金川矿区及周边地球物理特征和背景噪声成像的应用

张宇，冯晅，恩和得力海，刘乾，李晓丹，王智雄

吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

金川铜镍硫化物矿床是世界上著名的超大型矿床，拥有国内最大储量的镍矿，镍保有储量占全国镍总储量的62.2%，产量约占全国镍矿的95%[1--3]。金川铜镍硫化物矿床主矿区的勘探和研究工作已经进行了多年，为扩大产量，研究矿区深部构造是非常必要的。传统方法勘查金属矿主要是利用地质和地球化学方法，但当探测深度较深时，采集岩样标本较困难，无法获取深部信息[3]。同时，金川矿区结构复杂，断裂倾角较大，导致地震波场异常复杂，难以给出合理的解释，地震勘探方法受到很多限制[4]。为进一步研究矿区深部构造及矿产储量，在矿区附近开展了背景噪声层析成像的研究，结合重力以及航磁异常的结果，综合解释金川矿区及其周边的地质概况，给出深部找矿的依据。

地震背景噪声成像是近年来发展起来的研究地壳速度结构的方法，区别于主动源，背景噪声成像是一种无源成像方法[5]。背景噪声在时间上稳定并可重复利用,有效地避免了传统地震成像因地震定位不精确和台站分布不均匀以及高频面波的强烈衰减等因素所导致的不可重复性[6--7]，有助于对地壳内部的波速变化进行实时监测,分析地壳内部区域应力状态的变化,促进地震预测方面的探索研究[8]。

背景噪声层析成像方法通过计算两个台站长时间地震噪声的互相关函数，并进行叠加，最终将结果近似为两个台站之间的经验格林函数，以此来获得面波传播信息[8]。由于该方法成本较低，并且对浅部地壳具有高分辨率，因而该方法被广泛应用[6--8]。Shapiro et al.[9]提出利用地震数据垂向分量进行互相关得到地下速度结构后，利用背景噪声层析成像方法在美国加州台站历时一个月监测，反演得到7.5 s和15 s周期的瑞雷波群速度成像图。随后，该方法在全球范围内广泛应用。彭一波等[10]通过使用python语言的obspy软件包从噪声数据中提取了格林函数；王娟娟等[11]在新疆呼图壁储气库地区开展了背景噪声成像技术，重点研究了该地层上覆地层物性特征；谭夏露等[12]在安宁河—则木河断裂附近开展背景噪声研究，揭示了断裂两侧存在明显速度差异的特征；俞贵平等[13]在胶东地区进行历时一个月地震台站监测，反演结果揭示了胶西北和牟乳两个矿集区控矿构造的不同；魏红梅等[14]利用背景噪声技术在重庆地区开展研究，反演得到的速度结构与研究区内构造有很好的对应性；丁文秀等[15]通过瑞雷波层析成像揭示了秦岭—大别及邻区大致以太行—武陵重力梯度带为界,呈现出地壳东薄西厚的结构特征；王仁涛等[16]利用背景噪声层析成像技术获得了松辽盆地沉积层厚度模型，揭示了松辽盆地的沉积层厚度分布呈现出中间厚、四周薄的特征。

笔者采用背景噪声层析成像的方法反演得到金川矿区及周边地下速度结构，结合其他地质资料进行综合解释,为深部找矿提供依据。

1 区域地质构造

金川铜镍硫化物矿床，大地构造上位于华北板块西南边缘，龙首山隆起带中部。区域构造走向呈NEE向，在金川以东转为近EW向[17]。龙首山隆起的北缘和南缘存在两条深大断裂带。其中，龙首山隆起的北缘断裂带(F1断裂)是龙首山隆起和潮水盆地的分界，将隆起区与沉降区分开；龙首山隆起的南缘断裂带是龙首山隆起和早古生代祁连褶皱带的分界[3，18]。

F1断裂是最主要的控矿断裂，靠近矿区。F1断裂不是单一的线性断裂，是在长期的构造演化中由若干个断裂连接贯通形成的[19]。F1断裂可能开始于晚古生界，在石炭、二叠纪时期连接贯通。该断层的活动使得元古代变质岩系逆冲推覆到中新生代沉积岩之上，更新世砂砾岩被逆掩在F1断层之下，可以断定F1断裂的形成年代比金川岩体的形成年代要更晚，应该是新生代断层[3,19]。龙首山隆起带地层出露较为齐全，除奥陶系、志留系的地层外，其他地层均有出露[18--20]。龙首山隆起带构造活动强烈且复杂，壳幔各圈层物质及能量交换频繁，成矿作用丰富，是大型、超大型矿床形成的有利地段(图1)。

