胶西北矿集区位于胶东三大金矿集中区（胶西北、栖霞—蓬莱—福山和牟平—乳山）的最西侧，也是目前胶东半岛已探明金矿资源储量最大的成矿区，区内焦家金矿田介于玲珑—大尹格庄金矿田和三山岛金矿田之间，三者沿东西方向呈近似等间距分布，均为金资源储量超过千吨的巨型金矿田（宋明春等，2010，2019，2022，2023）。近年来，焦家金矿田深部找矿不断取得突破，相继发现纱岭和招贤等大型—超大型深部金矿床，其中传统的可控源音频大地电磁测深（CSAMT）和大地电磁测深（MT）等电磁勘探方法对区内金矿勘查起到了较大的助推作用（曹春国等，2016；李威等，2019；王洪军等，2020；陈大磊等，2022；滕吉文等，2022）。

随着研究区内城镇建设和矿山开采活动的迅速发展，工业电磁干扰与日俱增，对电磁类勘探方法在该区域的应用构成严峻挑战，极大地限制了其实施应用，难以达到良好的勘查和研究效果。近年来，部分学者运用深反射地震勘探方法在胶东地区开展了深部探测，以研究胶东深部地质结构，并探讨金矿成矿的深部地质背景。尽管取得了一些成果，但是地震方法在胶东金矿深部找矿中的应用仍需进一步的探索和研究工作（王怀洪等，2021；于学峰等，2023；宋明春等，2024）。深反射地震方法施工成本高，通常被应用于探索具有重要科研价值的深部地质结构研究中。然而，在矿区范围内进行勘探，则需考虑采用成本较低且效果良好的方法。

微动探测技术属天然震源地震勘探方法，具有观测设备简单、施工方便及绿色环保等优点，将其应用于矿山和城镇等强电磁干扰区具有明显的优越性。近年来，该方法已被广泛应用于地热和采空区等勘查中，取得了良好的探测效果（徐佩芬等，2009；付微等，2012；范长丽等，2020；吴飞等，2021；徐浩等，2021；周鑫等，2021）。鉴于此，本文聚焦胶西北金矿勘查热点区，结合区内金矿类型、典型矿床、现有勘查深度及钻孔控制程度等因素，在焦家金矿田南部寺庄典型矿段的320勘查线开展微动探测技术应用试验研究工作，旨在探寻该地球物理方法对焦家断裂带的响应效果及其在该区的适用性。

微动探测是以平稳随机过程理论为依据（孙勇军等，2009；徐佩芬等，2013a），从微动信号中提取出面波频散曲线，从而获得地下地质体横波速度结构的方法（Aki，1959）。常用的2种提取面波的方法是空间自相关法（SPAC法）和频率—波数法（F-K法）（Ohori et al.，2002）。目前多用空间自相关法（SPAC法）提取相速度频散曲线。

SPAC方法的基本原理：假设微动信号是时间t和位置矢量ξ(x,y)的函数，符合随机平稳过程；其在某段时间的记录可以用平稳随机过程的样本函数Wt,ξ(x,y)表示：

SPAC法野外观测阵列为圆形，台阵圆心O0,0和半径为r的圆周上A(r,θ)点的微动信号垂直分量表达式分别为

式中：ω为频率，ω=2πf；φ为信号的入射角；k为波数矢量；z′为正交随机过程。

圆周上A（r，θ）点的空间自相关函数为

式中：G(ω,r,θ)=∫02πexpirkcos(θ-φ)ρ(ω,φ)dφ为空间协方差函数；ρ(ω,φ)dφ为频率—方位谱密度。

空间协方差函数的方位平均G¯(ω,r)表示为

空间自相关系数P(ω,r)表示为

假定第一类零阶贝塞尔函数B0(rk)表示为

将G（ω，0，0）代入G（ω，r，θ），最终得到G（ω，r）=B0(rk)。由P(ω,r)=B0(rk)可以看出，波的相速度c(ω)可以通过第一类零阶贝塞尔函数和空间自相关系数取得，继而求出相速度c(ω)，从而得到相速度频散曲线（徐佩芬等，2013b；应恒成等，2022）。

