0.   引言

矿产资源在国民经济发展中发挥着重要作用, 但其在地球内部的分布是极不均匀地群集在某些部位, 从而形成了各种不同级别的矿床, 矿集区是这些一系列的矿床在地理上分布比较集中的矿化集中区.大型-超大型矿床和富矿体的形成不仅是巨量物质和能量聚集的结果, 而且在主要控矿因素以及有关的地质特征方面可能都是极其独特的.根据成矿系统理论, 矿产的形成受到成矿物质来源、运移、聚集和后期变化改造及保存等多种因素的影响; 能否形成大矿, 首先取决于有无巨大的成矿物质来源, 其次则是合适的成矿作用(柳志青, 1989).地壳深部动力过程诱发成矿系统的形成(Drummond et al., 2000b), 并对成矿系统进行控制和改造, 岩浆活动、断裂和剪切带网络构成成矿系统的载体, 控制成矿作用的发生和发展(Oliver, 2001).从宏观尺度认识大型矿集区和巨型矿床形成的深部控制因素, 研究摸清超大型矿床等典型矿集区或成矿带的地壳、上地幔的深部结构等板块构造环境, 进而理解大规模深部成矿的地球动力学背景, 才能从深部找矿的制约中得到突破.

地震技术(包括天然地震和人工地震)、大地电磁技术等地球物理方法在探测地球深部结构、认识深部过程中扮演着不可或缺的角色, 其中深地震反射剖面技术是国际地学界公认的探测岩石圈精细结构的先锋技术(王海燕等, 2006).自20世纪70年代开始, 全球主要发达国家和地区都先后实施了大陆深反射计划(董树文等, 2010b; 王海燕等, 2010), 包括北美大陆的美国大陆反射地震探测计划COCORP、加拿大岩石圈探测计划Lithoprobe、欧亚大陆的欧洲地球探测计划Europrobe、德国大陆反射地震计划DEKORP、英国反射地震计划BIRPS、意大利地壳探测计划、瑞士地壳探测计划NRP20、俄罗斯URSEIS'95反射地震探测计划、中国深部探测计划SinoProbe、澳洲大陆的澳大利亚四维地球动力学计划AGCRC和澳大利亚地球探测计划AuScope.这些计划在全球已经积累了数十万千米的深地震反射剖面, 获得了一大批重要成果, 取得了对地球深部地质结构的新认识, 提出了诸多著名的新概念及理论, 极大的推动了地球科学的发展(董树文等, 2010b).

这些大陆深反射研究计划起初的目标是探测揭开大陆岩石圈结构与演化的奥秘, 直到20世纪90年代, 加拿大和澳大利亚两个世界矿业大国分别实施了岩石圈探测计划Lithoprobe和四维地球动力学计划AGCRC等, 将重要成矿带和大型矿集区的地球深部结构与成矿理论研究紧密结合, 探索大型矿床、矿集区形成与演化的深部控制因素.地震反射技术在矿集区的应用可概括为3个方面, 即岩石圈深部结构与过程探测、矿集区三维结构与控矿构造探测和矿体矿床的直接探测(吕庆田等, 2010, 2015; Malehmir et al., 2012).本文主要聚焦当前国际上深地震反射剖面技术在典型矿集区探测深部结构的应用现状, 并以实例说明取得的重要发现和进展, 归纳总结全球典型矿集区深部地壳、上地幔深部结构与深部成矿过程的关系, 为进一步研究青藏高原碰撞造山成矿系统深部结构与成矿过程提供借鉴.

1.   深地震反射技术发展现状

1.1   基本原理及特点

地震反射法利用压缩(P)或剪切(S)弹性波在地下不同物性界面产生反射弹性波构成的反射同相轴来对地下地层和结构的不连续性进行成像.通常而言, 地震反射技术按照不同应用领域可分为工程环境地震勘探、煤田地震勘探、油气地震勘探、金属矿地震勘探和岩石圈结构地震勘探.地震反射技术在煤田、油气勘探领域等沉积环境的应用已经有近百年的历史, 发展最为成熟.以获取整个地壳、Moho乃至上地幔的反射图像为探测目的的深地震反射剖面, 全名为近垂直深地震反射剖面法, 是国际地学界公认为的探测岩石圈精细结构的高技术, 与油气地震反射剖面法相比, 两者存在一定差异, 如深地震反射剖面的激发震源能量更大(大药量深井深)、记录长度长、大偏移距、弯线施工、地表条件复杂、数据处理难点多等(王海燕等, 2010).国际上, 许多学者将深地震反射技术用于研究全球不同大陆的Moho反射面特征(Cook, 2002; Kennett and Saygin, 2015).

1.2   采集技术

深地震反射剖面技术应用在矿集区深部结构探测既要求采集到深层Moho的反射信息, 同时也要采集到矿集区浅层有效反映矿体埋深的反射信息, 这种“深浅兼顾”的探测目标要求采用特殊的数据采集技术.在平均地壳厚度地区, 随着深地震反射采集技术的不断进步, 目前国际应用较为成熟的是区域长剖面和矿集区剖面结合的变观测系统采集技术(Milkereit and Green, 1992; 吕庆田等, 2003; 卢占武等, 2010).该技术是将大炮距、大道距、大井深、大药量的区域长剖面技术和小炮距、小道距、小井深、小药量的高精度反射地震技术有机的结合在一起, 通过在获得Moho深部构造的长剖面的基础上加密矿集区炮间距与道间距, 来显著提高覆盖次数, 从而保证获得浅、深多重反射信息的采集技术.在青藏高原巨厚地壳地区, 其地壳厚度达到大陆地壳平均厚度近两倍、地表岩性不均匀、表层结构多变等特点, 给野外数据采集带巨大困难, 我国学者通过在青藏高原多个区域实验研究, 总结出一套“大中小炮结合, 浅深兼顾”为原则的、成熟的高原深部探测技术体系, 并不断进行优化, 如加大排列长度、将原定部分普通中炮优化为三合一或四合一中炮等进行了药量合并, 组合激发提高激发能量, 增强对中深层信息有效约束, 最终在若干个地区获取到青藏高原全地壳反射精细结构(高锐等, 2011; Lu et al., 2013; 卢占武等, 2016).

1.3   处理与解释技术

深地震反射剖面数据处理为得到客观真实的成像结果, 一般要经过常规处理、精细处理等循序渐进的处理阶段, 当经过矿集区时, 还要针对矿区地震数据特点进行特殊处理(刘金凯等, 2010).常规处理目的是运用常规技术得到探测对象的基本反射特征, 为进一步区域剖面的精细处理和矿区剖面的特殊处理奠定基础, 主要步骤包括:静校正、能量补偿、噪声压制、反褶积、速度分析、动校正、叠加、偏移等(徐泰然等, 2017).精细处理的重点在于获取整个地壳与地幔上部的精细结构, 针对深地震反射资料静校正问题严重、深部有效信号弱、信噪比低、偏移距大等特点, 在常规处理基础上, 一些关键步骤应用一系列精细处理技术.

