重力勘探及其应用

重力勘探及其应用 涂 承 林 区域重力调查方法技术中心 目 录 序言: 第一章 重力勘探的基础理论 一、地球的重力场 二、正常重力场与重力异常 三、岩(矿)石密度 第二章 重力仪 一、概述 二、石英弹簧重力仪 三、金属弹簧重力仪 第三章 重力勘探的工作方法 一、工作 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 主要内容和技术要求 二、重力 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 的整理 三、重力异常图 第四章 重力异常的数据处理 一、引起异常的主要原因 二、数据处理 三、区域异常和局部异常的划分方法 四、重力异常的解释延拓 五、重力异常的二阶导数 第五章 重力异常的正反演问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 一、基本概念 二、规则形体异常的正反演问题 三、任意形体异常的正反演问题 四、选择法解反演问题 五、密度界面的正反演问题 第六章 重力勘探的应用 一、基础地球物理调查—区域重力调查 (一)概况 (二)成果 (三)应用 二、重力勘探在油气勘查中的应用 三、重力勘探在煤田中的应用 四、重力勘探在其他地质勘探方面的应用 五、我国重力勘探工作概况 序 言 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 第一章 重力勘探的基础理论 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 一、地球的重力场 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 二、正常重力场和重力异常???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 三、岩石和矿石的密度 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 第二章 重力仪 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 一、概述 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 二、石英弹簧重力仪 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 三、金属弹簧重力仪 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 第三章 重力勘探的工作方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 一、工作设计的主要内容和技术要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 二、重力资料的整理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 10 三、重力异常图 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 第四章 重力异常的数据处理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 一、引起异常的主要原因 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 二、数据处理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 三、区域异常和局部异常的划分方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 