研究区位于焦家金矿田南部寺庄矿段，大地构造位置隶属于华北板块（Ⅰ）—胶辽隆起区（Ⅱ）—胶北隆起（Ⅲ）—胶北断隆（Ⅳ）—胶北凸起（Ⅴ）。区内地质体分布相对简单，焦家断裂下盘（东盘）主要为中生代侏罗纪玲珑序列二长花岗岩，上盘（西盘）分布有玲珑序列和新太古代马连庄序列变辉长岩，局部被新生代第四系冲洪积层覆盖，马连庄序列以西第四系下伏较大规模的新太古代栖霞序列英云闪长质片麻岩（图1）。

寺庄金矿为典型的破碎蚀变岩型（焦家式）特大型金矿床，东北方向距著名的焦家金矿约2.5 km。焦家断裂走向为NNE向，是区内主要控矿构造，其大致以寺庄金矿南侧为界可划分为2个部分：向北主要沿马连庄序列变辉长岩（上盘）与玲珑序列二长花岗岩（下盘）的接触带分布，向南主要发育在玲珑序列花岗岩体内。该断裂平面和垂向均呈舒缓波状延伸，沿走向和倾向膨胀夹缩特征明显，金矿体主要发育在主裂面之下的黄铁绢英岩化（花岗质）碎裂岩带内（许谱林等，2013）。

焦家断裂上下盘岩体除了密度和磁性参数存在差异外，电性及波速等参数也具有较明显的差异（表1），可通过不同地球物理方法对区内控矿断裂的走向和深部产状变化进行识别，因此焦家金矿田也是天然的地球物理研究试验场。

（1）重磁场特征。如图2所示，研究区重力场与磁场特征具有高度的相似性和关联性，其中北西区域与南东区域的分界特征明显，焦家断裂带均同时表现为不同场特征分界线和北东线性梯级带特征。区域重力场中，焦家断裂两盘地质体密度差异明显，上盘高重力场主要由高密度马连庄序列和栖霞序列变质岩系引起，下盘低重力场对应于低密度的玲珑序列花岗岩，焦家断裂沿高、低重力场界面发育；区域磁场中，焦家断裂上盘相对稳定，局部高磁场区对应马连庄序列变辉长岩，下盘玲珑序列花岗岩磁场整体较低但波动明显，且玲珑岩体内局部穿插多个相对高磁性的郭家岭序列花岗闪长岩体，焦家断裂整体位于北西部平稳磁场与南东部波动磁场的交界地段。

（2）密度和波速特征。本次微动探测研究工作主要为岩体波速参数，且其与密度参数具有一定的关联性。通过搜集研究区内物性参数可知（山东省物化探勘查院，1992；万国普等，2006），焦家断裂上盘前寒武纪结晶基底（马连庄序列、栖霞序列）呈高密度特征，其密度值整体在2.75×10³~3.28×10³ kg/m³范围内变化，下盘玲珑序列二长花岗岩密度明显较低，介于2.51×10³~2.69×10³ kg/m³，与上盘具有明显的密度差异。根据岩石密度与波速间的对应规律（马中高等，2005），当岩石密度增大时，其对应的地震波速随之增加，焦家断裂两盘具有明显的波速差异，为本次微动探测试验提供了充分的地球物理前提。

笔者前期在320线开展了相关的重、磁、电（磁）综合地球物理剖面测量工作（图3），各方法异常反映均良好，矿化蚀变带特征明显。

重磁异常特征对焦家金矿带反映较为清晰。其中，断裂上盘磁场特征表现为平稳的低缓磁场，布格重力异常值自东向西表现为由负变正且逐步抬升的重力特征，对应新太古代马连庄序列变辉长岩分布区，异常幅值表征新太古代老变质岩的残留体厚度自东向西逐渐增加；下盘磁场逐渐升高，布格重力异常显著降低，对应玲珑二长花岗岩分布区。金矿蚀变带位于重、磁异常梯级带位置。

采用CSAMT和MT方法得到的视电阻率等值线断面图具有明显相似的异常反映。视电阻率异常纵向上呈明显的“上低下高”特征，焦家断裂蚀变带位于视电阻率等值线由低到高呈舒缓波状的过渡梯级带上，梯级带上梯度变化最大的部位为断裂带主裂面下界面的反映，金矿体主要分布在主裂面下盘的碎裂岩带内。视电阻率等值线同步向下弯曲、间距变大以及由陡变缓部位为成矿有利部位。

由于研究人员在该区开展过较多的综合地球物理剖面测量工作，其物探异常响应与320勘探线异常响应基本一致，具有明显的规律性，因此可将该剖面作为该区该类型金矿带深部金矿地质—地球物理找矿模型的示范剖面。