(1) 高精度组合静校正技术:由于深地震反射剖面测线较长, 穿越了不同的构造单元, 使用单一的静校正方法不能很好解决全线的静校正问题, 因此, 在对长剖面的深地震反射数据的静校正处理中, 采用了组合静校正方法.(2)叠前叠后噪音压制与信号增强技术:叠前噪音压制是提高深地震反射剖面成像质量的关键步骤, 由于叠前数据体的噪声类型与分布千变万化, 需要通过多域、组合、迭代的方法对不同的噪音进行压制, 达到净化叠前数据的目的(王海燕等, 2018); 噪音在叠前得到压制, 但叠加剖面仍有残留, 为进一步提高深反射资料的信噪比, 必须进行叠后信号增强处理, 如随机噪音衰减、中值滤波等.(3)精细速度分析技术:叠加速度贯穿地震资料处理流程始终与去噪、动校叠加、剩余静校正、偏移等处理步骤相互影响与制约, 精细速度分析技术是结合变速扫描技术、速度谱分析技术选取高信噪比资料段交互拾取建立速度场, 针对地下倾角较陡的地段和长排列大偏移距数据还要进行DMO速度分析和高阶动校速度分析, 并与剩余静校正处理进行多次迭代, 以获取更加精确的速度场信息(徐泰然等, 2017; 王海燕等, 2018).(4)地表一致性处理技术:深地震反射剖面穿越了不同的构造单元, 激发、接收条件沿测线变化剧烈, 使得地震数据在能量、子波、时差等各方面都沿测线变化, 影响叠加成像质量, 地表一致性处理就是消除能量、地震子波和剩余时差横向变化的影响, 主要包括地表一致性振幅恢复、地表一致性反褶积和地表一致性剩余静校正.(5)共反射面叠加成像技术(CRS):常规NMO叠加技术是基于地层水平层状假设, 在一个CMP点沿着双曲线进行动校, 然后叠加.CRS叠加技术是在共反射面上研究地震波传播规律, CRS叠加方法对地层倾角等不作限制假设, 地下反射界面可以是任意的角度和曲率.在复杂的地质条件下, 从地下界面某一反射面元反射上来的有效信号不是分布在某个固定的CMP道集上, 而是分布在多个CMP道集上, 这样利用多个CMP道集数据对来自同一面元的反射信号进行叠加, 可得到较好的成像效果(刘金凯等, 2010; 王海燕等, 2018).矿集区特殊处理主要针对矿区地下地质条件复杂, 高陡倾角断层、断面及一些小的断块发育, 为了提高浅层与矿体紧密联系的地震波偏移成像质量, 准确地使绕射波收敛, 有效波归位, 采用针对性的特殊处理技术, 如无射线层析成像静校正技术、分频处理技术、DMO或叠前时间偏移处理技术等.此外, 受到经费、时间等客观原因限制, 深地震反射剖面的数据采集工作常常分段分年度完成, 为研究跨越大型构造单元地壳上地幔精细结构, 需要对不同时间采集的深地震反射剖面数据进行拼接联线处理(王海燕等, 2017, 2018), 关键处理技术包括数据整合、静校正、一致性处理和叠前去噪等.通过对3条不同时间采集的深地震反射剖面数据进行拼接联线处理, 获得跨越四川盆地的330 km深地震反射叠前时间偏移成果剖面, 揭示了四川盆地地壳上地幔细结构, 并意外发现扬子克拉通地台西北缘发生的新元古代俯冲的遗迹(王海燕等, 2017).

地震反射资料解释技术一般分为构造解释、地层解释和岩性解释三个方面.目前, 深地震反射剖面数据解释以构造解释为主, 通过自动线条图技术(Skeletonization技术)将处理成果剖面转化为线条图进行人工构造解释(李文辉等, 2010), 最后形成解释剖面图.此外, 岩性解释是通过振幅、频率、相位等动力学信息, 提取弹性参数, 确定流体成分、速度、孔隙度、密度等, 在深地震反射剖面上也出现振幅相对很强的一些“点”反射(“亮点”技术), 将其解释为板块俯冲过程中发生的板片残留、地壳增厚相关的部分熔融、流体或者岩浆作用有关(卢占武等, 2014).

2.   全球典型矿集区的应用实例

迄今为止, 加拿大、澳大利亚、中国、俄罗斯和瑞典等矿产开发较为发达的国家依托于大陆深反射计划, 已开展多项深地震反射剖面用于研究大型矿床、矿集区的深部控制因素, 本文主要对这些国家典型矿集区的应用实例进行介绍, 为深入研究青藏高原碰撞造山成矿系统深部结构与成矿过程提供借鉴(图 1).

图  1  穿越全球典型矿集区深地震反射剖面位置分布

Fig.  1.  Location map of deep seismic reflection profiles across the global typical ore districts

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2.1   加拿大

加拿大岩石圈探测计划Lithoprobe是加拿大的国家级地球科学研究计划, 选择了代表加拿大典型的地质特征或具全球意义的重要构造过程的10个典型剖面, 以深地震反射技术为先锋联合多学科地球科学方法取得了一系列重要成果, 其中之一便是揭示了若干大型矿集区的深部控矿构造的反射影像, 如加拿大矿产资源最主要的产地Abitibi亚省的地壳结构特征、出产世界级镍-铜矿产资源的Sudbury杂岩带的深部结构等, 本文以神秘的Sudbury深部结构探测为例介绍深地震反射剖面取得的重要成果.

加拿大地盾Superior克拉通南缘Sudbery构造如下.

Sudbury构造位于加拿大地盾的北部Superior省、南部Southern省和东南部Grenville省3个构造单元的交界处附近.Superior克拉通与Grenville造山带的分界线, Grenville Front构造变形带, 位于Sudbury构造东南侧约10 km处.Sudbury构造为似椭圆形的Sudbury火成杂岩体(Sudbury Igneous Complex, 简称SIC)和由其围成的Sudbury盆地及其外围Superior省和Southern省角砾化围岩的总称.SIC是经济矿化带的控矿层, 镍-铜矿体产出于SIC的底部, 按照地理位置, 可将其分为北缘、南缘和东缘(图 2a).

图  2  加拿大Sudbury地区地质简图及地震反射测线位置和主要矿床分布图(a); 40线和41线地震偏移剖面(b)和联合解释剖面(c)

a据Milkereit and Green(1992); Eaton et al.(2010)修改; b、c据Wu et al.(1995); Eaton et al.(2010)

Fig.  2.  Simplified geological map of Sudbury area in Canada and locations of seismic refleciton profiles and main mineral deposites (a); seismic migration profile (b) and joint interpretation profile (c) of line 40 and line 41 in Sudbury area

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Sudbury盆地的矿产开发活动已有愈百年的历史(Eaton et al., 2010), 但对其成因的争论也持续了一个多世纪之久(Milkereit and Green, 1992; Wu et al., 1995).早期的各种内生成因在20世纪60年代中期由于破裂锥的发现而受到陨石撞击成因说的挑战, 后来同位素等越来越多的证据支持撞击成因说, 但撞击假说也无法解释诸如形似椭圆而非圆形的轮廓、中央隆起和撞击熔体单元的缺失、没有负的重力异常等这些地球撞击坑本应有的典型特征.为解开这些谜团和深入理解Sudbury地区的构造演化历史, 必须首先了解其精细的深部结构, 因此Lithoprobe计划在该地区实施了一系列地震反射测线(图 2a中红色线段), 包括深地震反射剖面(41、42线, 扫描范围10~60 Hz)和高分辨率地震反射剖面(40、41、43、44、1线等, 扫描范围30~140 Hz), 数据采集使用可控震源激发, 其中41线同时采用区域深地震(炮间距100 m, 道间距50 m, 覆盖次数60次, 采样率4 ms, 记录长度18 s)和高分辨率地震(炮间距20 m, 道间距20 m, 接收道数240道, 覆盖次数120次, 采样率2 ms, 扫描长度12 s, 相关长度5 s)反射采集参数, 穿过Sudbury盆地和SIC南缘, 40线采用高分辨率地震反射采集参数穿过SIC北缘(Milkereit and Green, 1992; Wu et al., 1995; Eaton et al., 2010).