16 四、重力异常的解析延拓 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 五、重力异常的导数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19 第五章 重力异常的地质解释及应用 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19 一、重力异常解释的基本概念 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 二、重力异常解释基本方法和步骤 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 三、重力勘探的应用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 四、重力勘探在其他地质勘探方面的应用 ?????????????????????????????????????????????????????????? 22 五、我国重力勘探工作概况?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 序 言 重力勘探是地球物理勘探方法之一。是研究地球表面及其周围空间重力变化的物理现象。地表及其周围空间重力变化原因之一是由于地球内部各种岩石密度的不同而引起的，而岩石密度不均匀往往与地下地质构造、矿产分布等地质原因有关。由于某种地质原因或矿产赋存而引起的重力变化称重力异常，这种情况下的重力场称为重力异常场。研究重力异常的变化特征，从而得到地下地质构造、岩石分布和矿产赋存的地球物理信息，就是重力勘探的实质和任务。 重力勘探在研究深部构造、进行地质构造分区，圈定盆地，岩浆岩体(隐伏)，勘查石油、天然气，圈定煤系地层分布范围、寻找含水地层等工作中发挥了它应有作用。 第一章 重力勘探的基础理论 一、地球的重力场 1、重力的概念 重力是最常见的地球物理现象之一。当地球表面及其周围空间存在有质量的物体时，就要受到地球质量对他的引力作用，同时还受到地球自转而产生的惯性离心力的作用，这两种力的合力就是物体所受的重力。如下图所示。图中F表示地球的引力，C表示离心 力，P表示重力，则有 P=F+C 地球 空间到处存在着重力作用，因此这个空 间就存在重力场。显然，它是引力场和 离心力场的叠加。 物 体所受的重力作用，不仅与物体在重力 场中的位置有关，而且与物体的质量大 小有关。 当物体受重力作用而自由降落时， 将产生重力加速度g，根据牛顿第二定律，它与作用在质量m的物体上的重力p有如下关系: p=mg 用m除上式两边，得 p/m=g 1 按照场强定义，单位质量所受的重力就是重力场强度( p/m )。可见重力场强度和重力加速度，虽然它的物理概念不同，但其数值和量纲完全相同，而且方向一致。因此，在重利勘探中常用“重力”二字代表重力加速度或重力场强度。在以后的讨论中，对两者不再区别。所谓重力测量，就是测量重力加速度或者重力场强度。 2在国际单位制中，重力加速度的单位为米/秒，以它的十万分 -52之一为通用重力单位即10m/s(毫伽) -221Gal=100mgl=10000μgl=10m/s 2、重力场 地球的重力场包括引力场和离心力场 1)引力场 宇宙中任何物体之间都存在万有引力作用，引力大小是根据牛顿万有引力定律计算的。 由于引力场是一个矢量场，所以采用直角坐标系，这样任何矢量的大小和方向都可用它的三个坐标轴上的投影来表示。坐标系原点位于地球中心，Z轴与地球自转轴重合，X，Y在赤道平面内(下 图) 设dm为地球内部的某 一质量 单元，其坐标为(ξ，η， ζ ) A为地球外部的某一点，其 坐标为 (x,y,z)。A点到dm的距离 222 r,(x,,)，(y,,)，(z,,) 则质量单元dm对A点处单位质量的引力为 dm F,G 2r-1132式中G为万有引力常数，等于6.67×10m/(kg.s)。 