呂玉增, 程一鳴, 盧光輝, 姚雙秋

(1.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)二七四地質(zhì)隊,廣西 北海 536000)

0 引言

桂西沉積鋁土礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀特征,賦存于上二疊統(tǒng)合山組底部,礦層頂部大致保持平行沉積層理,產(chǎn)狀與含礦巖系地層一致,礦層厚度受古風化殼起伏影響較大,但總體上較穩(wěn)定,礦層厚度在0～4 m[1]。該地區(qū)沉積型鋁土礦成礦條件有其特殊性,其含礦巖系上覆巖層普遍存在泥巖層、炭質(zhì)頁巖層。與圍巖相比,盡管鋁土礦及其上覆的炭質(zhì)層具有明顯的低電阻率和高極化率的電性特征,但由于鋁土礦、炭質(zhì)頁巖層等厚度薄,且連續(xù)性不好,地面激電測深分辨率有限,無法獲得深部鋁土礦等目標層可靠有效的異常數(shù)據(jù)。為此,嘗試在已知鉆孔基礎(chǔ)上,開展激電測井和井-地聯(lián)合觀測綜合探測技術(shù),以期在桂西鋁土礦勘查區(qū)找到一種可靠的激電探測技術(shù),提高沉積型鋁土礦物探勘查效果。

桂西沉積型鋁土礦具有典型的層狀特征,但由于地殼運動、風化剝蝕等原因,保存在地層中的沉積型鋁土礦厚薄不一,層位錯斷、礦層漸滅等現(xiàn)象常見。人工源的地震勘探是探測層狀地層介質(zhì)的最有效的地球物理勘探方法之一,具有探測深度大、分辨率高等優(yōu)點,但缺點是起伏地形、構(gòu)造地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域勘探效果不理想,且勘查成本高。與傳統(tǒng)的地面人工源地震方法相比,利用天然源的地震噪聲成像技術(shù)具有勘探深度大、經(jīng)濟、高效等特點,近年來這一方法在國內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用,特別是利用短周期頻散測量,可大大提高對淺層的分辨能力[2]。

本文利用測井和井-地聯(lián)合觀測以及噪聲層析成像相結(jié)合的綜合物探方法對桂西某沉積型鋁土礦進行試驗研究,為桂西沉積型鋁土礦勘查技術(shù)研究提供參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

桂西某沉積型鋁土礦勘查區(qū)出露地層由老至新主要有下二疊統(tǒng)茅口組(P2m)、上二疊統(tǒng)合山組(P3h)、下三疊統(tǒng)馬腳嶺組(T1m)和第四系(Q)。

下二疊統(tǒng)茅口組:灰—灰白色厚層塊狀灰?guī)r,堅硬性脆,質(zhì)純,風化后呈灰白色松散狀,下部見黑色燧石結(jié)核,偶見白云質(zhì)灰?guī)r夾層。厚200～350 m。

上二疊統(tǒng)合山組:上段(P3h2)為灰、白灰色巨厚層灰?guī)r,致密性脆,質(zhì)較純,頂部常有鮞粒結(jié)核;下段(P3h1)為灰黑色中厚層燧石灰?guī)r,燧石呈黑色結(jié)核或條帶狀,中夾煤層或炭質(zhì)頁巖。底部為青灰色、灰黑色鋁土礦,質(zhì)硬帶韌性,含黃鐵礦晶體呈浸染狀或結(jié)核分布。頂部有0.3～0.5 m厚的灰色薄層狀鋁土質(zhì)頁巖,為上、下段分界;合山組總厚95～105 m。與下伏茅口組呈平行不整合接觸。

下三疊統(tǒng)馬腳嶺組:上段為灰色、深灰色薄層灰?guī)r,含泥質(zhì),常具鮞狀結(jié)構(gòu),底部有5～6 m白色薄層白云質(zhì)灰?guī)r;下段為灰黑色薄層頁片狀灰?guī)r,一般含泥質(zhì)較高,風化后呈灰綠色或淡紫色。厚約170 m。與下伏合山組呈平行不整合接觸。