Milkereit and Green(1992)首先根据地震反射结果给出了Sudbury构造深部明显的非对称几何形态, 这与从地质地图上获得的印象截然相反, Wu et al.(1995)又进一步采用直线面元定义、横向倾角校正等弯线拟三维地震数据处理方法和精细处理切除、折射及地表一致性剩余静校正、谱均衡、相干滤波和相移偏移等一系列精细处理后获得高质量的偏移剖面(图 2b), 并对其进行了详细的地质解释和构造变形演化的重构, Eaton et al.(2010)在此基础上对解释剖面进一步进行了修正(图 2c).地震反射剖面不但揭示了Sudbury构造深部的非对称性, 还证实了Sudbury构造由早期的韧性褶皱和晚期的脆性逆冲断裂共同作用造成的大尺度的北西-南东向的缩短, 这不但解释了现今似椭圆形的成因, 还对SIC南缘的找矿具有直接的指导意义, 主要的含矿层(SIC底部)可能在SIC的西南部重复出现.

2.2   澳大利亚

澳大利亚是全球矿产大国, 并拥有超过40年的陆地地震调查经验, 获得了超过1.5万km的深部地壳地震反射数据和众多的2D地震折射剖面, 其中许多地震调查跨越了澳大利亚的主要矿产省份及重要矿床, 如西澳的Yilgarn克拉通Eastern Goldfields省、北澳的Mount Isa造山带、南澳的巨型Olympic Dam铁-铜-金多金属矿床和位于澳大利亚东南部的Victorian金矿省, 本文对利用深地震反射剖面探测这些重要成矿带、矿集区的所取得的主要发现和认识进行介绍.

2.2.1   西澳Eastern Goldfields地质省

澳大利亚西部的Yilgarn克拉通由几个地质省组成, 太古宙花岗岩-绿岩在所有省份都很常见, 许多世界级的金矿就位于该杂岩内, Eastern Goldfields地质省位于Yilgarn克拉通的东部, 由6个地体组成, 自西向东分别为Kalgoorlie、Kunlapi、Leverton、Duketon、Merolia和Yamarna地体, 地体之间以深大断裂或剪切带为边界, 其西边毗邻Southern Cross地质省的Barlee地体, 它们之间以Ide断裂为界(图 3; Goleby et al., 2004).为获得该地区的三维地壳结构, 以了解金矿系统的演化、大小及其地球动力学过程, 该地区分别于1991年和2001年实施2条深地震反射长剖面, 其中91EGF01测线位于Yilgarn克拉通中南部(Drummond and Goleby, 1993; Drummond et al., 2000a)穿过Kalgoorlie矿集区, 01AGSNY1测线位于Yilgarn克拉通东北部(Goleby et al., 2004), 穿过Leonora和Laverton两个矿床密集区中心(图 3). Kalgoorlie地区是世界上矿化最密集的矿集区之一, 产出有Golden Mile、Kanowna-Belle、Kambalda-St Ives、Mt Pleasant等世界级的金矿和Kambalda镍矿; Leonora矿床密集中心产出Sons of Gwalia金矿; Laverton矿床密集区中心, 位于Laverton构造带, 产出几个世界级金矿和一些小矿, 如Wallaby及其附近的Granny Smith金矿、Sunrise Dam金矿以及附近沿剪切带分布的小金矿.

图  3  西澳Eastern Goldfields成矿省及深地震反射剖面测线位置图

据Goleby et al.(2004); Drummond et al.(2000a)修改

Fig.  3.  Location map of Eastern Goldfields metallogenic province and deep seismic reflection profiles in western Australia

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(1) 91EGF01测线:沿近东西向布置, 横跨Kalgoorlie矿集区, 全长213 km(图 3), 野外数据采集参数设计以查明可能是流体导管的主要剪切带等区域尺度特征为目标, 使用Sercel SN-368地震仪, 接收道数96道, 采用井中爆破炸药震源激发, 药量8~10 kg, 16个GSC-20D检波器(主频8 Hz)线性组合接收, 道间距40 m, 炮间距240 m, CMP覆盖次数8次, 2 ms时间采样率, 记录长度20 s(Drummond and Goleby, 1993).Drummond et al.(1993)给出了区域性的构造解释, Swager et al.(1997)等描述了绿岩内部构造特征形态(图 4).在剖面西部的Southern Cross地区, 地壳结构呈现为双层结构, 上地壳厚度为10~12 km(3.5~4.0 s TWT; 图 4a), 主要表现为无反射特征, 地震波速度为6.0~6.2 km/s, 下地壳则表现出更多更强的反射特征和更高的地震波速度(6.4~6.8 km/s), 下地壳底部为Moho面, 深度大约为33 km(11 s TWT), Moho面之下很少能看到反射; 剖面东部的Eastern Goldfields地区地壳结构具有相似的地震反射特征, 但是地壳厚度增厚(上下地壳界面与Moho面都加深), 并且在上地壳顶部出现代表绿岩套的顶层, 这种地壳厚度的变化发生在Ida断裂下.Ida断裂在深地震反射剖面上表现为很强的东倾(倾角30°)的反射波组, 可以追踪到25 km(8 s TWT)的深度, 但没有到达Moho面.在剖面东部的Eastern Goldfields地区4~7 km(2~3 s TWT)深度存在一组波状起伏的、接近水平的, 非常强的反射波(图 4b), 自Ida断裂处开始向东追踪到剖面结束, 解释为基底滑脱面, 其上为绿岩套, 很多边界断裂终止与该滑脱面(图 4).在地震反射数据中发现了区域地质填图过程中识别出的大多数主要褶皱、断层和剪切带(Swager et al., 1997), Bardoc剪切带在地震剖面显示为强振幅的西倾的反射波组特征, 它可以从地表位置追踪, 在大约6 km(2 s TWT)深度切穿了基底滑脱面的强反射波组, 直到大约15 km(5 s TWT)深度的位置与东倾的Ida断裂强反射相交(图 4).

图  4  Eastern Goldfields地区91EGF01深地震反射剖面主要构造解释和部分叠加与解释剖面

据Swager et al.(1997)修改; a.深地震反射剖面主要构造解释线条图, 虚线框为b显示的地震剖面位置; b.部分叠加剖面与地质解释剖面, 箭头指示Drummond and Goleby(1993)预测的流体流动方向; D.绕射.; S.岩床

Fig.  4.  Interpreted main structures and portion of stack section along the deep seismic reflection profile 91EGF01 in eastern Goldfields

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Bardoc剪切带、基底滑脱面和Ida断裂具有相似的反射特征, 都具有很强的振幅(Drummond and Goleby, 1993), 在绿岩带内识别的另一类断裂本身并不具有反射振幅, 而是通过岩层反射轴错断来识别追踪的, 如Zuleika剪切带(图 4b), 这类断裂穿透不深, 终止于基底滑脱面(Drummond et al., 2000b).大型断裂的强反射是由其内部的各向异性与流体沿断裂移动的交代作用结果共同造成的, Eastern Goldfields地区的主要金矿床位于这些具有高振幅和深穿透的特点大型区域断裂的上盘, 而其他那些不是根据本身的反射而是根据地震剖面反射错断来识别的深穿透断层没有已知的矿化带(Drummond et al., 2000b).据此, Drummond and Goleby (1993)认为这些断层是成矿流体从下地壳向上迁移的通道, 成矿流体源自下地壳, 首先进入并沿着东倾的Ida断裂和下地壳剪切带流动, 然后进入Bardoc剪切带和其上盘的次级断裂, 一些成矿流体沿着绿岩底部的滑脱带运移到其他断裂, 如Zuleika, 与地壳上部流体混合形成金矿(图 4b).综上所述, Kalgoorlie地区的深地震反射剖面揭示了该地区地壳深部结构, 特别是断裂带和剪切带系统的精细几何拓扑结构, 正是这些结构框架控制了该地区Au成矿系统的空间分布.