F方向是由A点指向质量元dm。 2)离心力场 地球为一个自旋的天体，设自旋速度矢量为ω，设地表任一点A(x,y,z)到地球自转轴的距离为L，则A点单位质量所受到的离心力为 2C=ωL 2 2实际离心力的计算公式为C=ωRcosφ 地球自转角速度ω=2π/86164s，φ为地球的纬度，地球半径R=6376公里，将上值代入公式，可得 -3-52C=3.39×10cosφ(×10m/s) 从公式可知离心力是规则变化，赤道最大，两极为零(约为地球引力的1/288)。 二、正常重力场和重力异常 1、正常重力场和正常重力公式 由于地球表面形状和内部密度分布十分复杂，不可能精确地计算出地球表面的重力值，而只能用其他方法获得近似值。由于地球总是处于流体平衡状态，它的大地水准面与某一旋转椭球面十分接近，所以可用一个理想椭球面作为大地水准面的形状，并且假定地球内部的密度分布是均匀的或者成层均匀分布，并且各层界面都是共焦点的旋转椭球面，这样就可以根据地球的大小、质量、扁度、自转角速度计算出大地水准面上不同位置的重力值。这种从理论上计算出来的重力值称正常重力值。表示重力场数学解析式称为正常重力公式。 目前常用的正常重力公式有 1)1901—1909年赫尔默特正常重力公式 ( 22,52 g,978030(1，0.005302sin,,0.0000075sin2,)(，10m/s)0 (2)卡西尼公式(1930年) 22,52 g,978049(1，0.0052884sin,,0.0000059sin2,)(，10m/s)0 (3)1979年国际地球物理及大地测量学会确定推荐的国际正常重力公式 22,52 g,978032.7(1，0.0053024sin,,0.0000075sin2,)(，10m/s)0 由此可见，正常重力场是一个规则的力场，正常重力值与纬度有关。 2、重力异常 1)引起地表重力变化的因素 地表的重力值是随着地点和时间不同而变化的。根据地表重力变化来进行地质构造和进行矿产勘查是重力勘探的基本内容。但是地表重力变化原因取决于好多因素，主要是: (1)地球自转，产生的离心力随纬度变化; (2)观测点高度不同引起的重力变化; (3)观测点周围地形的起伏引起重力的变化; (4)地球的潮汐，引起重力随时间的变化; 3 (5)地球内部物质密度分布不均匀，引起的重力变化。 上述五种因素中，最后一个因素所引起的重力变化才是有意义的。因为物质密度分布不均匀往往和各种地质构造、矿产分布有密切关系。 我们通常把引起重力变化称为重力异常，它又分为绝对重力异常和相对重力异常。 2)绝对重力异常 重力测量分为绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量是指测量重力的全值，称为绝对重力值。相对重力测量是指测量各点与某一基准点(重力起算点)之间的重力差值，称为相对重力值。 正常重力公式计算的是海拔高度为零的海平面(大地水准面)上的重力值，而实际重力测量工作是在地表上进行的，两者数值并不一致。其原因在上面已经讲过了，为了更直观地说明二者区别，我们以图示来说明如图 : 上图表述了将重力测点h为高度，a为测点，ρ为密度，a′为海平面上点，a换算到海平面a′上的各项改正，即地形改正、高度改正、中间层改正。 绝对重力异常为大地水准面上的重力值与正常重力值之差，它已消除了上述三种因素的影响。 3)相对重力异常 在解决某些地质问题时，例如圈定油气、煤盆地或寻找地质构造等，往往不需要进行绝对重力测量而是选择一个重力基准点作为测区的重力起算点。基准点所在的平面称为基准面，把该点重力观测的根据作为正常重力场数据。各个测点的重力观测数据进行地形，中间层和高度改正后，减去基准点的重力值，得到的结果就是相对于基准点的重力异常，称为相对重力异常。 