第四系:一般為黃褐色或褐紅色黏土夾雜礫石,部分地段為堆積型鋁土礦。厚0～22 m。與下伏地層呈角度不整合接觸。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

該鋁土礦區(qū)所屬區(qū)域構(gòu)造單元為湘桂地塊,是中國南方揚子板塊與華夏板塊之間的過渡地帶,礦區(qū)位于華南EW向構(gòu)造帶西段、廣西“山”字型構(gòu)造體系的前弧西翼外緣[3,5]。位于布絨向斜,為那豆背斜內(nèi)部的次級褶皺。布絨向斜與那豆背斜軸向一致,為NW—SE向,地層傾角一般為10°～20°,局部達60°。受構(gòu)造擠壓作用,地層沿走向和傾向均發(fā)育小褶曲,規(guī)模一般不大,走向上傾角5°～10°,總體呈緩波狀,傾向上傾角大于沿走向傾角,在向斜北端表現(xiàn)更為明顯。斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,以NW—SE向逆斷層為主,次為NE—SW向、近EW向,以及少量小斷層。

1.3 礦區(qū)電性特征

該沉積型鋁土礦礦石的主要化學成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、S等[3],平均占比為80%～90%;其他成分如MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、SO3、CO2、Ga、Ge、Mn、V、Zn、C等含量甚微。圍巖主要為泥巖、灰?guī)r等。前期收集了鉆孔和地表揭露的巖礦石標本(共55塊)進行了電性測定工作。從巖礦石標本測定結(jié)果(表1)來看:鋁土礦、鐵礦石標本的平均電阻率約180 Ω·m,極化率約4%;而背景泥巖、灰?guī)r的平均電阻率大于1000 Ω·m,極化率為1.4%;炭質(zhì)泥巖的平均電阻率約600 Ω·m,極化率為1.9%;測區(qū)鋁土礦體具有明顯的低阻高極化電性特征。

表1 測區(qū)巖石、礦石電物性參數(shù)統(tǒng)計

2 激電測井和井-地聯(lián)合測深技術(shù)

礦區(qū)鉆孔A孔深332 m,揭露的鋁土礦層處于上二疊統(tǒng)合山組下段,埋深325～328 m,各層厚度及巖性見表2。由電測深理論計算可知,對于埋深300 m的一個厚3 m的低阻高極化薄層,即使低阻高極化異常體與背景值相差一個數(shù)量級,用盡可能大的供電極距,地面電測深也僅能觀測到不超過2%的相對異常幅度,這個異常幅度與激電測深的野外觀測誤差水平相當。也就是說在實際工作中,對于埋深300 m的3 m厚沉積型鋁土礦體,地面的激電測深無法進行有效勘測,因此必須要利用鉆孔,即開展井中、井地的聯(lián)合探測以提高對深部礦體的分辨能力。

表2 鉆孔A巖性柱狀表與標本物性測定結(jié)果對照

為了更準確地獲取鉆孔A各地層的電阻率、極化率數(shù)據(jù)信息,開展了井孔巖心標本的測定工作,對各巖性不同的井段取典型的巖(礦)石標本進行測定。在此基礎(chǔ)上,開展井中供電、地面觀測的激電井-地聯(lián)合測深(圖1),井中供電電極和地面電極點距均為20 m。

圖1 激電測井和井地聯(lián)合測深示意圖

為了改善井-地聯(lián)合測深數(shù)據(jù)反演的多解性問題,充分利用激電測井的數(shù)據(jù)信息,建立起以測井數(shù)據(jù)為約束的背景模型,建立基于約束的最小二乘反演算法,構(gòu)造最小二乘反演目標函數(shù):

ψ=‖Wd(Δd-AΔm)‖2+‖Wm(m-m0+

Δm)‖2

(1)

其中 ‖Wd(Δd-AΔm)‖2為常規(guī)的最小二乘方法; ‖Wm(m-m0+Δm)‖2為已知先驗信息項;m0(m0j,j=1,2,…M;M為模型單元數(shù))為測井得到的局部模型向量;Wm為光滑度矩陣,也稱模型約束矩陣。對式(1)Δm求導(dǎo),并令其等于0:

(2)