(2) 01AGSNY1测线:沿近东西向布置, 测线起点(西端)Leonora镇以南, 终点(东端)位于Yeo Lake地区, 全长380 km, 测线穿过许多重要的剪切带, 如Mount George、Laverton、Yamarna等穿透地壳的区域剪切带和Keith-Kilkenny、Celia等小型剪切带(图 3c).野外数据采集以记录区域尺度深部地震反射结构为基础, 采用40 m道间距、80 m炮间距、60次覆盖的观测系统, 时间采样率为2 ms, 记录长度由16 s增加到18 s, 震源采用3台可控震源组合激发, 扫描长度8 s, 4次叠加, 扫描频率范围6~120 Hz (Goleby et al., 2004).处理流程以增强反射和保持振幅为目的, 避免可能会降低数据的处理, 特别是在浅层(< 4 km)部分, 经过参数测试和精细速度分析后, 最终获得了高质量的地震数据剖面(图 5; Goleby et al., 2004).

图  5  Eastern Goldfields地区01AGSNY1深地震反射剖面及地质解释图

据Goleby et al.(2004)修改; a.地震剖面解释图, 显示上地壳花岗岩-绿岩带及主要剪切带反, 虚线框为b显示的地震剖面位置; b.部分偏移剖面与解释剖面; MGSZ.Mt George剪切带; KKSZ.Keith-Kilkenny剪切带; LSZ.Laverton剪切带; YSZ.Yamarna剪切带; CSZ.Celia剪切带

Fig.  5.  Portion of migrated seismic section of 01AGSNY1 and geological interpretation in Eastern Goldfields area

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Goleby et al.(2004)给出了主要的地壳尺度构造特征解释, 概括如下:地壳厚度存在变化, Moho的深度由Leonora镇下(西端点)的13.5 s TWT(40 km, 假设地壳速度6 km/s)加深到测线东端约15.5 s TWT(46 km), 这是由一系列出现在大型剪切带下的斜坡(垂直位移达3 km)造成的(图 5), 这种向东倾斜的Moho面形态与91EGF01线相似.三层地壳结构, 包括最浅的绿岩带和花岗岩岩基组成的上地壳、向东倾斜的菱形状密集强反射体代表的中地壳和韧性的下地壳.中、上地壳存在大量的向东倾斜的反射, 其中有3条东倾的剪切带穿透地壳, 自西向东分别是Mount George剪切带、Laverton剪切带和Yamarna剪切带, 其中Laverton剪切带最为显著, 在地表附近为一系列伸展断层的主断层, 形成了Laverton构造带, 在深部逐渐展平, 可能到达Moho面.这些深穿透剪切带不但是地质单元的边界, 而且对金矿的形成具有重要意义, 它们的地表露头与主要矿田的位置有很强的相关性, 如Leonora矿田位于Mt George剪切带附近, Laverton矿田位于Laverto剪切带附近(图 5).与91EGF01线相比, 存在两点不同, 一是不存在单一的、近水平的基底滑脱面, 取而代之的是多条低角度的剪切带, 与深穿透剪切带相交共同构成一个楔状构造; 二是向西倾的反射很少, 只存在于主要的深穿透剪切带的下盘, 深穿透剪切带的上盘有很好的成像质量, 下盘则显示为大量的无反射物质, 表明存在一个大的花岗岩侵入、一个大规模的浸出或部分熔融萃取和均化的区域.据此, Goleby et al.(2004)认为楔状构造形成一个流体聚焦通道, 将向上迁移或近水平移动流体集中, 然后分布到附近的复杂变形绿岩带.世界范围内的造山型金矿成矿系统与主要剪切带有关, 特别是那些在最近构造运动中活跃的剪切带.因此, 深地震反射剖面不仅可以揭示对成矿系统发展有重要作用的主要剪切带, 还可以约束成矿系统的体系结构.

总之, 西澳Yilgarn克拉通东部Eastern Goldfields地壳结构的表现为受地壳尺度的断裂(Ida)和剪切带(Bardoc、Laverton等)控制的大型断裂系统, 以“Y”型和“楔状”构造的拓扑形式对造山带金矿成矿系统的形成至关重要, 起到成矿流体迁移和汇集的通道作用.

2.2.2   南澳Olympic Dam铁氧化物-铜-金(IOCG)型矿床

位于南澳Gawler克拉通的Olympic Dam是世界级铁氧化物-铜-金(IOCG)型矿床, 它赋存于Hiltaba岩套中Burgoyne侵入岩基, 为深入了解该地区IOCG成矿系统的地壳结构与构造环境, 以Olympic Dam矿床为中心实施了总长为250 km的2条“十”字相交的深地震反射剖面.一条主要区域长剖面沿近南-北向布设(03GA-OD1), 与区域构造倾向平行, 长度为193 km; 另一条短剖面沿东-西向布设(03GA-OD2), 长度为57 km(图 6a; Drummond et al., 2006).

图  6  Gawler克拉通的地质简图和地震线位置(a)和主南北地震线03GA-OD1的叠后偏移地震剖面(b)和解释线条图(c)

据Drummond et al.(2006); T.逆冲断层(thrust), BT.背逆断层(back-thrust), B1和B2.中地壳多重叠瓦构造(duplexes), 灰色实线.透明反射区(bland zone), 灰色虚线.分离南北地壳的“楔状”带, OD.Olympic Dam矿

Fig.  6.  Simplified solid geology of the Gawler craton with geological boundaries with seismic lines (a) and post-stack migrated seismic data from the main north-south seismic line, 03GA-OD1(b) and line diagram showing the interpretation of the seismic data (c)

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数据采集使用3台可控震源组合激发, 升频扫描, 扫描长度12 s, 频率范围7~80 Hz, 接收排列240道, 12个10 Hz检波器组合接收, 道间距40 m, 炮间距80 m, 记录长度18 s, 时间采样率2 ms.资料处理包括折射静校正、速度分析、谱均衡、倾角时差校正、叠后偏移和带通滤波等典型的处理流程.解释采用了在地震分析中使用的通用标准, 即反射波横向连续性的异同性、反射截断之间的关系、相对振幅的差异等.

处理结果和解释结果见图 6b和图 6c, Drummond et al.(2006)给出了给出详细的地质解释.地壳由新元古代盖层(某些地方厚度超过5 km)和结晶基底组成, Moho面的深度在13~14 s TWT (40~42 km), 南浅北深, Olympic Dam矿床位于太古代-古元古代的古陆核和中-新元古代的活动带之间的边界.剖面最显著的特征是在Olympic Dam下方的下地壳存在一个弱波阻抗区域(透明反射区), 该区域两侧的Moho面深度发生明显错断, 且透明反射区内Moho面反射消失, 但存在由向北倾和向南倾的两组弱反射构成的“楔状”构造.由Burgoyne侵入岩基和弱波阻抗透明反射区的空间关系可推测透明反射区为花岗岩岩浆来源区, 由于岩浆的部分熔融和萃取使得反射率降低.南、北倾斜反射在下地壳相遇的“楔状”构造则代表造山运动的几何形态, 这种“鳄鱼嘴”式的反射构造形成于板块汇聚背景下.地震反射特征表明, 透明反射区叠加在“楔状”构造之上, 即先发生板块汇聚造山运动, 然后发生部分熔融, 形成岩浆源区, 岩浆上涌入侵, 最后成矿.

