三山岛金矿新立矿区是我国唯一一座海下开采的金属矿山，矿区突水隐患主要来自上方的海水。矿区的安全开采得益于F1隔水断层和第四系底部隔水黏土层，其隔绝了矿体所在下盘接受上盘和海水的补给（图1）。因此，矿山的开采活动必须保证隔水层不受破坏。虽然隔水黏土层具有低渗透性，但其同时具有高压缩性、低抗剪强度、显著触变性和蠕变性的特点，矿体的重复采动以及采矿引起的断层活化，很有可能会破坏黏土层，进而发生突水事故。若要了解黏土层是否遭到破坏，首先要探明黏土层的三维分布情况。
在矿区地质勘查中，地球物理勘探方法可在较大深度范围内精细查清浅层与深部的地质结构形态，是一种有效且实用的技术方法。常用的物探方法包括电阻率法、瞬变电磁法、地震勘探法、CSAMT法、地质雷达法、EH4连续电导率成像法和双频激电法等[1,2,3,4,5,6]。单独应用这些方法的案例较多，赵越等[7]对瞬变电磁在浅海工程勘探中的全波形相应特征及探测能力进行了分析；陈继福[8]结合矿区井巷工程的实际资料，并采用地震勘探的手段，有效查明了断层的发育情况，为煤矿的正常生产提供了可靠依据；黄科辉等[9]采用EH4连续电导率成像方法探明了矿山隧道工程中的岩溶及断裂等赋存情况，证明该方法在复杂地形地质条件下的勘探中具有良好的应用效果。然而，综合2种及多种物探方法的案例较少，特别是三维地震勘探法的应用较少[10]。刘洋等[11]通过对视幅频率的数据进行处理，综合分析了双频激电平面、剖面和测深断面异常特征，查明了矿（化）体的赋存部位和分布规模，进一步明确了找矿范围。随着科技的发展，特别是现代物理与计算机技术产物之一的三维地震勘探技术，可以获取更加准确的探测数据，对我国地球物理勘探具有重要的促进作用，得到了广泛应用[12,13,14]。三维地震勘探技术的基础是二维地震勘探技术，其探测结果比二维地震勘探得到的数据更精确，也更具有空间立体性。本文基于新立矿区高精度三维地震探测数据，分析了矿区海底上覆岩层的分布情况，其结果为三山岛金矿海底矿山的安全开采设计提供了依据。
图1
1 矿区地表条件
矿区气候属于暖温带半湿润季风气候，冬寒夏热，四季分明。根据前期钻探资料，矿区浅层的第四系松散层较厚，一般厚度为20～40 m，其下部为基岩风化带，深度一般小于60 m，基岩岩性为较坚固的岩浆岩和变质岩。矿区地表包含潮间带和浅海2种地形，其中水深小于2 m的潮间带区域约占48%，水深大于2 m的浅海区域约占52%（图2）。2017年8~9月，施工期间小潮期潮差约为1.2 m，大潮期潮差约为1.4 m，地表全部为海水所覆盖，水深在6 m以内，部分近岸区域水深较浅。
图2
2 三维地震探测实施
2.1 勘探难点
施工技术难点：该区地质结构复杂、构造发育，目的层较浅，成像精度要求非常高。区内第四系松散层一般厚20～40 m，埋藏深度小于60 m，极浅层的成像要求小道距、小偏移距施工，属于高精度勘探范畴，对于野外施工质量提出了更高的要求。此外，矿区可供参考的老资料比较有限，没有地震资料可以借鉴。
质量技术难点：（1）环境噪音比较大。工区内小渔船进出频繁，产生的噪音干扰比较重，野外施工时间有限。（2）海上炮检点偏移控制难。海上物探施工与陆地不同，由于潮流的影响，炮检点难以保证在理论的点位进行激发。
野外组织难点：（1）近岸区域障碍物较多，影响炮检点布设。浅水区存在大量的养殖区抽水管和礁石，这些会对气枪行驶造成影响。工区南部和东部有2个渔船夜间停靠点，将会对气枪激发和排列布设产生影响。（2）工区东部和南部水深较浅，导致气枪施工工区整体水深较浅，南部的金沙滩景区和东部的海上度假乐园附近整体水深变化平缓，形成了较长的“缓坡带”，气枪在浅水区难以激发，且存在着搁浅的风险。
2.2 勘探线的布设与数据采集
炮检点布设方案如图3所示。在原始设计的观测系统中，计划使用50 m接收线距进行施工。但是在进行气枪阵列试验之后，发现该区域目的层埋深小于200 m，此种条件下较大偏移距的观测系统难以取得良好的反射层信息。因此，临时增加了一条线试验，通过分析试验结果，及时调整了观测系统参数。新的观测系统使用了25 m的线距，并对全区进行炮点加密，相比原设计增加了1 000炮的工作量，最大覆盖次数增加至72次，检波点密度由原设计的1 596个/km2增至3 256.6个/km2。全区有效炮共4 589炮，采用“即时定位、即时放线，平潮期快速放线，减少海流影响”的放线方法，保证了检波点和炮点的准确性。本次勘探采集参数见表1。
图3
表1 采集参数
Table 1
| 参数名称 | 数值 | 参数名称 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 观测系统 | 3L1S | 道密度 | 3 256.6炮/km2 |
| 面元网格 | 6.25 m×12.5 m | 总炮数 | 4 589 |