寫成迭代形式:

mj+1=mj+Δmj

(j=0,1,2,…) (3)

式(3)就是模型參數(shù)帶約束條件時的最小二乘反演的迭代形式。

3 地震噪聲層析成像技術(shù)

背景噪聲是經(jīng)過地下各層介質(zhì)散射后被地震臺站所記錄到的地球內(nèi)部的一種特殊波,其產(chǎn)生源比較復(fù)雜,是一種非震源產(chǎn)生的波[6-7]。通過對兩個臺站長時間的環(huán)境噪聲記錄進行互相關(guān)計算,提取臺站間的格林函數(shù),獲取面波頻散信息,得到各個周期的群速度或相速度,然后通過反演計算得到每一點的群速度或相速度,并進一步通過層析成像方法獲得地下速度結(jié)構(gòu),最后得到速度成像圖,噪聲成像過程主要有五個部分:單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取格林函數(shù)、頻散曲線測量、質(zhì)量控制、面波層析成像[6]。

單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理去除噪聲的地震信號和儀器不規(guī)則響應(yīng)等干擾,再從干涉波場中提取經(jīng)驗格林函數(shù),也是噪聲層析成像的基本思想。歸一化的時間互相關(guān)函數(shù)可以表示為

(4)

其中:t是時間延遲;互相關(guān)時間長度為2T;地表x1和x2和它們的波場u(X1)和u(X2)。對兩個接收點的記錄進行互相關(guān)運算,可以得到兩點之間的經(jīng)驗格林函數(shù),相當于兩個接收點中的一個可視為虛擬的脈沖震源,在另一點記錄到地震波場可視為這個虛擬源所產(chǎn)生的脈沖響應(yīng)。Gouedard等在隨機場、噪聲均勻分布的假設(shè)下,推導(dǎo)了具有普遍適用性的格林函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)之間關(guān)系式,即A和B波場間的互相關(guān)函數(shù)表達式為

Ga(-τ,rA,rB)]

(5)

(6)

頻散曲線的測量是由經(jīng)驗格林函數(shù)或噪聲互相關(guān)的群(相)速度得到的,提取出地震數(shù)據(jù)中的頻散信息。選取的頻散信息要臺站距大于3倍波長以上的數(shù)據(jù),對測線進行網(wǎng)格剖分,獲得二維速度分布圖,計算并反演網(wǎng)格節(jié)點的頻散曲線,獲得網(wǎng)格的速度的垂向分布。

4 勘探成果推斷解釋

4.1 激電測井解釋

鉆孔A終孔深度約352 m,由于鉆孔180 m以下塌孔嚴重,實際激電測井只能下到180 m。測井采用底部三極梯度裝置。極距選擇:AO=5.5 m,MN=1 m,相鄰點距間隔為5 m,電極同步移動逐點觀測電阻率、極化率和自然電位。圖2是鉆孔A的測井綜合剖面圖,紅線、黑線和綠線分別為自然電位(Sp)、電阻率(ρ)和極化率(η),因測井極距較小,測井數(shù)據(jù)結(jié)果基本相當于觀測不同深度對應(yīng)巖性的電性數(shù)據(jù)參數(shù)。自然電位主要反映測區(qū)的干擾、地下水等引起的自然電場情況,整體上自然電位曲線比較平滑。電阻率測井結(jié)果顯示50 m以淺測段電阻率值偏高,平均值達2000 Ω·m,鉆孔50～150 m測段電阻率值偏低至1000 Ω·m,不同巖性之間,微晶灰?guī)r和扁豆狀灰?guī)r的電阻率要略高于廣泛分布的泥質(zhì)條帶灰?guī)r。極化率測井結(jié)果顯示極化率變化介于1%～3%之間,整體上泥質(zhì)條帶灰?guī)r區(qū)的極化率平均值約為1.6%,而微晶灰?guī)r和鮞粒狀灰?guī)r的極化率略高,大于2%。從鉆孔A有限深度的測井結(jié)果來看,盡管揭露的大多是灰?guī)r,但也存在電性差異:

圖2 鉆孔A測井綜合剖面圖

(1) 50 m以淺的淺部泥質(zhì)條帶灰?guī)r呈現(xiàn)中高阻(2000 Ω·m)、低極化(1.6%)的電性特征。

(2)而中深部的泥質(zhì)條帶灰?guī)r顯現(xiàn)低阻(1000 Ω·m)低極化(1.6%)的電性特征。

(3)微晶灰?guī)r和扁豆狀灰?guī)r具有中高阻(1500 Ω·m)高極化(>2%)特征。

4.2 井-地激電測深數(shù)據(jù)反演解釋

利用桂林理工大學開發(fā)的激電數(shù)據(jù)反演軟件,對井-地聯(lián)合測深觀測的數(shù)據(jù)進行了二維反演,反演過程中,利用測井的數(shù)據(jù)對井孔周圍的電阻率參數(shù)進行模型約束,圖3和圖4分別為電阻率和極化率反演圖[9]。反演結(jié)果顯示:

圖3 井-地激電測深剖面電阻率反演成果圖

圖4 井-地激電測深剖面極化率反演成果圖

(1) 測深剖面整體淺部(200 m以淺)電阻率的水平分層特征較明顯,具有淺部(20 m以淺)和深部電阻率低、中間深度電阻率高的特點,推測深部的低電阻率、中高極化率特征主要與含礦層或炭質(zhì)頁巖層密切相關(guān)。

(2) 剖面上260～340 m測段地表,呈現(xiàn)明顯的低阻、高極化異常帶,并向小號方向(SW向)傾,在360 m位置深部也同樣呈現(xiàn)低阻條帶,并向小號方向(SW向)傾,推測為地表出露的礦化體,并延伸至深部。

(3) 在鉆孔A編號負方向,深部的低阻異常帶明顯變淺,推測礦化層或炭質(zhì)層變淺或是另一組的SW傾向的礦化層。

4.3 地震噪聲成像解釋

地震測線設(shè)計總長度4 km,NW—SE方向,該測線垂直于地質(zhì)勘探線布設(shè),主要了解鋁土礦、炭質(zhì)層等低速層在垂直地質(zhì)勘探線方向上的延伸、埋深和分布規(guī)律,指導(dǎo)下一步的地質(zhì)鉆探等工作。整條測線共完成了194個測點,測點距10～50 m不等,對于部分陡崖、灰?guī)r裸露等不能布設(shè)地震測點的地方,測點進行了適當?shù)钠?剖面波形無畸變、無振蕩噪聲和感應(yīng)現(xiàn)象,沒有因能量不均勻引起的條帶現(xiàn)象。圖5是噪聲層析成像圖,為了對照解釋,筆者把地震測線周圍的鉆孔和各測點的高程也垂直投影在地震測線上,并標出了各鉆孔揭露的炭質(zhì)層、煤層或鋁土礦層的深度信息。噪聲層析成像結(jié)果清晰地呈現(xiàn)水平帶狀的低速層,對照各鉆孔的鉆探信息,低速層的位置基本對應(yīng)了炭質(zhì)層或鋁土礦層。同時,噪聲層析成像顯示出沿測線上1650～1800 m、1900～2050 m、2500～2800 m測段存在低速層的錯段,推測為地層不整合面。

圖5 地震測線噪聲層析成像圖

5 結(jié)論

綜合本次綜合物探的實踐應(yīng)用,得到以下認識:

(1)本工作是電法激電測井、井-地激電測深聯(lián)合解釋和噪聲層析成像綜合物探技術(shù)在桂西鋁土礦勘查中的首次運用,取得了較好的勘查效果,具有良好的示范作用。

(2)充分利用測井數(shù)據(jù)信息,并結(jié)合地面、井孔的聯(lián)合激電測深可提高深部探測的分辨率,是解決桂西鋁土礦精細勘查的一種有效途徑。

(3)天然地震噪聲觀測技術(shù)具有效率高、成本低等優(yōu)點,對于桂西復(fù)雜地形地區(qū)沉積型的低阻層、斷層和地層不整合等探測效果明顯,可通過在重點區(qū)域布設(shè)高密度測點的天然地震勘探工作,實現(xiàn)地震噪聲地層層析成像。