微动探测试验剖面位于焦家金矿带南段的寺庄矿区320勘查线，剖面长度为4.8 km，西起任胡村西北（320/320点），东至寺庄村东（800/320点），剖面方位角为105°。本次微动工作布设点距为200 m和300 m，数据使用GN209微动探测系统采集，配套0.1 Hz低频检波器。利用空间自相关法开展了不同重圆台阵和不同半径台阵试验研究工作（图4）。数据采样率为250 Hz，增益为0 dB，根据探测深度和实时显示频散谱的稳定性，最终确定采集时间为2~3 h。通过Geogiga Surface Plus软件进行频散曲线提取和集合，获得相速度和视横波速度剖面（李井冈等，2020；徐佩芬等，2020）。

（1）不同重圆台阵试验

分别开展了三重圆台阵（台阵半径为150，300，450 m）和四重圆台阵（台阵半径为150，300，450，600 m）的微动探测试验，分析多圆台阵试验中焦家控矿断裂的响应特征和识别效果。

不同重圆台阵装置视横波速度等值线断面图（图5和图6）显示，三重圆台阵R_max=450 m装置成果（图5）对焦家断裂带响应较四重圆台阵（图6）明显，异常整体表现为明显的高低波速梯级带反映。对比四重圆R_max=600 m台阵装置断面成果，450 m半径台阵视横波速度等值线断面图对焦家断裂带反映较好，但探测深度明显减小，有效深度约为2 000 m。

如图5所示，由于受构造运动作用，上覆新太古代变质岩原岩产状发生剧烈改变，岩石结构和厚度发生较大变化，与下伏玲珑二长花岗岩呈断层接触。区内沿断裂构造带围岩蚀变发育，蚀变分带明显，在岩石结构上蚀变作用强烈，使得焦家断裂带各段的异常表现不同：在760点~800点区间，断裂异常表现为线性梯级带特征；在680点~760点区间，断裂异常表现为高速场中存在不连续的串珠状异常特征；在550点~680点区间，断裂异常表现为较明显的波速梯级带特征，且梯级带的展布与焦家断裂产状基本吻合，梯级带上部为波速升高特征，下部为波速降低特征；在480点~560点区间，由于有效探测深度的制约，已无法在三重圆台阵视横波速等值线断面图上准确反映焦家断裂异常特征。如图6所示，焦家断裂带在480点~560点区间表现为串珠状异常特征。

（2）不同半径四重圆台阵试验

如图7所示，在320点~550点分析不同半径四重圆台阵（台阵半径为150，300，450，600 m；台阵半径为200，400，600，800 m）对焦家断裂带的异常响应特征。由已知地质资料可知，该区段焦家断裂带埋深较大，上覆较厚的前寒武系结晶基底，不同台阵半径对深部地质信息的反映效果有所区别。由图7可以看出，最大半径为800 m的台阵与最大半径为600 m的台阵相比，大半径台阵对低频频谱信号能量的集中较好，在深部对焦家断裂带响应较好，断裂异常表现为线性梯级带，异常特征较明显。

通过上述工作，已知断裂在微动探测剖面中引起的异常主要表现为3个方面：一是地震波速场异常的线性梯级带；二是不同地震波速场的分界线；三是具有一定走向的低速异常带，局部形成于高速场中的低速异常。

（3）微动试验剖面解释

根据前文所述断裂带的天然源波速场特征，本次微动探测试验工作主要采用四重圆台阵工作模式，在断裂埋深中浅部以最大半径600 m采集；根据已有地质资料，剖面西北段前寒武系结晶基底埋深较厚的区段以最大半径800 m采集。微动探测试验剖面异常特征如下：

如图8所示，该剖面视横波速度断面图整体表现为明显的上高下低的不同波速场分布特征，剖面整体反映与钻孔控制的地质剖面岩体分布具有良好的对应关系。焦家断裂带上盘的中—细粒变辉长岩，波速整体表现为中高速场特征，但由于变质岩中岩石的矿物弹性性质变化大，地震波波速在前寒武纪结晶基底中变化范围较大，波速变化范围为1 300~3 000 m/s。焦家断裂带下盘的黑云二长花岗岩，波速变化范围较前寒武纪结晶基底变化小，整体表现为低速场特征和串珠状异常特征，波速整体表现为1 000~1 900 m/s。焦家断裂带受力挤压破碎，沿断裂构造带围岩蚀变发育，蚀变分带明显，各带之间呈渐变关系，在岩石结构上蚀变作用强烈，存在一定的波阻抗差异，当地震波沿断裂构造带传播时，速度发生不同程度的变化，整体表现为不连续的高速场和低速场变化特征。焦家断裂带在剖面上异常特征反映相对明显，在620点~800点区间，焦家断裂带表现为不同波速线性梯级带特征；等值线局部间距变大并发生扭曲变化；在460点~620点区间，焦家断裂带表现为等值线呈不连续的串珠状特征；在320点~460点区间，焦家断裂带表现为波速等值线间距由宽大到密集的过渡带特征。