| 覆盖次数 | 2×36=72次 | 施工面积 | 3.55 km2 |
| 炮密度 | 1 402.8炮/km2 |
3 矿区上覆地层的精细解释
首先通过合成记录标定并结合前期勘探GK-1井的地质分层确定了第四系底界面反射层，并对地震剖面上2个能量较强的平层赋予了地质意义。再利用测井速度值和层析反演剖面上的速度值进行比对，结合地质分层和合成记录标定的结果，对第四系底界面、隔水层底界面、强风化带底界面、中风化带底界面和微风化带底界面进行了层位解释。在这个过程中利用小折射分析对第四系的厚度进行了验证，证明了层位标定的合理性。
3.1 层位标定
利用GK-1井的声波和密度曲线制作了合成记录，结合GK-1井的地质分层对地震剖面进行了层位标定，在地震剖面上确定了第四系底界面和2个岩性分层界面（图4）。通过层位标定可以看出，在地震剖面上红色线标注的同相轴为第四系底界面；蓝色线标注的同相轴为变质岩内部中细粒变辉长岩与混合岩化变辉长岩的分界面；绿色线标注的同相轴为混合岩化变辉长岩与英云闪长岩的分界面。
图4
图4
地震剖面与地质分层对比
Fig.4
Comparison of seismic profiles and geological stratification
3.2 层析反演精细标定
图5
图5
初至波速度层析反演的基本流程
Fig.5
Basic flow of initial arrival wave velocity tomography inversion
图6
图7
图7
合成记录和层析剖面综合标定
Fig.7
Synthetic recording and comprehensive calibration of chromatographic profiles
4 矿区上覆地层的分布特征
4.1 第四系分布特征
从矿区附近的GK-1井水文地质和工程地质描述来看，第四系地层0.00～6.10 m为粗砂砾石，呈黄褐色、灰色，岩心呈松散状，含少量细粉粒，透水性良好或较好，为强富水层；6.10～20.50 m为粉土、粉质黏土，岩心呈柱状，以粉粒为主，部分段含腐植土，透水性差，为较好的隔水层；20.50～23.20 m为粗砂砾石层，岩心呈松散状，粗粒含量大于70%，岩层透水性较好，属于强富水层；23.20～30.00 m为粉质黏土、粉土，黄色，岩心呈柱状，含一定量的粉粒和少量中细砂，岩层透水性差，为较好的隔水层；30.00～32.10 m为含粗砂中砂层，淡黄至灰白色，岩心呈松散状，透水性较好，属于中等—强富水含水层；32.10～40.00 m为粉质黏土，全风化岩层，含少量的粗砂砾石，透水性差，为相对的隔水层，隔水性一般或较好。
根据GK-1井的密度曲线，然后采用Garden公式转换为速度后得知，黏土层的速度约为1 798 m/s，砾石层的速度约为2 048 m/s，利用层析反演的速度剖面（深度域），对第四系底界面进行了解释。由于层析反演的剖面本身在深度域，所以不需要进行时深转换，可直接用解释数据来绘制第四系底界面构造立体显示图［图8（a）］。可以看出第四系在研究区稳定分布，埋深在8～39 m之间，主要表现为西部和北部偏薄，南东方向地层逐渐变厚。在控矿断层附近第四纪岩层的厚度较薄，大概在10～15 m范围内。
图8
图8
第四系底界面（a）和黏土层顶面（b）构造立体显示图
Fig.8
Stereoscopic display of the structure of the fourth system bottom interface（a） and the top surface of the clay layer（b）
4.2 黏土层分布特征
基于对矿区地质特征和水文特征的了解，结合钻井资料，采用解释数据制作了黏土层顶面构造立体显示图［图8（b）]。可以看出隔水层厚度在1～11 m范围内变化，分布趋势与第四系基本一致，北东—南西方向隔水层较薄，向南东方向逐渐变厚。
4.3 基岩风化带分布特征
从钻井资料来看，矿区内基岩风化带共分为3层，分别为强风化带、中风化带和微风化带。其中，强风化带岩性为深灰色，饱和密实，结构大部分已破坏，呈碎块状，细粒、鳞片粒状变晶结构，岩体破碎，岩石坚硬程度为较硬岩。微风化带岩性为灰白色，呈柱状和块状，细粒、鳞片粒状变晶结构，风化节理和裂隙较为发育，岩体破碎，岩石坚硬程度为坚硬岩。基岩风化程度不同，造成了明显的速度差异，从测井曲线计算出强风化带速度变化范围为2 100～2 300 m/s，中风化带速度变化范围为2 400～2 700 m/s，微风化带速度变化范围为2 800～3 100 m/s，再结合钻井资料的地质分层对强风化带、中风化带和微风化带的层位进行了解释（图9）。
图9
图9
Crossline231基岩风化带界面解释图
Fig.9
