被动源面波勘探在金属矿区的应用探索.pdf

3 2 0 福建地质Ge o lo g y o f F u m n 第 1 期 被动源面波勘探在金属矿区的应用探索 黄海清 ( I q地 质 火 、 ： 武 议 1 3 ( ) 0 7 , 1 ； 建 肯 地 质 测 绘 院 州 ，3 5 0 01 1 ) 摘 要 紫金I I I 悦 洋银 多金 矿l 五 层 具 -i 结 十 勾，已开采 多 存 较 的游 散电流 和电 磁场 t ： 扰 ，尝试采 刖被动源 面波勋探法 进行分层 ，以探 明 | 1 的 试验结 果表 明， 1 天然 源 瑞利波频做曲线提取技 术的被动源 商波勘探 浊 放 地 ； 找 、追索 状 、似J A - 状 简 结 构 的矿体 、 矿 f 4 成 ，是 种 iT 的问接找 法 。 关 键 词 被 动 源 丽 波 银 多 金 矿 幢 效 果 编建 紫金 山悦 洋矿 是一 个 已经 开采 多年 的银 多金属矿 ，山于是 正在开 采 的矿 山 ， 及 其外 围 ，布设 r大量供 电电缆和各 种管 线 以及重 型机构 在采 区 的开 采作 业 ，产牛 r较强 的游 散 电流和 电磁场 ，对 常规 的物探勘 察方 法 ，尤其 是 电法 、磁法 、电磁法 的 1 - 作 造成很 大 十扰 ， 此 ，需 要 寻找一种 抗 干扰能 力强 、探测 深度 大的物 探方 法 ，被 动源 面波勘 探止 是这 佯一 种方 法 。被 动源 面波勘 探是 弹性 波法勘 探之 一 ，其对 分小 M地层 有较 好效 果 。 l 矿区地 质概况 该矿 区地表 为平缓 丘 陵地形 ，最 大 高差 只有 数十 米 ，地 形起伏 较小 。矿 区岩性 具有 i 结构 ，从上 至下 依次 为石 帽li J 群 的流纹 岩火 含砾 粗砂岩 、砂 砾岩 、粗砂 岩盖 ；燕 山 早期侵 入 的I _ l 1 细粒 至 中粗粒花 岗岩( 岩 ) ；楼 子 坝组变 质砂 岩央 砂质 干枚岩基 底 。 矿体 主要发 育在基 底 与火 山岩层小 整合 面附 近 的一 绀铲 式断 裂裂 隙带 r l， 似 层状 或透 镜状 产 m ，构成 总体走 向北 两 ( 3 l O 。 3 3 0 。 ) 、向南 两或北 东缓 倾斜 ( 倾 角03 ( ) 。 ) ， 多 组 成 的矿休群 ，隐伏于地 表之 F。其 lll A L ,( A a )和 Ag ( Au )矿 体在 不整 合 向 、下的 火 L J I 岩和 花 岗岩 中，而 ( u 矿 体 主要 存于 不整 合 面下 的花 岗岩 中 。 由此 可 见 ，花 岗岩是 该矿 的主 要贮矿 部位 ，圈定 该岩 体 的分布 和起伏 变化情 况 ，口 丁 以达到 问接找 矿 的 日的 。 从 已知 钻探 揭露 的地质 剖面 町知 ，矿 区主要 岩层起伏 小 结构 简单 ；对 一种不 同岩性 的 岩芯 进行 弹性波 速测试 结果 显示 ， 帽I 【 】 群 的砂 岩纵 波波速( )为 3 8 0 0 4 0 0 0 m s 。r 1 细粒 花 岗岩 纵波 波速 ( )为 4 2 0 ( ) 4 8 0 0 m s ，楼 f坝 组 变质 岩纵 波 波速 ( V ) 为 5 0 0 0 5 5 0 0 m s ，表 明花 岗岩体 与盖层 和 基底 地 层 问 l 仔在 弹性 波 速差 异 ，具 备 使用 弹 性 波法 勘 探 的条件 。 由于弹性 波法勘 探是 利用 弹性 波在时 域和频 域 巾变化差 异 区分岩层 ，受 电磁 f扰 的影 响小 此 ，尝 试使用 被动 源 而波助探 法进 行分 ，以探 明 日的层 。 收稿 日期 ： 1 1 l( )l 8 作者简介：黄海清 ( 1 c ) 7 6) ， I 程帅 心J t 地球物理 、 l 第4 期 黄海清 ；被动源 面波勘探在金属矿区的应用探索 3 2l 2 被动源面波勘探基本原理及工作流程口 被动源面波勘探也称为微动探测或环境随机振动探测。在美洲 、欧洲和 日本等国家和地 区，被动源面波勘探在无损检测和场地评价 中得到广泛应用。