综合分析前期在该剖面开展的CSAMT、MT成果与本次微动探测重合段（480点~800点）成果（图9）可知，在CSAMT和MT视电阻率等值线断面图中，焦家断裂带主要位于上低下高的电性梯级带上，梯级带呈舒缓波状向深部倾伏延伸。梯级带上梯度变化最大的部位为断裂带主裂面下界面的反映，整体电性特征如下：上盘中—细粒变辉长岩表现为视电阻率等值线稀疏平缓变化的低阻区，下盘黑云二长花岗岩表现为视电阻率等值线密实起伏变化的高阻区。

与前期多种电磁法成果资料对比可知，在本次微动探测试验成果中，焦家断裂带整体表现为高低波速梯级带和不连续的串珠状异常特征，断裂带异常特征反映较明显。为此，通过联合分析前期物探和地质资料，综合研究地质体在波速场中的变化特征，对本次微动探测试验结果进行了相互验证和补充，使解释结果更接近实际地质情况。

（1）根据地震波动场理论，地震波的传播速度与岩石的成分、密度、地质年代和构造等有关，一般在岩浆岩中地震波速度的变化范围比变质岩小。地质年代不同，对应岩体的波速变化也不同，年代老的岩体比年代新的岩体具有更高的速度。密度不同，对应岩体的波速变化也不同，一般密度高的岩体呈高速特征。焦家断裂带剖面上下盘的中—细粒变辉长岩与黑云二长花岗岩具有较明显的波速差异，断裂上盘整体表现为中高速场特征，波速变化范围为1 300~3 000 m/s，断裂下盘整体表现为1 000~1 900 m/s的低速场特征。同时，“焦家式”金矿以破碎蚀变带控矿为典型特征，破碎带中由于岩石破碎或遭到蚀变等，造成地震波传播速度降低（陆基孟等，2009）。因此，在本次研究区中应用微动探测方法识别控矿断裂是可行的。

（2）通过本次微动探测试验，获得了地下介质横波速度的分布图像，并与实测地质剖面进行对比分析，结果表明：焦家断裂带总体表现为不同波速特征分界面和波速梯级带特征，波速场界面和梯级带与已知断裂垂向展布特征较为吻合，成矿有利部位一般位于波速梯级带靠近高速场一侧。

（3）受构造运动的影响，胶西北金矿集区地质构造复杂，断裂发育，岩体形状不规则，主要岩体之间的密度差异小，开展人工源反射地震的地震地质条件复杂（王怀洪等，2021；于学峰等，2023；宋明春等，2024），反射地震取得的反射信号弱，而采用天然源面波的微动测深进行深部探测的分辨能力更弱，是造成该方法试验局部效果不佳的主要原因。鉴于微动测深法抗干扰能力强且生产效率高，可选择合理的技术参数，配合其他地球物理方法，应用于胶西北金矿集区-2 000 m以浅控矿断裂的深部探测和综合解译。

（1）在胶西北矿集区破碎蚀变岩型（焦家式）金矿床开展多参数天然震源微动探测试验研究。参考区内地质环境和现有勘查深度等因素，采用四重圆台阵R_max=800 m作为优选参数，可基本实现研究区内-3 000 m以浅深度区间内焦家控矿断裂的识别。

（2）研究结果表明，小半径台阵（高频）对浅部地质体反映较好；大半径台阵（低频）对深部地质体反映较好。通过拼合高频段和低频段的微动信号，选择适宜的台阵半径，可减小空间自相关系数偏差，减小浅部盲区范围，增大探测深度，从而提高探测分辨率。

（3）微动探测具有设备简单、施工简易和绿色环保等优点，特别是不受矿山开采环境下的强电磁干扰因素影响，可提供较为客观真实的视横波速度断面图像，通过匹配早期重磁和电磁勘探成果，有助于减小采用单一地球物理方法进行解译所引起的误差。