2.3   中国

中国位于古亚洲成矿域、喜马拉雅-特提斯成矿域和环太平洋成矿域全球三大成矿域的交汇部位, 中国大陆是不同时代、多种类型地质单元的多重拼合体, 形成了冈底斯成矿带、三江成矿带、长江中下游成矿带等19条主要成矿区带.长江中下游成矿带是我国重要的铁、铜多金属资源基地, 构造上位于大别-苏鲁超高压(UHP)变质带的前陆.北西以襄樊-广济深断裂、郯庐左旋走滑断裂为界, 南东以阳新-常州断裂为界, 总体上呈北西狭窄、北东宽阔的“V”字型地带(吕庆田等, 2011).长江中下游成矿带经过复杂的构造演化, 最终形成了现今“断隆”、“断凹”相间的构造格局, 包含了7个大型矿集区, 从北东到南西依此为宁镇、宁芜、铜陵、庐枞、安庆-贵池、九瑞和鄂东南矿集区, 可大致分为三类:一类是产于断陷火山岩盆, 如庐枞和宁芜; 二是产于断块褶皱隆起区, 如铜陵、九瑞、安庆-贵池和宁镇; 三是产于隆起和坳陷过渡区, 如鄂东南(吕庆田等, 2015).本文分别以铜陵和庐枞矿集区为长江中下游成矿带两类典型矿集区的代表, 介绍深地震反射剖面探测中国矿集区深部结构的应用实例.

2.3.1   长江中下游成矿带铜陵矿集区

为开展深部地壳结构与成矿作用过程的研究, 国土资源部2001年资助实施了一条穿过铜陵矿集区的深地震反射剖面(图 7a), 剖面全长60 km, 北起繁昌火山岩盆地, 经过铜陵隆起、宣南坳陷, 延伸到扬子克拉通(吕庆田等, 2002, 2003), 数据采集使用法国生产的SN388 24位数字地震仪, 接收道数360~478, 采用井中爆破炸药震源激发, 12个检波器(主频12 Hz)线性组合接收, 药量为20~30 kg, 炮间距400 m, 道间距40 m, 叠加次数15~42, 记录长度16 s, 采样率1 ms, 矿床密集分布的铜陵隆起炮间距减小到200 m.经过精细资料处理与解释, 得到铜陵矿集区深部地壳精细结构(图 7c), 下面是该深反射剖面的探测结果与构造、成矿解释(吕庆田等, 2003; Lü et al., 2004).

图  7  铜陵矿集区地质简图及深地震反射测线位置(a)、深地震反射叠加剖面与地震解释图(b)及线条图与地质解释剖面(c)

据吕庆田等(2003)和Lü et al.(2004)修改

Fig.  7.  Simplified geologic map of Tongling ore district showing the location of deep seismic reflection line (a) and stacked section (b) and line drawing of stacked section with interpretation (c)

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深地震反射叠加剖面(图 7b)揭示了研究区具有清晰的双层地壳特征(图 7c), 透明的上地壳和强反射“层状”下地壳, 莫霍层反射不连续出现在下地壳底部, 在扬子克拉通、宣南坳陷和繁昌火山岩盆地下较为清晰, 铜陵隆起(CDP点1002-1602)下莫霍面反射减弱.按地壳平均速度6 km/s计算, 莫霍面深度在30~33 km.此外, 叠加剖面(图 7b)显示了研究区南、北不同的地壳结构特征(图 7c), 反映了不同的壳内构造变形的动力学特征:剖面北部上地壳呈现复杂的反射特征, 出现3组不很强但可识别的弧形反射和一系列连续反射, 弧形反射从北到南依此交叉重叠, 其下方为无反射区(透明反射区), 上下地壳之间存在拆离面, 下地壳表现为楔状强反射体, 表明地壳发生了强烈挤压变形和强烈岩浆底侵改造; 剖面南部上地壳出现类似盆地的反射特征, 下地壳较弱的反射表现出典型的克拉通地壳反射特征, 表明地壳几乎没有受构造岩浆作用的影响.总体而言, 铜陵隆起总体上处于两类具有不同反射特征地壳的过渡带, 正对应铜陵隆起的下方, 无论是地壳的强反射层, 还是莫霍反射层, 都出现了反射透明区, 表现为反射间断(无反射)和反射减弱(图 7b), 这很有可能是岩浆作用, 或是流体和热的作用导致地壳混合岩化, 物质趋于均匀所致(吕庆田等, 2003), 因此可以推断该反射透明区可能与地幔流体向上运移通道有关, 形成和控制铜陵矿集区的成矿物质与能量来源.

2.3.2   长江中下游成矿带庐枞矿集区

为探测长江中下游成矿带庐江−枞阳白垩纪火山岩盆地和铁、硫矿集区深部构造和地壳结构, 探讨成矿深部控制条件, 国家财政部2007年专项资助在庐枞矿集区及其周缘进行了深地震反射剖面探测实验(董树文等, 2009; 高锐等, 2010), 本次试验的深地震反射剖面总长度为153.28 km(满叠加长度). 图 8所示为庐枞地区地形地势与深地震反射测线布设图, 沿垂直区域构造走向的北东方向布设的LZ06-1线作为一条横过庐枞矿集区的基准剖面, 西端跨过郯-庐断裂, 东端过长江, 满叠加长度95.76 km, 以揭示矿集区与周缘区域的深部构造背景.同时沿北东-南西向布设一条测线LZ06-3(29.16 km), 形成十字测线覆盖罗河矿区, 用另一个十字测线组合LZ06-2 (17.36 km)和LZ06-4(11 km)覆盖小岭矿区和龙桥矿区.野外数据采集使用法国SERCEL408-XL数字地震仪, 美国SM-24型超级检波器线性组合, 采用井中爆破炸药震源激发, 采样间隔2 ms, 记录时间20 s, 探测剖面分为区域剖面与矿区高精度剖面进, 区域长剖面采用40m道距, 240 m炮距, 中间激发, 720道接收, 最大炮间距是1 4480 m, 最小炮间距120 m, 深层达到60次覆盖, 在保证接收排列长度不变的前提下, 矿集区剖面加密道间距至10 m, 炮间距加密80 m, 偏移距20 m, 中间激发, 矿区浅层可达到90次覆盖.经常规处理、精细处理和专门处理等多次处理, 得到了高质量的庐枞矿集区深反射剖面的时间剖面, 最终获得庐枞矿集区及其周缘深部地壳精细结构, 本文主要介绍基准长剖面LZ06-1测线, 横穿了大别山造山带东缘、郯庐断裂带、庐-枞火山岩矿集区和长江构造岩浆带等构造单元.