3、重力随时间的变化 由于地面上的物体要受到其它天体(主要是太阳和月球)的引力作用，加之地球的公转与自转，地面各点与日、月相对位置随时间变化而发生变化，这就引起了引力的周期性变化，这种引力变化还可引起海洋潮汐和固体潮(所谓固体潮就是固体地球发生周期性 4 的起伏变化，即弹性形变)，使大地水准面发生位移，这种位移造成了重力周期性变化。这两种变化的总和称为重力日变。其变化最 -52大值仅0.2-0.3×10m/s。通常在重力仪混合改正中基本被消除了。 三、岩石和矿石的密度 各种岩(矿)石的密度差异是引起重力异常的必要条件，因此岩(矿)石的密度参数是重力勘探中非常重要的物性参数。它是部署重力勘探工作的前提，也是对重力异常进行地质解释的基本依据。 大量测定结果和研究表明，岩(矿)石密度大小有以下规律: 1)沉积岩 沉积岩密度一般比岩浆岩、变质岩低。沉积岩本身密度变化范围大，其密度值主要取决于岩石的孔隙度。随着孔隙度的增加，岩石密度减少。从岩性看，白云岩、石灰岩密度最大，其次是页岩、砂岩、粘土(见表)。同一种岩石也与其地质年代和埋深有密切关系，一般说年代越老，埋藏越深，孔隙度越小，密度就越大。 )岩浆岩 2 其密度主要取决于物质成分。由酸性岩到基性岩，超基性岩随着铁镁矿石含量的增加，岩石密度也越来越大。火山岩，尤其是熔岩，密度较低，而侵入岩密度较高。 3)变质岩 其密度主要取决于岩石的物质成分，岩石密度与原岩有关。由于变质作用，使岩石以更改密的形式再结晶，因此密度往往随变质程度增加增加而增加，一般比原生岩石的密度要高。 4)石油、煤、盐等非金属矿物 石油、煤、盐等非金属矿物的密度一般低于围岩密度，而金属矿物的密度则比较高。 表:岩(矿)石密度值表 5 常见岩(矿)石的密度值表 名 称 密 度 名 称 密 度 名 称 密 度 3 3 3 (g/cm) (g/cm))(g/cm 密 密 纯橄榄岩 2.5,3.3 大理岩 2.6,2.9 钛铁矿 4.5,5.0 橄榄岩 2.6,3.6 白云岩 2.4,2.9 磁黄铁矿 4.3,4.8 玄武岩 2.6,3.3 石灰岩 2.3,3.0 铬铁矿 3.2,4.4 辉长岩 2.7,3.4 页岩 2.1,2.8 黄铜矿 4.1,4.3 安山岩 2.5,2.8 砂岩 1.8,2.8 重晶石 4.4,4.7 辉绿岩 2.9,3.2 白垩 1.8,2.6 刚玉 3.9,4.0 玢岩 2.6,2.9 干砂 1.4,1.7 盐岩 3.1,3.2 花岗岩 2.4,3.1 粘土 1.5,2.2 硬石膏 2.7,3.0 石英岩 2.6,2.9 表土 1.1,2.0 石膏 2.2,2.4 流纹岩 2.3,2.7 锰矿 3.4,6.0 铝钒土 2.4,2.5 片麻岩 2.4,2.9 钨酸钙矿 5.9,6.2 钾盐 1.9,2.0 云母片岩 2.5,3.0 赤铁矿 4.5,5.2 煤 1.2,1.7 千枚岩 2.7,2.8 磁铁矿 4.8,5.2 褐煤 1.1,1.3 蛇纹岩 2.6,3.2 黄铁矿 4.9,5.2 第二章 重力仪 一、概述 用于测量某点绝对重力值的仪器称为绝对重力仪。 用来测量两点间 重力差值的仪器称为相对重力仪。 绝对重力测量通常是利用振摆的自由摆动或自由落体的降落运动来计算重力加速度。 绝对重力仪制造复杂，精度要求高，故而设备笨重，一般500kg左右，观测时间一般1—2天，仪器安装及观测条件要求较高，所以只能在少量点上进行。我国于1979年试制成功绝对重力 -82仪，精度为1,2×10m/s,接近世界先进水平。 大量的重力测量工作是相对重力测量，这种测量的仪器要求重量轻，体积小，精度高，便于野外工作。 当前进行相对测量的重力仪有两种结构。一种为石英弹簧重力仪，其型号有加拿大生产的CG-2，美制渥尔登(Worden)，国产 -ZSM-?、?、?型Z-400型重力仪。测量精度为?20,?40×10 6 28m/s;另一种为金属弹簧重力仪，美制Lacoste-RomgD.G型重力 -82仪，(拉柯斯特—隆贝格重力仪)测量精度为?10×10m/s。 二、石英弹簧重力仪 石英弹簧重力仪是当前世界使用最广泛的重力仪之一。