被动源面波勘探的历史 比较 久 ，早在 2 0世纪 5 o年代 ，Ak i ( 1 9 5 7 )就利用被动源测定覆盖层速度结构( 当时的许多计 算是 由模 拟 电路 实 现 的) ；1 9 6 5年 ，C a p o n提 出 了新 的方 法并 成功 地 定位 核实 验 场位 置 。随 后，尤其在最近的 2 0年中，由于硬件计算能力的不断提升和软件技术的发展 ，被动源面波 分析 方法也 得 到进一 步完 善 。 被动源面波勘探属于面波勘探的一种 。其震源主要源于 自然界和人类 的各种活动，前者 由自然界中的风、潮汐、气压变化、火山活动等产生 的震动，频率小于 1 Hz ，后者 由车辆 移动 、机械运行 ，以及人类 日常生活 、生产活动等产生的震动 ，频率大于 l Hz 。所有这些 振动的能量将以弹性波的形式向远处传播 ，是 由体波 ( P波和 S波 )和面波 ( 瑞利波 和拉 夫波)组成的复杂振动 ，其能量传播的主要形式是面波 ，即所谓的被动源面波。尽管被动源 面波 信号 的振 幅和形 态 随时空 变化 而发 生变 化 ，但 在一 定时 空范 围 内具 有统计 稳定 性 ，可用 时 间和空 间上 的平稳 随机 过程 描述 。被动 源 面波勘 探方法 就是 以这 种平 稳随机 过程 理论 为依 据 ，从采集的被动源面波数据中提取面波 ( 瑞利波)的频散曲线 ，通过对频散 曲线 的反演， 获得 地下 介质 的横波 速度 结构 。 从被动源面波信号的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线的方法有 2 种 ，一种是频率波数 域法( F K法) ，另一种是空间自相关法 ( S P AC法) ， 目前 常用 S P Ac法 ，也是笔者所采 用 的方法 。 2 1 空间 自相关 法 空 间 自相 关法( S P AC法 )是 Ak i在 1 9 5 7年 首创 的提 取 被 动 源 面 波 频 散 曲线 的方 法 。 其基本原理是 ，给定一组被动源面波接收点 ， 周上( 图 1 ) ，假设 中心 点 C ( 0 ，0 ) 与 圆 周 上任一点 X ( r ， )接收 的角频率 为 叫的面 波信号分别 为 ( 0 ，0 ，叫，t )和 “ ( r ， ， C O ， ) ，则其 空间 自相关 函数 ： ( r， 0， CO) 一 ( 0， 0， C O， ) ( ， ， 0， ， ) 空间自相关 系数 则定 义为空间 自相关 函 数 在所有 方 向上 的平均 ，即 1 2 F lD ( r ， co )一 5 ( r ， ， o J ) d O 上式 的积 分结 果可表 示 为 cD ( r ，c o ) 一J。 ( C O ) 式中：J 。( z)是第一 类零 阶 贝塞尔 函 数 ，V( )为面波相速度 。 其中一个点位于中心，其余点等角度分布在圆 图 1被动 源观测 示意 图 Fig 1 Th e s c h e m a t ic d ia g r a m o f t h e p a s s iv e O bs e r v a t iO n 由此可见 ，空间 自相关系数是面波相速度和频率的函数 ，通过拟合计算的空间自相关系 3 2 2 幅建地质( e o l o g y o f F u J i a i 】 第 卷 数 ( r ， ) 町以导 面波相 速度 。 用 牵 问 自相 关法处 理被动 源 而波数 据时 ，首先 将实测 被 动源面 波信号 记 录分 成若 干 个数 据段 ，剔除 干扰 明显 的记录段 ，将 各数 据段通 过 F 1 心 频 率不 同的 窄带 滤 波器 处理 各 数 据段 ， 分别 提取各 个待 分析 的频率 成分 ，再对 各个频 率成 分分别 计算 中心 测点 与圆周 上各 点之 问的 空问 白相 关系数并 进行 方位平 均 ，最后 用不 同观测 半径 的 自相 关系 数计算 瑞利 波相 速度 的频 散 扭 线 。 采用空 间 自相关法( S P A C法 )从被 动源 面波信号 记 录 巾提 取瑞利 波 并计 算 各 台阵 的瑞 利波 颇散 曲线后 ，用个 体群 探索 分 歧 型遗 传 算法( f GA) ， F h 相 速度 频 散 曲线 反 演 地 下模 S 波速 度结构 。