图  8  庐枞矿集区深地震反射剖面位置示意图

据高锐等(2010); 红色线表示深地震反射剖面位置, 其中黑色线表示矿集区内加密10 m道距的部分; 1.LZ06-1线; 2.LZ06-2线; 3.LZ06-3线; 4.LZ06-4线; 底图为地势图据http://www.globalmapper.com

Fig.  8.  The location of the deep seismic profiles in Luzong deposit area

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LZ6-1深地震反射剖面揭示了庐-枞火山岩矿集区及其周缘的地壳结构和深部构造影像(图 9), 获得了庐枞陆相火山岩火山盆地边界和底界轮廓、中-上地壳密集反射、中-下地壳界面强反射和下地壳弱反射特征、郯庐断裂带、罗河断裂以及清晰壳幔边界的Moho等全地壳反射影像, 多位学者对其进行了详细的地质解释与成矿背景分析(董树文等, 2010a; 高锐等, 2010), 获得了诸多新的发现, 概述如下.

图  9  庐枞矿集区深地震反射LZ06-1剖面线条图(a), 深部构造解释图(b)和庐枞矿集区地壳地质模型(c)

据高锐等(2010); 董树文等(2010a)

Fig.  9.  Line drawing of deep seismic reflection profile LZ06-1 (a), interpreted deep structure (b) and crustal structure geological model (c) of Luzong ore concentrated area

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(1) 双层地壳结构.按照反射特征变化, 地壳反射分为上地壳(0~4.0 s TWT)和下地壳(4.0~10.0 s), 可以看出, 0~4.0 s的上地壳范围地层变形比下地壳变形强烈(图 9; 高锐等, 2010); 地震反射特征显示地壳的二元结构, 可分出上下地壳, 中地壳难以独立出来, 中上地壳反射强、频率高, 下地壳反射弱、频率低(董树文等, 2010a).

(2) 多套密集Moho面反射特征.从地震震相上看, Moho不是单一的反射面, 而是多套密集反射组成的反射层, 厚度可达1 s TWT, 长江下Moho反射出现在10 s, 到大别山下加深至11 s(董树文等, 2009; 高锐等, 2010), 罗河矿下方Moho错断大约为3 km, 郯-庐断裂带下Moho呈现为弱反射(高锐等, 2010).

(3) 切穿Moho的郯庐断裂带.郯庐断裂带位于王集、龙王顶之间, 反射波组显示为一个不对称花束状结构, 深部切穿了整个地壳及Moho, 断裂带宽10 km左右, 断裂带断面主体向北西倾斜, 近于直立, 倾角大于80°(董树文等, 2009; 高锐等, 2010).

(4)“耳状”非对称庐枞火山岩盆地.罗河矿(CDP2047附近)的西北侧为密集的短轴反射, 同相轴清晰, 能量强, 为典型的白垩系-第三系红层沉积; 罗河矿东南(CDP2047-3101, 约21 km)为透明反射区, 少有成轴反射, 这种反射是火山岩的明显反映, 透明反射区延伸达2.0 s之多, 以岩层平均速度3 500~4 000 m/s估算, 则反映火山岩盆地底部深度至少达3 500~4 000 m(高锐等, 2010).两侧明显不同反射特征的地质单元, 即西北强反射的红层沉积层和东南透明反射的火山岩盆地, 说明并不存在所谓的另外一半“耳状”的火山岩隐伏在红层之下(高锐等, 2010), 证实了庐-枞火山盆地是“单向不对称盆地”, 呈半个“耳朵状”或“半圆形”的庐-枞盆地是沿罗河断裂喷发的向东侧单向扩展的不对称性盆地(董树文等, 2010a).

(5) 罗河断裂与岩浆通道.罗河断裂是西北强反射的白垩系-第三系红层沉积层和东南透明反射的火山岩盆地的分界, 对于罗河断裂的解释, 稍有差异, 但异曲同工. 高锐等(2010)认为罗河断裂表现为明显的北倾强反射特征, 向下延伸到4.5 s (约13 km)(图 9a, b); 而董树文等(2010a)认为罗河断裂是一条贯穿地壳的断裂带, 浅部为倾向北西的正断层, 但在深部5~6 km处倾向南东, 倾角约70°, 宽2~3 km, 直插到地壳底部, 将Moho面错断2~3 km, 南东侧抬升, 切穿地壳, 连通了地幔, 构成了壳幔之间的通道(董树文等, 2010a).也就是说, 浅部的解释是一致的, 不同之处在于深部.与此相应地, 高锐等(2010)认为在深部存在一个规模较大的双层穹隆强反射亮点(可能是残余岩浆囊), 该反射体至Moho之间, 呈现为宽度略小的弱反射区, 该弱反射区两侧发育相向倾斜强反射层, 弱反射区下方Moho发生大约3 km错断, 推测弱反射区可能是火山岩浆上涌活动的通道(图 9a、9b).总之, 在庐枞火山岩盆地矿集区下方Moho错段, 深部存在一个沟通壳幔的火山岩浆通道.

(6) 岩浆房“亮点”反射.深地震反射剖面中“亮点”反射的成因是多种多样的, 岩浆体是对“深反射亮点”中最多的解释(卢占武等, 2014). 高锐等(2010)发现, 在剖面中部火山岩透明反射区北段下方存在一个规模较大的双层穹隆强反射亮点(图 9a、9b), 横向跨度约17 km, 顶部反射层埋深约10.5 km (3.5 s), 底部反射层埋深可达13.5 km(4.5 s), 推测可能是火山活动的深部岩浆上涌至中地壳后而形成的残余岩浆囊的反映(称为M反射体), 从火山岩盆地底部(2 s)至此M反射体之间的地层反射多表现为蘑菇状岩浆活动结构, 这可能是地幔岩浆上涌后, 顺通道到达上地壳后而形成的, M反射体至Moho的弱反射区(岩浆通道)两侧存在相向倾斜强反射层(高锐等, 2010). 董树文等(2010a)将该弱反射区(岩浆通道)两侧存在相向倾斜强反射层也解释为具有岩浆房特征的反射“亮斑”.

长江中下游及邻区具有亚洲东部最为独特的构造、岩浆和成矿“奇观”, 引起了国内外学者的浓厚兴趣, 开展了大量研究(吕庆田等, 2014).为揭示巨型成矿带的岩石圈结构、形成的深部构造背景、动力学过程, 以及矿集区形成的深部控制因素, 从2009年开始, 在国家“深部探测技术与实验(SinoProbe)”等多个项目的支持下, 长江中下游成矿带及典型矿集区开展了以深地震反射剖面技术(Lü et al., 2013, 2015)为先锋的包括宽角反射/折射、大地电磁探测、宽频地震观测等大量综合地球物理探测, 完成了“一网、两带、四区、多点”的多尺度综合地球物理探测研究工作(吕庆田等, 2015), 取得了一系列重要发现和认识:在成矿带的岩石圈结构、形成的深部构造背景方面, 认为长江中下游成矿带可能是一个“陆内俯冲带”, 上地壳发生强烈挤压变形, 下地壳和岩石圈地幔发生“陆内俯冲”使岩石圈增厚, 陆内俯冲或是岩石圈拆沉前增厚的主要机制, 增厚的下地壳和岩石圈地幔拆沉, 软流圈上隆, 大量幔源物质沿“长江深断裂”侵入到上地壳, 控制了区域岩浆岩和成矿带的分布.在矿集区形成的深部控制因素方面, 铜陵和庐枞矿集区都经历了燕山期的陆内造山运动, 由于后期伸展的区域不均匀性, 形成了现在的“隆起”和“凹陷”.庐枞矿集区由“三横六纵”断层系统组成, 多以拆离断层和正断层为特点, 但前白垩系基底仍保留挤压构造变形的特征; 铜陵矿集区由“两横三纵”断裂系统组成, 上地壳主体仍由逆冲、褶皱等挤压构造系统控制, Moho错断仍清晰可见, 四周由伸展构造围限.两类矿集区的地壳结构有一定差异, 隆起区上地壳较薄、中下地壳较厚; 凹陷区则反之.两类矿集区都存在“多级”岩浆系统结构, 但由于地壳结构不同、伸展强度不同, 造成幔源岩浆侵入和迁移方式存在差异, 隆起区或以“弥漫式”“内侵”(intraplating)为特征, 凹陷区或以大规模“底侵”(underplating)、MASH过程和岩浆快速向上迁移为特征, 这或许是造成两类矿集区成矿差异的原因之一.