种类较多，构造大同小异，工作原理完全相同。这里简单介绍一下重力仪的构造及有关问题。 1、重力仪器的构造 主要由三部分组成: 1)弹性系统(有的称作灵敏系统) 主要有负荷、摆杆、扭丝、主弹簧及温度补偿等装置组成。除负荷及温度补偿丝由金属外，其余均为石英制成。这些部件被一个矩形石英框架支撑着，并固定在密封容器内(真空瓶胆)。 2)光学系统，又称指示系统。它是一个长焦距显微镜，由目镜、刻度片、场镜、反射镜、物镜、聚光镜、灯泡等组成。 3)测量系统，由读数装置、测程调节装置及纵、横水泡组成。 2、国产ZSM重力仪 国产ZSM重力仪目前有?、?、?型。前两种型号测程为100 -52×10m/s， -52?型为150×10m/s。 -52当前生产的Z400型重力仪其测程为400×10m/s。 -52它们精度为?0.04×10m/s，重量约为4.5Kg。每台售价约5万元。 三、金属弹簧重力仪 金属弹簧重力仪灵敏度较高，操作简单，使用方便。零点位移小，有恒温装置，可保持读数稳定。它具有两套读数系统(即光学读数和电子读数)。仪器结构与石英弹簧重力仪相同。所不同的是平衡体的偏转轴是很细的金属弹簧(经过退磁的)，而不是石英弹簧。 -该仪器型号为Lacoste-D型和G型。D型测程为200×1052-52-m/s，G型测程为7000×10m/s。它们测量精度为?0.010×1052m/s。重量约10Kg(主要是蓄电池重)。 价格为8万美元(折合人民币67万元)。 7 此外还有加拿大生产的CG-3、CG-4型全自动重力仪，它们的测程范围和测量精度与Lacoste重力仪相同。只不过这种仪器体积较Lacoste大。 此外还有用于海洋重力测量的船舷重力仪(自动连续记录)。测量精度较陆地低。航空重力仪已在美国问世。我国总参引进了一台。 第三章 重力勘探的工作方法 重力勘探的全部工作过程包括:地质任务、工作设计、按照设计要求进行施工，将采集的重力数据进行整理并绘制成果图件，最后对重力异常进行解释，提出地质结论。 一、工作设计的主要内容和技术要求 根据地质任务，应收集测区及相邻地区的地质和地球物理资料，了解当地自然地理条件，对重力勘探的可行性进行研究，分析有利和不利因素，进行工作设计。 1、工作比例尺和测网选择 工作比例尺应根据地质任务、探测对象大小及异常特点来确定。工作比例尺越大，对重力异常的研究程度越高。 1:50万和1:100万比例尺主要适用于重力空白区的调查，其目的是研究深部构造和区域地质构造划分构造单元等。 1:10万,1:20万比例尺主要用于石油和煤田普查，还可用于追索、圈定与围岩有明显密度差异的隐伏岩体或岩层以及断裂带等;研究基底起伏和构造、圈定沉积盆地范围等。 1:50000,1:500多用于构造详查或研究局部构造、岩矿体位置、产状及详细范围等。 重力测量的方式为面积测量和剖面测量。面积测量一般为正规测网或自由网，所谓正规测网是指线距和点距是 相同的，如1:100000比例尺测网为线距1000米，点距500米;1:20万则为线距2Km，点距1 Km;非正规网(即自由网)要求在1:20万比例尺中 2则为4,6 Km内应有一个测点;测网中的结点即为重力测点。 剖面测量是根据地质任务或解释需要而布置的，测线方向要求垂直于被勘探对象的走向方向。 布置测网要求其密度为被探测对象上应有3,5个测点以上显示其异常，对于剖面至少有3个以上点反映探测对象产生的异常。 2、重力测量的精度 8 重力测量的精度是检验重力观测质量的重要标志，又是决定技术 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，经济的重要指标。 对精度的要求应保证地质任务的需要，即能反映出探测对象引起的最小异常。 通常是以观测误差来表示精度。误差愈小，精度愈高。观测误差的求取是对测点进行检查观测来确定，检查要求以一同三不同的方式进行，即同点位、不同仪器、不同时间、不同操作员;检查工作量为总工作量的3,5%左右。