(wěn)定性差、頻率較低等因素的影響,單純依靠被動源方法提取反射信息并進行金屬礦地震勘探,也難以取得預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研究進展

由以上對主動源和被動源金屬礦地震勘探方法的分析可知,單類震源激發(fā)的數據由于品質和頻帶等方面的不足制約了地震勘探在深地礦產資源探測中應有的技術優(yōu)勢。因此,主動源與被動源數據的聯(lián)合應用在一定程度上可以彌補單一主、被動源地震數據的不完備性及勘探方法的技術局限性,從而顯著提高深地礦產資源地震勘探的探測精度和分辨率。

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

上排為互相關干涉重構結果;中排為點擴散函數;下排為多維反褶積重構結果。據文獻[83]修編。

a. 較稀疏炮間距的主動源數據偏移結果;b. 被動源加密一倍的聯(lián)合數據偏移結果。據文獻[85]修編。

總體來看,由于實際背景噪聲屬性和分布復雜,重構反射記錄能量連續(xù)性和穩(wěn)定性較差,并且信號不穩(wěn)定,體波反射波的主被動源聯(lián)合勘探當前多出現在理論與方法的探索研究中。

4 結論與展望

深部資源勘查戰(zhàn)略是我國面對礦產資源日益貧乏的一項重要舉措,通過加深礦產資源的勘探深度以實現對礦產資源的近一步開采和利用。同時,對我國的地質研究表明,我國尚存大量礦產資源有待開發(fā)和利用,大體集中在地下深部區(qū)域,這也迫切要求我國加強對深部找礦方法的研究,以提升我國礦產資源勘探水平。同發(fā)達國家的地質勘探水平相比,我國地質勘探水平還有很大的提升空間,針對礦產勘探的研究有很大的必要性,需要不斷加大財力、物力、人力的投入,從而突破現有瓶頸,實現長遠進步。

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

金屬礦探測的對象主要為復雜的含礦構造、塊狀巖體或礦體等復雜地質體,這些不同類型的構造和礦體將產生屬性特征差異懸殊的地震波場,在記錄上表現為離散的、非層狀的、有時難以確定可追蹤的同相軸。由于經典地震勘探方法都是基于層狀介質建立的,對于非層狀復雜金屬礦介質并不完全適用。因此,基于散射理論的金屬礦地震數據處理和解釋方法仍然將是未來重要的研究內容。隨著勘探目標深度的逐漸增加,地震信號的信噪比將大大降低,需要研究高精度的信噪分離技術。另外,將人工智能方法引入金屬礦地震勘探具有極大的應用前景,如研究智能去噪算法、通過深度學習提高記錄分辨率、基于深度神經網絡的解釋方法等。