2.4   俄罗斯

二十世纪九十年代, 俄罗斯以跨区域岩石圈地质-地球物理剖面为代表的地学断面(geotraverses)网开启了岩石圈区域地质-地球物理和地球动力学模拟计划, 建立了与区域地质调查和成矿预测研究相关的信息分析系统.根据研究数据, 建立了成矿目标定位的地质-地球物理和地球动力学标准数据库, 形成并实时更新俄罗斯境内不同类型的矿产资源多因素成矿预测分析结果.1995年, 启动了新一轮的基础地球物理剖面和超深钻孔计划, 包括3条跨海剖面(1-AR、2-AR和3-AR)和5条跨区域陆地剖面:俄罗斯欧洲段(1-EV)、西伯利亚及其褶皱带(1-SB、2-SB和3-SB)和俄罗斯东北部(2DV), 其中1-SB、2-SB、3-SB和2-DV都穿越了大型矿集区(Rosnedra, 2005).

俄罗斯远东地区鄂霍茨克-楚科奇成矿带如下.

俄罗斯远东地区位于亚欧大陆最东端, 大地构造位置属于西伯利亚古地块, 在世界成矿带上处于著名的环太平洋巨型成矿带西段.2000年开始在俄罗斯远东地区实施的第一条跨区域长剖面2-DV跨越俄罗斯东北部, 南起鄂霍次克海的北海岸Koni半岛, 北至楚科奇海Wrangel岛, 设计长度2 400 km, 到2005年初完成了1 460 km(Rosnedra, 2005; Simonov et al., 2005), 该剖面穿过了俄罗斯最大的矿产省, 不仅透视到40多千米深的岩石圈结构, 而且探测到了可能控制金、银、锡和其他矿产空间位置的地壳与地幔的结构(图 10).从图 10深地震反射剖面结果可以看出, 2-DV剖面南段的已知矿床分布与深部壳幔结构具有明显的对应关系, 矿集区下方存在透明的Moho面, 上、中、下地壳也存在透明反射区或弱反射区, 它们共同组成了热物质上涌的通道, 从而控制金、银、锡等矿产的分布, 由此可以推断2-DV剖面北段具有相似的壳幔结构反射特征, 其所控制的空间位置是找矿有利地区.这与前文所述我国长江中下游成矿带铜陵矿集区和庐枞矿集区具有很强的相似性, 矿集区深部出现透明Moho和透明地壳, 形成了沟通壳幔热物质上涌的通道, 控制了成矿物质与能量来源, 合理解释了矿集区形成深部根源并可为预测深部找矿有利靶区提供科学依据.

图  10  俄罗斯远东地区2-DV断面部分深地震反射深度剖面与解释图

据Rosnedra (2005)修改

Fig.  10.  Parts of deep reflection seismic depth profile and interpretation diagram of 2-DV section of Russian far east region

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2.5   瑞典

瑞典在20世纪90年代早期开展的矿产勘查和放射性废物储存地点调查实验, 利用高分辨率地震反射剖面技术对前寒武纪结晶岩地区的断层和断裂带进行成像取得成功, 为后期进一步开展大型含矿构造研究铺平了道路, GEORANGE3D和VINNOVA4D是瑞典在其北部重要成矿区Skellefte实施的2个较大的多学科研究项目, 主要目的是建立成矿区的三维地质模型(Malehmir et al., 2012). Skellefte成矿区是瑞典乃至欧洲最重要的成矿地区之一, 主要出产VMS型锌、铜、铅、砷、金矿和造山型金矿, 其西部主要包含Kristineberg、Kimheden等矿集区, 为GEORANGE3D和VINNOVA4D项目研究的主要对象, 其中部主要为Maurliden矿集区, 是VINNOVA4D研究对象之一(图 11, 表 1), Profile 1和Profile 5采用炸药震源激发, 其他均采用液压锤(vibsist)激发.

图  11  瑞典北部Skellefte成矿区地质图和地震反射剖面位置

据Dehghannejad et al.(2012)

Fig.  11.  Geologic map of Skellefte ore district showing the location of seismic reflection lines in northern Sweden

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表  1  瑞典北部Skellefte成矿区地震测线及主要采集参数统计

Table  Supplementary Table   Seismic lines with main acquisition parameters of Skellefte mining area in northern Sweden

项目名称	测线名称	采集时间(年)	采集地区	激发方式	炮/道间距(m)	接收道数	记录长度(s)	测线长度(km)	参考文献
GEORANGE3D	Profile 1	2003	西部, 邻近Kristineberg矿集区	炸药	100/25	140	20	~25	Tryggvason et al., 2006;
	Profile 5				100/25	200			Ehsan et al., 2012
VINNOVA 4D	Profile 2	2008		液压锤(vibsist)	25/25	240~300	20	~13.7	Dehghannejad et al., 2010
	Profile HR				10/10			~6.3
	Profile C1	2009	中部, 邻近Maurliden矿集区	液压锤(vibsist)	25/25	240~360	20	~32	Dehghannejad et al., 2012
	Profile C2
	Profile C3	2010

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瑞典北部Skellefte成矿区Kristineberg矿集区如下.

瑞典北部Skellefte成矿区西部的Kristineberg矿集区是该地区最大的块状硫化物矿床(VMS).为深入了解该地区深部结构, 先后开展了2次不同尺度的地震反射剖面探测, 第一次是2003年, 在Kristineberg地区获得了两条平行的南北向大尺度深地震反射剖面, 即Profile 1和Profile 5, 每条测线长约25 km, 相距约8 km, 其中Profile 1剖面跨过Kristineberg矿, Kristineberg矿位于Profile 1剖面的中间位置(图 11; Tryggvason et al., 2006; Ehsan et al., 2012); 第二次是2008年, 获得了两条相互垂直的高分辨率地震反射剖面, 即Profile HR和Profile 2, 其中Profile HR为南北向, 与Profile 1和Profile 5平行, 位于Profile 1西侧3~4 km处, Profile 2为东西向, 与其他所有测线垂直(图 11; Dehghannejad et al., 2010).Profile 1和Profile 5在数据采集时采用了宽线采集方案, 即每条剖面的所有炮都同时记录在两条测线上, 从而在两个测线之间形成第三条CDP剖面, Tryggvason et al.(2006)首次给出了两条纵测线的处理和区域大尺度构造解释结果, 指出Moho面位于反射率急剧减弱的TWT 14 s(约47 km, M; 图 12a)处附近, 与该区北部Luleå和Norsjö测线相似(Juhlin et al., 2002), 两条剖面都显示出一组北倾的强反射界面(W1; 图 12a), 它们标志着上面(北边)相对透明的地壳和下面终止于Moho面的反射地壳之间的边界.Malehmir et al.(2006, 2007)以两条地震纵测线结果为主, 结合势场数据和野外地质观测结果进行综合解释(图 12b, 12c)和3D地质模型构建, Rodriguez-Tablante et al.(2007)给出了中间非纵测线(第三条CDP剖面)的处理和解释结果, 后来Ehsan et al.(2012)又对跨过Kristineberg矿的Profile 1剖面进行了重新处理并结合该地区所有地震数据进行了地质解释.综合这些解释成果认为, Kristineberg矿集区北倾的强反射界面(图 12a中的W1, 图 12b的C)为Skellefte组火山岩南部与Bothnian盆地地壳边界, 为瑞典芬兰弧增生到Skellefte岛弧上的主要缝合线, 反射较少的Skellefte组火山岩(图 12b中的A)位于反射较多的瑞典芬兰弧前Bothnian盆地岩石(图 12b中的B)之上, 为一逆冲断层带或剪切带, 测线南部北倾的反射带解释为Revsund花岗岩(图 12b中的D), Kristineberg矿位于一向斜式构造(图 12b中的E)的北缘.这些认识对于Skellefte成矿区的发展模式和确定该地区新的勘探战略具有重要意义, 无论是从已知矿床向深部进军, 还是在含矿向斜南缘的同一地层上寻找新的找矿靶区, 都有助于未来成矿潜力和前景区域的确定.