且检查点要求分布均匀。最后以均方误差作为重力测量的精度。 2,,ii,1其公式为 zn 式中为点原始观测与检查观测之差，为检查点数。 ,nii 3、基点和基点网 在进行相对重力测量时，必须设立一个总基点，它是起算点。为了与周围拼接或换算绝对重力值，它还用高精度方法与国家重力基本网进行联测。 在进行面积测量时，在测区内还应设立若干个基点。这些基点应均匀分布并与总基点一起构成基点网。 基点网的作用是传递重力值和控制重力仪混合零点位移情况，减少积累误差，提高观测精度。 为了上述目的，基点网的观测精度必须高于普通测网精度。联测方法通常是以一台或多台高精度重力仪，较短时间内闭合的方法对各基点进行多次重复来确定各基点相对于总基点的重力差。对于一个闭合环来说，各基点重力增量之和应等于零。若不等于零即形成闭合差。此时应以时间或观测次数来确定误差分配即所谓平差。 总基点(包括基点)应选在交通方便、地基稳定、附近无干扰、有明显标志的地方或埋标。 4、野外观测方法和零点位移校正 进行重力观测时，从基点开始，然后逐个测点观测，最后闭合到原基点或另一基点结束观测。 如果仪器零点位移不是线性及位移值大，则必须缩短时间闭合到基点。一般仪器零点位移两点间最大差值应小于设计要求的观测均方误差ε的1,3倍。将两点间的差值按时间分配到测点上即为零点位移校正。 5、重力仪的试验工作 9 重力仪野外工作中，除对仪器需要进行测程调节、水泡调节、光线灵敏度调节及格值标定(调节及格值测定方法参阅仪器使用说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf )外，还需要进行混合零点位移试验和仪器一致性试验。 混合零点位移试验分为静态和动态试验两种。 静态试验是在室内进行。每30min左右读一次数，同时记录温度和时间，保持观测不少于24h。最后绘制读数变化和时间的关系曲线。 动态试验是在两个重力观测点上重复观测，要求两点间重力差 -52在3×10m/s以上，重复观测时间在20,30min之间，且仪器处在运动状态。持续时间应大体和工作时间相同(12h左右)。 绘制读数变化和时间的关系曲线。 重力仪混合零点位移资料是确定重力测量精度和野外工作方法的重要依据之一。每年工作开始前均要作上述检查。 当测区使用多台仪器工作时，还必须测定各台仪器之间的一致性，以便筛选出不合要求的仪器。 6、重力勘探中的测地工作 在重力勘探中，为了对重力测量结果进行各项改正，确定重力异常位置，必须配合测地工作。 测地工作的任务是: 1、布设测网，确定重力点坐标，以便进行正常重力改正(又称纬度改正); 2、确定重力测点高程，以便进行高度、中间 改正; 3、地形变化较大地区，还应作地形测量，以便进行地形改正。 测地工作与重力测量具有同样重要性，它的质量直接影响重力异常精度。 在大比例尺重力测量中(如,1:5万)多使用经纬仪和水准仪进行(目前亦有使用高精度GPS全球卫星定位仪)，亦有使用激光测距仪。 中、小比例尺(,1:10万,的重力测量中，由于重力测量精度要求较低，常用的测地手段为1/万地形图定点、航片定点等。目前大多使用GPS全球定位仪进行。 二、重力资料的整理 在各重力测点上，观测得到的数据是重力仪记数器读格。资料整理时，首先读格换算成各点的相对重力值。 换算后的重力值，还应消除非地质因素引起的重力变化，这就是经过各项改正后，得到的才是重力异常。 10 相对重力测量的各项改正是以基点所在的平面作为基准面，而绝对重力测量是以大地水准面作为基准面。虽然参考面不同，但改正方法完全相同。为简便起见，我们只讨论改正到大地水准面上的改正。 1、地形改正 地形改正的目的就是将测点所在水准面以上多余物质的影响除掉，把该水准面以下物质缺失部分补平。经过地形改正之后的重力值，就相当于测点周围是完全平坦情况下的重力值。测点所在水准面以上物质对测点产生的引力分量是向上的，即多余物质对测点重力值的影响是使读数减小;而该点水准面以下缺失的物质，相当测点产生的引力是负值，也使读数减小。