Interface interpretation diagram of bedrock weathering zone of Crossline231
（1）强风化带分布特征。根据强风化带的层位解释数据，制作了强风化带底界面构造立体显示图［图10（a）］。可以看出，研究区基岩强风化带埋深范围为12～48 m，且北东—南西方向埋深较浅，南东方向较深。强风化带厚度变化范围为1～15 m，研究区中部厚度较大。总体来看，强风化带在埋深浅的地方厚度较小，埋藏深的地方厚度较大。
图10
图10
强风化带底界面（a）和中风化带底界面（b）构造显示立体图
Fig.10
Stereoscopic diagram of strong weathered bottom interface（a）and middle weathered bottom interface（b）
（2）中风化带分布特征。根据中风化带的层位解释数据，制作了中风化带底界面构造立体显示图［图10（b）］。可以看出，研究区基岩中风化带埋深范围为12～56 m，且北东—南西方向埋深较浅，南东方向较深。中风化带厚度变化范围为1～17 m，研究区中部厚度较大。
（3）微风化带分布特征。根据中风化带的层位解释数据，制作了微风化带底界面构造立体显示图［图11（a）］。可以看出，研究区基岩微风化带埋深范围为14～63 m，且北东—南西方向埋深较浅，南东方向较深。中风化带厚度变化范围为1～11 m，研究区中部厚度较大。
图11
图11
微风化带底界面（a）和上覆地层立体显示图（b）
Fig.11
Stereoscopic diagram of micro-weathered bottom interface（a）and overlying strata（b）
综合上述对强风化带、中风化带和微风化带的层位解释来看，基岩3层风化带总的厚度变化范围为3～35 m，厚度较大区域呈条带状分布，向北东方向延伸。为了更直观地查看上覆地层的信息，制作了上覆地层立体显示图［图11（b）］，其中第一层为第四系隔水层的顶界面，第二层为第四系底界面，第三层为强风化带底界面，第四层为中风化带底界面，第五层为微风化带底界面。
5 矿区上覆地层与海水的水力关系
图12
图12
新立矿区水文地质条件示意图
Fig.12
Schematic diagram of hydrogeological conditions in Xinli mining area
第四系强富水层（Ⅰ）：主要分布在浅层，以海积层和冲积层为主，由砂土、砂和粗砂砾石等组成，导水性和富水性都较好。把断层展布在第四系厚度图［图13（a）］上，可以看出F1断裂附近第四系有明显变薄的趋势，厚度为10～15 m。
图13
图13
矿区上覆地层厚度与断层展布图
Fig.13
Distribution map of thickness and fault of overlying strata in mining area
（a）第四系；（b）黏土层；（c）风化带
隔水带（Ⅳ）：位于第四系与基岩接触部位，由砂质黏土和粉质黏土组成，结构相对致密，隔水性较好。这使得含水层与下部的上盘含水层和下盘含水层不产生直接水力联系。由黏土层厚度与断层展布图［图13（b）］可以看出，第四系隔水层区内分布较连续，但在F1断裂附近明显变薄，厚度为2.5～5.0 m，并向北西方向逐渐变薄，隔水稳定性变差。
基岩风化带中等富水层（Ⅱ）：被第四系所覆盖，基岩因受强烈的风化作用，裂隙比较发育，且透水性较好，属于中等富水层。由风化带厚度与断层展布图［图13（c）］可以看出，在F1断裂附近总风化带较厚，厚度为20～35 m，其中强风化带厚7.5～15.0 m，中风化带厚8～12 m。基岩风化带与断层附近的含水层有着水力联系。
6 结论
（1）针对变质岩区难以成像的特点，采用了高精度的三维地震勘探方法，以提高信噪比为主，结合双检合并、数据净化和速度建模等技术，得到了具有较高信噪比、波组特征明显、断点清楚且构造形态可靠的地震剖面，真实地反映了地下地质情况。
（2）通过对地震资料进行精细解释，获得了矿区上覆地层地质结构形态。探测区第四系全部被海水覆盖，全区分布较连续，厚度变化范围为8～39 m，其中第四系底部粉质黏土层具有较好的隔水性，厚度变化范围为1～11 m，但在F1断裂附近明显变薄，厚度为2.5～5.0 m，并向北西方向逐渐变薄，隔水稳定性变差，对矿床开采具有一定的威胁。
（3）第四系下覆花岗岩基岩因受强烈的风化作用，其中强、中、弱3层风化带总的厚度变化范围为3～35 m，在F1断裂附近风化带明显变厚，厚度为20～35 m。基岩风化带裂隙比较发育，透水性较好，与F1断层附近的含水层有水力联系，是矿区主要的透水结构。
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