图  12  穿过Kristineberg矿的Profile1测线的叠加剖面(a)和浅部偏移剖面(b)及其地质解释图(c)

据Tryggvason et al.(2006)和Malehmir et al.(2007)

Fig.  12.  Profile1 crossing the Kristineberg mine stack section (a) and migration section at shallow part (b) with geologic interpretation (c)

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3.   分析与展望

综合以上深地震反射剖面在全球典型矿集区的应用成果, 可以归纳为以下几类:

第一类:透明Moho和透明地壳.利用深地震反射剖面在矿集区下方探测到透明Moho和透明地壳, 地震反射剖面特征主要表现为地壳深处存在弱波阻抗区域和明显的Moho面错断, 这是由深反射剖面揭示的矿集区深部结构最为鲜明的特点, 如南澳Olympic Dam铁氧化物-铜-金(IOCG)型矿床、中国长江中下游成矿带铜陵矿集区、庐枞矿集区和俄罗斯远东地区鄂霍茨克—楚科奇成矿带等, 这些透明反射区很有可能是岩浆作用, 或是流体和热的作用导致地壳混合岩化, 物质趋于均匀所致(吕庆田等, 2003), 因此可以推断反射透明区可能与地幔流体向上运移通道有关, 形成矿集区的成矿物质与能量来源.

第二类:由大型断层、滑脱面和剪切带组成的断裂系统.利用深地震反射剖面在矿集区下方探测到剪切带、基底滑脱面和断裂具有相似的反射特征, 都具有很强的振幅, 与通过同相轴错断识别的断层不同, 这些强反射是由其内部的各向异性与流体沿断裂移动的交代作用的结果共同造成的, 这些断层是成矿流体从下地壳向上迁移的通道, 例如除本文详述的西澳Eastern Goldfields地质省外, 还有北澳的Mount Isa造山带(Drummond et al., 1998)和位于澳大利亚东南部的Victorian金矿省(Willman et al., 2010), 成矿流体源自下地壳, 首先进入并沿着断裂和下地壳剪切带流动, 然后进入次级断裂, 一些成矿流体沿着绿岩底部的滑脱带运移到其他断裂, 与地壳上部流体混合成矿.

第三类:揭露精细的深部结构及其指导意义.由深反射剖面揭示出许多矿集区深部的不对称结构, 如中国长江中下游成矿带庐枞矿集区的“耳状”非对称庐枞火山岩盆地、加拿大Sudbery构造深部明显的非对称几何形态, 这些与从地质地图上获得的印象截然相反, 又如瑞典北部Skellefte成矿区Kristineberg矿集区矿位于一向斜式构造北缘, 这些深部结构的精确成像不但对矿集区构造历史演化的重建具有重要作用, 还对未来成矿潜力和前景靶区的确定具有重要指导意义.

第四类:岩浆房“亮点”反射.深地震反射剖面中“亮点”反射的成因是多种多样的, 岩浆体是对“深反射亮点”中最多的解释(卢占武等, 2014).高锐等(2010)在中国长江中下游成矿带庐枞矿集区剖面发现, 中部火山岩透明反射区北段下方存在一个规模较大的双层穹隆强反射亮点, 推测可能是火山活动的深部岩浆上涌至中地壳后而形成的残余岩浆囊的反映. 卢占武等(2014)在青藏高原羌塘地体和冈底斯岩浆带内部均发现了以强振幅为基本特征的强反射亮点地震事件, 对其成因正在进一步研究中.

综上所述, 当前国际上深地震反射剖面技术在典型矿集区探测深部结构方面取得丰硕成果, 对认识矿集区成矿物质来源、运移、聚集等成矿系统因素具有重要作用.目前深地震反射剖面的在矿集区的应用只以地震反射P波进行探测, 既然矿集区的形成与地壳深部结构、地幔流体通道、岩浆房等有关, 这些流体性质往往具有弹性各向异性特征, 因此, 现已在海底(张洁等, 2018)及油气(赵明辉等, 2018)勘探领域已取得长足发展的多波多分量和三维地震技术可能是未来利用深地震反射技术研究矿集区深部结构和成矿过程的发展方向.

4.   结语

深地震反射剖面技术是在油气勘探技术基础上发展起来的以获取整个地壳、Moho乃至上地幔的反射图像为探测目的的反射弹性波多次覆盖技术.针对成矿带、矿集区, 采集技术方面通常以“多尺度震源激发, 浅深兼顾”为原则, 采用区域长剖面和矿集区剖面结合的变观测系统, 通过在获得Moho深部构造的长剖面的基础上加密矿集区炮间距与道间距, 来显著提高覆盖次数, 从而保证获得浅、深多重反射信息, 在青藏高原巨厚地壳地区采用“大中小炮结合, 浅深兼顾”为原则的高原深部探测技术体系.深地震反射剖面数据处理一般要经过常规处理、精细处理等阶段, 当经过矿集区时, 还要针对矿区地震数据特点进行特殊处理; 此外, 为研究跨越大型构造单元的壳幔精细结构, 需要对不同时间采集的深地震反射剖面数据进行拼接联线处理.目前, 深地震反射剖面数据解释以构造解释为主, 通过自动线条图技术(Skeletonization技术)将处理成果剖面转化为线条图进行人工构造解释; 在深地震反射剖面上出现的“亮点”, 很可能与板块俯冲过程中发生的板片残留、地壳增厚相关的部分熔融、流体或者岩浆作用有关.

深地震反射剖面的探测结果, 发现矿集区下方存在透明Moho和透明地壳, 发育由大型断层、滑脱面和剪切带组成的断裂系统, 这些结果为大型矿集区的形成提供了深部线索.反射透明区可能是地幔流体向上运移通道, 形成矿集区的成矿物质与能量来源, 表明地幔物质参与了成矿作用; 具有很强反射特征的断裂系统是成矿流体从下地壳向上迁移的通道, 首先进入并沿着断裂和下地壳剪切带流动, 然后进入的次级断裂, 一些成矿流体沿着绿岩底部的滑脱带运移到其他断裂, 与地壳上部流体混合成矿.此外, 矿集区深地震反射剖面中“亮点”反射可能是火山活动的深部岩浆上涌至中地壳后而形成的残余岩浆囊的反映.最后, 由深反射剖面揭示出许多矿集区深部的不对称结构, 不但对矿集区构造历史演化的重建具有重要作用, 还对未来成矿潜力和前景靶区的确定具有重要指导意义.