所以，测点周围地形起伏不论是高是低，都造成重力值减小，因此，地形改正值总是正值。 地形对重力测点观测值影响最大是在测点附近，随着距离增大而影响越来越小。 在大比例尺工作中，近区地改采用制作量板方式读取。远区一般到2公里，按扇形环在地形图上读取。 中、小比例尺工作中，近区地改(0,50m或0,100m)采用四方位目估方法。50(或100m),2000m，采用地形图(1/5万)读图法分5环(100,200，200,500，500,1000，1000,1500，1500,2000m)前三环为八方位，后两环为16方位读数平均高，然后换算成影响值。2Km,20Km用计算机完成(用1Km×1Km节点网高程)20,166.7Km(用5′×5′节点网高程)。 2、中间层改正 前面已经讲过，地形改正之后，测点所在平面与基准面之间存在有 中间层质量，要消除这部分质量对测点的影响，需要进行中间层改正。 其改正公式为 ,,2,G,hg, -52若Δg以10m/s为单位，h以米为单位，则上式为 ,,0.0419,hg, 3式中ρ为中间层密度(一般取2.67g/cm)，h为高程，当测点高程 低于起算点时，改正值为正。 3、高度改正 把测点换算到基准面(或大地水准面)上，消除高程引起的重力效 应，称为高度改正。 ,52近似计算:即,,0.3086h(，10m/s) gh 中间层改正和高度改正场与测量一点高程有关，在进行改正时往往 合并起来进行，称为“布格改正”，其数学式为: ,52,,(0.3086,0.0419,)h(，10m/s) gh 11 4、正常场改正(又称纬度改正) 当基点与测点处于不同纬度时，实测重力值也包括了正常重力值随纬度变化的影响。所以必须进行纬度改正。其公式为: -52 10m/s ,g,,0.814sin2,D, 式中φ为测区平均纬度， D为测点与基点纬向距离，单位为Km。 一般直接用正常重力公式计算。 5、布格重力异常 经过各项改正后得到的重力异常，把经过地形改正、中间层改正和高度改正后，所得结果称为布格重力异常，即: ,g, ,g,g,g，,，,,0dbgT 式中g为实测重力值，为正常重力值，为布格改正值，为地g,,0gbgT形改正值。 重力勘探研究的是布格重力异常。 6、自由空间重力异常 经过高度改正后的重力异常称为自由空间重力异常即: ,gF ,g,g,g，,F0gh 三、重力异常图 12 为了使重力异常分布和变化情况一目了然，便于对异常分析和解 释，总是把异常用各种图件来表示，这些图称为重力异常图。 1、布格重力异常平面图 这种图是用布格重力异常等值线来表示它的变化。重力异常等值线间距，一般为重力异常均方误差2,3倍。取整数。作图时应按设计及地形图的要求进行编绘。它是重力勘探的基本图件。(见图一)。 2、重力异常剖面图 这种图主要反映一条剖面上的重力变化情况。以剖面线为横坐标，重力异常值为纵坐标，按照一定比例尺把测点标在横轴上，把对应的重力值按比例尺点在纵坐标上，最后用直线将相邻点连接起来即可。(见图二)。 3、重力异常剖面平面图 这种图件把多个重力剖面按照测线的实际位置和方向展布在同一个平面上。(见图三)。 第四章 重力异常的数据处理 一、引起异常的主要原因 1、重力异常的主要地质原因 1)地壳底界面的起伏 13 地壳与上地幔之间存在一个界面称为莫霍洛维奇面(简称莫氏面)，其深度是地壳界面深度，也就是地壳原度。地壳原度各地不同，我国大陆平原，一般在20,30Km，高山区为40,60Km，青藏高原达70Km以上，海洋区为10,20Km，这一界面密度差达 330.3g/cm以上，界面以上硅镁层为2.8,3.0 g/cm，硅铝层为2.6, 332.7 g/cm，界面以下物质密度值为3.3,3.4g/cm。莫霍面起伏引起地表重力变化特点是异常范围大，幅度变化大。海拔越高，地壳越厚，重力异常就越底，而海洋显示为重力高。大量资料表明，布格重力异常与地壳厚度变化存在近似线性关系。