反 演计算 前先 给定 初 始模 型 ，即层 数 以及 各层 S波 速 度 及层 厚 的范 围 ( 上 限 和下 限 ) ，再 从 给定范 围 中求 得 S波速 度结 构 的最 优解 。 2 2工作 流程 被动 源面 波剖面探 测数 据处 理 l l 作 流程 是采 用空 间 白相 关法 ( S P A C法 )获 得各 被 动源 面波 中心 点的 面波频 散 曲 线后 ，直接 计 算 视 S波 速度( ) ，将 相速 度 频 散 曲线( V r - ，曲 线 )转换成 视 S波速 度 随深 度 的变 化 曲线( D 曲线 ) ，再 通过 插 值 、光滑 计算 ，最 终 获得 视 S波速 度剖 面 ( V 剖 面 )( 图 2 ) 。 观 测 波形 记 录 汁算 - F r e q u e n c y f H鼢 瑞雷波相建度频散曲线 队 速度剖面图 图 2 被动源 面 波剖面 探测数 据处 理流程 图 Fi g 2 Fl o w c h a r t o f de t a c t io n d a t a p r o c e s s in g f r o m pa s s iv e s u f a c e wa v e s e c t i o ns 视 s波 速度 是既 不同于 相速 度 也 不 同于 S波 速度 的面波物性 参数 ，具 有速 度 量纲 。 为避 免 了反演 过程 中设置 初始模 型 、反演 结果选 取 等人为 因素 的影 响 ，被 动源 面波 剖面结 果能 更客 观 、有 效地 反映 地层岩性 变化 。 3 应用实例 该次外业观测仪器采用 日本地学数据分析研究所 MT KV 1 C型微动勘察仪系统 。采J H 各点 独立 观测方 式进行 。时间校 正 由记录仪 内置 GP S自动 完成 。 为了便 于与钻 探剖 面 的对 比研 究 ，选 择紫 金 山悦 洋 矿 区 7 3号勘 探线 作 为 观测剖 面 。共 布设 7个观测 点 ，点 距 2 0 0 m，剖面 长度 1 2 0 0 m。该 次被 动源 面波 探 测采 用 四重 圆形 阵列 观测 系统 ( 图 3 ) ，每个 被 动 源 面 波 中 心 点 ( AG)均 有 共 1 3个 测 点 组 成 ，即 中 心测 点 ( 编号 为 )和 四个不 同半径 圆周 内接正 j角 形顶点 上 的 1 2 个 测点 ( 编号 为 。正 j角 3 24 第 (j 卷 D - A r r a y o 8 J 0 草 。 f 一 z 。 l 。8L 一 一LJ 一： 。 一 m l 嚣 l j 。0 。 j 。L 一 一j 图 5部 分测点 单点反 演 结果( 左 ：频 散 曲线 ；右 ：S波速 度结构 ) F ig 5 t h e s in g le - p o in t in v e r s io n r e s u lt o f p a r t ia l s t a t io n ( 1 e f t ：d is p e r s io n c u r v e s ；r ig h t ：S wa v e v e lo c it y s t r c t u r e ) 视 S波速度( )地 质推测 解 释 剖 面 图 ( 冈 6 )为采 用 被 动源 面 波剖 面探 测 数 据处 理 方法获 得 的视 S波速 度( V ) 剖 面 。结 合 速 度 剖 面 和单 点 反 演 结 果 ，剖 面 可 以分 为i 层 ，第 一层 速 度小 于 2 0 0 0 m s ，第二 层 V 速 度在 2 0 0 0 2 8 0 0 m s ，第 层 V 速 度大 于 2 8 0 0 m s ，其 叶 1 第 二层 在 E、F 、G点下 方 3 0 0 4 0 0 m 处 厚度 变 大 ，界面 向下 凹 ，与地 质剖 面对 比分 析发 现 ，这与钻 探揭 露含矿 的中细粒 花 岗岩层 变化 比较 吻 合 。说 明 速 度剖 面结果 很好 的显示 出含 矿岩层 的贮存特 征 。 其次 ，在 E点下方 ，在深度 2 0 0 F n范围内，横向上 速度发生错断而不连续 ，这与地 质上所 发现 的断层 位置 一致 ，推 测该 V 速 度 的 变化 应 该 断层 的。