龙首山隆起带的基底构造层主要由前震旦系组成，以倾向南西的单斜构造出露，大多位于龙首山的北侧；盖层主要为震旦系，表现为一复式背斜。隆起带中断裂、褶皱十分发育[21]。龙首山构造单元的构造发展主要经历了先挤压后拉张再挤压的构造历史[22]，其构造主要可概括为以下几个阶段：龙首山地区在吕梁运动的早期发生了强烈的构造运动，晚期地幔上拱，称为前断裂拱曲阶段；而后发生持续拉张作用至震旦纪，产生北祁连大陆裂谷，同时形成北祁连原始大洋湾；震旦纪末期，受强烈的托莱运动影响，龙首山地区发生挤压式剪切断裂活动，形成目前的地质环境雏形；后期龙首山持续隆起，遭受剥蚀，表现为最终形态[22]。

1.第四系；2.三叠系—新近系；3.古生界；4.前震旦系；5.龙首山隆起带；6.花岗岩--闪长岩侵入体；7.铁镁--超铁镁侵入岩；8.断裂。图1 金川矿区及周边地质简图(据文献[21，22]修改)Fig.1 Geological simplified map of Jinchuan mining area and surroundings

2 金川矿区及周边地球物理特征

金川矿区及周边区域布格重力异常(图2)整体上以祁连山重力陡变梯级带为主要特征，将重力低与重力高截然划开。重力异常值自北向南，自东向西逐渐减小，定性地反映了地壳厚度自北向南、自东向西变厚的特点[3,22--23]。

从图2中可明显看出，重力异常线主要是沿着西北方向展开，在西部、东部位置存在局部异常成群的闭合，说明区域背景场存在局部的重力异常[23]。金川铜镍矿床位于祁连山陡变梯级带的北侧(图1)，大地构造位置上属于华北板块西南边缘，含矿超基性岩体的侵入与区域断裂构造活动相关。

由区域内的航磁异常数据(图3)可以看出，区域内磁异常普遍呈带状分布，大体上对应隆起带和褶皱单元。其中，大部分异常是由沿断裂带侵入的中酸性岩和深变质岩引起的[22]，揭示了研究区时常发生岩浆活动。龙首山西北部异常表现为北西向，东部转为近东西向，异常主要由下元古界深变质岩系和中酸性岩浆岩引起[24]。金川矿区(图3)整体上位于构造带(F1断裂)和岩浆带的交汇处，同时该处的磁异常也比较复杂[25]，因而造就了金川铜镍硫化物矿床的丰富性。

图3 区域航磁等值线平面异常图(据文献[21，23]修改)Fig.3 Contour plane anomaly map of regional aeromagnetic

3 金川矿区及周边背景噪声研究

3.1 金川矿区及周边台站数据处理

本次研究时间为2019年7月中旬至2019年8月中旬，在金川矿区及周边布设65个地震台站，为期一个月。台站分布如图4所示。野外原始数据为miniseed格式，对其进行转换，将数据转换成SAC格式。数据处理流程参考Bensen et al.提出的方法[26]。

图4 台站分布图Fig.4 Station distribution map

第一步是台站数据的预处理。原始数据存在零漂现象，对数据进行移除仪器响应，去均值，去趋势等操作。随后对所有台站数据的垂直分量进行重采样，采样频率为20 Hz。重采样处理后，将数据截取，同时进行带通滤波处理，滤波范围为0.05～10 Hz。对数据进行归一化处理,这里采用滑动绝对平均法，计算公式为：

(1)

(2)

式中：dj为第j个时间点的波形数据，2N+1为时窗的长度[26],然后在频域做谱白化处理。

第二步，计算台站之间的互相关函数。对任意两个台站所记录到的数据文件(垂向分量)计算互相关函数，对其叠加以提高信噪比,提取频散曲线。在提取频散曲线时，采用姚华建等[27]提出的基于图像分析的方法来提取噪声互相关函数的频散曲线，该方法能提高频散曲线的测量精度。

本文计算了65个台站共1 813条两两互相关函数，为了控制频散曲线的质量，Yao et al.[28]认为台站间距要大于面波信号的一倍波长，同时笔者挑选出信噪比>5的互相关函数，最终提取了723条频散曲线用于反演。