反 映 而在 B 、( ： 点 下 4 0 0 m的位置也存在一横向上 V 速度的错断 ，推测很可能是断层向下延伸所致 。 另外 ，从剖 面上发 现在 深部 大 于 6 0 0 I I I 的位 置 ，再 次 出 现低 速 异 常 层 ，该 异 常 是 否 是 深部 岩浆 侵入形 成 的含矿层 位值 得关 注 。 4 探测效果及评价 该 次用被 动源 面波勘 探技术 探测 银多 金属矿 含矿 层 ，是 一次创 新性 尝试 。从探 测结 果与 地质剖 面 的对 比，采用被 动源 面波 勘探技 术对 区分 含矿层 有较 好的效 果 ，结 合被 动源 面波 单 点反演 ，能 较准确 地确定 含 矿 岩层 的顶 、底 界 面 深度 。断层 在 V 剖 面 上也 有 较 明 反应 ， 如果测点间距布设合理 ， 速度剖面探测可有效确定断层平面位置 。试验结果表明，基于 天然源瑞利波频散曲线提取技术的被动源面波勘探方法 ，对层状、似层状简单结构的矿床进 行分层，寻找和追索含矿岩体或岩层是有效的 ，是一种可行的间接找矿方法。 一 鼍 ) f i 。 o m 嚣 氘 3 2 6 福建地质Ge o l o g y o f F u j i a n 第3 O 卷 5 结论 通过 紫金 山悦洋 银多金 属矿 区 的试 验表 明 ，被动源 面波勘 探法 是一 种抗 干扰能 力强 ，探 测深度大的物探方法 ，可有效寻找追索较简单结构层状 、似层状矿体、含矿岩体或岩层 ，是 一 种 可行 的 间接 找矿 方法 ，其 主要 优 缺点如 下 。 ( 1 )无需人 工源 ，不受 场地 限制 ，野外 作业 简便 ，勘探周 期短 。 ( 2 )主要采集弹性波信号 ，不受电磁干扰影响。 ( 3 )探测 深度 大 ，根 据 台阵观测 半径 大小 ，探测 深度超 过 3 0 0 0 m。 ( 4 )对层状、似层状简单地质结构有较好的效果 。 ( 5 )对 于地质情 况复 杂 、或地形 起伏 较大 的地 区 ，未必 能获 得理想 的勘 查效果 。 ( 6 )对 于太薄 的岩层 或矿 体分辨 能力 较差 。 ( 7 )勘 查费用 较高 ，开展 面积性 勘查 工作 成本 较大 。 因此，使用该方法与钻探等多种勘探方法相结合的探测，能更好发挥物探勘查的综合优 势 ，取 得更 好探测 效果 。 参 考 文 献 赵 东 被动源面波勘探方法与应用 物探与化探 ，2 O 1 O ，3 4( 6 ) 孙 勇军 ，徐佩芬 ，凌娃群 ，李传金 微动勘查方法 及其研究进展 地球物理学进展 ，2 0 0 9 ，2 4 ( 1 ) 冯少孔 微动勘探技术及其在土木工程中的应用岩石 力学与工程学报 ，2 0 0 3 Re s e a r c h o n Ap pl ic a t io n o f Pa s s iv e S u f a c e W a v e M e t ho d s in t he M e t a l l ic Or e Zo n e H ua ng H a iq ing ( C h in a Un iv e r s it y o J Ge o s c ie n c e s ，Wu h a n，4 3 0 0 7 4 ， Fu j ia n I n s t it u t e o f Ge o l o g ic a l Su r v e y a n d Dr a win g，Fu z h o u，3 5 0 0 1 1 ) Ab s t r a c t Th e Z i j in s h a n Yu e y a n g s il v e r p o l y me t a l l ic o r e f ie l d e x it t h r e e l a y e r s s t r u c t u r e B e c a u s e t h e r e a r e s t r o n g s t r a y c u r r e n t a n d d is t u r b a n c e o f t h e e l e c t r o ma g n e