3.2 速度结构反演

S波速度随着深度由浅入深变化，能够较好地反映出地球介质由浅到深速度结构的变化趋势，这对研究金川矿区的构造特征具有重要的参考价值。通过反演，得到了研究区不同深度处的速度结构剖面，根据群速度分布特征，分别提供地下0.9 km、1.8 km、2.7 km、3.6 km、4.5 km、5.4 km共6个不同深度处的S波速度剖面(图5)，图中黑色虚线部分为F1深大断裂的位置，红色三角代表金川矿区的位置，红色五角星为金昌市位置。

从图5a-c中可以看出，在地下2.7 km深度以内，S波速度差异较大，速度高与低不均匀分布，没有特别明显特征，表明研究区上地壳速度结构存在横向不均匀性。同一深度，S波速度出现高值、低值异常交替出现的情况。

在地下0.9 km、1.8 km深度处，如图5a、b所示，金川矿区整体位于高速带，结合区域重力异常图可以看出，金川矿区正好位于陡和缓的交界处，矿区内断裂繁多且复杂。目前学者普遍认为金川铜镍硫化物矿床是由地幔岩浆通过断裂上涌形成的，由于重力分异作用会导致岩浆热液分层，造成高低速特征分布差异。同时该地区磁特征较为复杂，矿区内存在大量超基性铁镁质岩石，这些岩石的磁性都较强，推测也可能是造成地下浅部高速体形成的主要原因。姜枚等[4]对金川矿区进行人工震源地震层析成像，结果也显示在地下1 000～2 500 m处存在高速体，本文背景噪声层析成像的结果也显示该处为高速特征，推测浅部高速体的形成与矿区内超镁铁质岩密切相关[4]。

图5 不同深度处的S波速度层析成像图Fig.5 S-wave velocity tomography at different depths

图5c-f中所示，从地下2.7 km深度处开始至5.4 km处，矿区表现为明显的低速特征，随着地下深度的不断加大，低速特征越来越明显。同时，速度切片中大体以F1断裂为界，F1北部表现为低速异常，对应于潮水盆地；而在F1断裂南部，除矿区及其附近外，整体表现为高速异常，对应于龙首山隆起带。图6为深度剖面图，可以看出矿区所在位置在地下浅部速度相对较高。随着深度的加大，速度有减小的趋势，并且矿区及其周边的速度和外围介质相比普遍偏低，这一点在地下深部较为明显，如图6a、b所示，推测在地下深部可能存在隐伏矿床。F1断裂作为主要控矿断裂，从整体来看，其存在导致了断裂两侧速度的变化，但是在矿区附近，断裂两侧主要还是低速体。对于地下深部低速带，结合前人研究成果[21]，金川矿区自1958年开采以来，国内外的学者总结出金川矿区具有“深部熔离--贯入成矿”、“小岩体--成大矿”的成矿模式[22]，同时矿区内存在很多小型断裂，推测岩浆热液可能通过断裂上涌。李文渊等认为壳幔物质之间的交换造就了金川铜镍硫化物矿床[21]。汤中立通过地球化学资料认为硫化物矿床的硫元素来自幔源岩浆[22]。这些资料都证实了金川铜镍硫化物矿床与深部幔源物质上涌有很大关系。因而,笔者推测2.7～5.4 km处金川矿区的低速物质是深部幔源物质上涌的结果。

图6 不同测线剖面S波速度结构分布图Fig.6 S-wave velocity structure distribution diagram of different exploration line profiles

4 结论

(1)在地下浅部0.9～1.8 km深度处，金川矿区位于高速带上。结合区域重力异常和航磁异常，岩浆上涌过程由于重力分异会导致不同深度处岩浆成分有所差异，同时矿区附近为线性强磁异常，推测可能是形成高速的原因。

(2)在研究区的深部，潮水盆地整体表现为低速异常，龙首山隆起带整体表现为高速异常。 F1断裂为龙首山隆起带和潮水盆地的分界线，推测速度差异可能与F1断裂相关。

(3)F1断裂作为主要控矿断裂，将金川岩体由地下深部推覆到浅部，同时形成次级断裂，造就了金川矿区丰富的矿体。在矿区附近，F1断裂两侧主要呈现低速特征，随深度加大，速度分异明显。