由此可见，布格重力异常与地形成镜象关系。 从全国1:500万布格重力图上可以看出，在我国东部海沟、布 -52格重力异常值高达100×10m/s，而青藏高原重力异常值为-580×-5210m/s。 地壳厚度与布格重力异常之间有较好的相关性，可用一线性公式近似表示，即 H,H，a,g0, 式中H—地壳厚度 H—为零时的地壳厚度 ,g0, a—相关系数 —布格异常平均值，平均范围通常取100Km。 ,g, 2)结晶基岩引起的重力异常 结晶基岩和上覆沉积岩系之间通常有一个明显的密度界面，密 3度差为0.1,0.3g/cm之间。结晶基岩平均密度比沉积岩系大。在沉积岩不厚，结晶基底较浅的地区，重力异常的变化能较好地反映基岩顶面的起伏，它的隆起和凹陷是划分地质构造的主要依据，对找油气和煤盆地有着主要意义。 如果结晶基底埋藏较深，则其引起的重力异常变化将明显减弱，我国多数沉积盆地情况就是这样。为了研究结晶基底成分的变化和内部构造，重力勘探最好和磁法勘探配合进行。 3)沉积岩的构造和成分的变化 14 沉积岩系不同时代和不同岩性的地层往往存在着密度差异。明显的密度界面除前面讲过的下古代基底的顶界面之外，还有好几个界面上下存在着密度差别，并且这些界面往往与地质界面相吻合，这是利用重力研究沉积岩层区域和局部构造的依据，这些界面，地震勘探、电法勘探亦有效果。 4)金属矿体和其他地质原因 大多数金属矿床(如铁矿、铜矿、铬铁矿等)，特别是致密状 3的，其密度比围岩大得多，两者相差达0.5,3g/cm，某些非金属矿，如岩盐、煤等，则其密度比围岩小得多。 金属矿体一般较小，如埋藏较深时，引起的重力异常比较微弱，因此在找金属矿、开展重力勘探时应采用高精度重力仪。 2、区域异常和局部异常的概念 布格重力异常包含了多种因素产生的异常，通常把异常分为局部异常，区域异常和干扰异常。 局部异常和区域异常是一个相对概念。例如，研究浅部地质构造问题，研究的对象引起的异常称为局部异常，把深部地质原因引起的异常称为区域异常。进行异常解释时，必须把两种异常分离。 除此而外，把非研究对象更浅或地表原因及各项改正引起的异常，统称为干扰异常。在解释前，必须对它们进行消除。 二、数据处理 实际工作中所得到的重力异常，往往是各种地质因素叠加所引起，其中还包含有由于各项改正误差所引起的干扰等。使得实际曲线不光滑等。为此，数据处理的目的: (1)消除各项改正所引起的误差或与探测对象无关的某些近地表密度不均匀体的干扰; (2)从多种地质因素所引起的叠加重力异常，划分出与重力探测目的有关的重力异常。 目前，重力异常数据处理方法很多，问题也不少，这里只择简单和常用的方法进行介绍。 1、徒手平滑法 这是一种消除因各项改正产生误差的简捷方法。它是有经验的技术人员，根据异常曲线变化规律，在实际重力异常误差范围内进行手工平滑(亦可由计算机按平均要求来完成)。 2、数字解析法 15 这种方法是利用最小乘法原理对异常曲线圆滑处理。这个方法的实质是:用不同的曲线分段逼近剖面上的实测异常曲线，用不同的曲面分片逼近实测异常值(布格重力异常值)。 1)线性圆滑处理 在一定范围内，异常按线性变化，这里有3点、5点、7点圆滑处理，对每点进行圆滑时，只需把该点作为中心点，两边对称取点(3、5、7„点)计算即可。从结果来看，取点越多，曲线越光滑，异常峰值也降低。这样就基本消除了干扰异常。 2)二次曲线圆滑处理 若重力异常曲线在一定范围内可视为二次曲线时，则在这个范围内，可用二次曲线进行平滑，一般采用相邻五个以上点的异常值作平滑计算。 3、多次线性内插圆滑 这种方法即把原始曲线上两相邻点的中点联接成一条新的曲线，叫做一次内插，在新的曲线上再把相邻点的中点联接起来，即二次内插，以此类推，直到曲线圆滑为止。 三、区域异常和局部异常的划分方法 1、平行直线法 当区域异常范围较大，沿水平方向呈线性变化时，可用一组平行等值线来表示区域场的变化趋势，在剖面上则是具有一定斜率的直线。局部异常叠加在区域场的背景上，使局部异常变得很不明显，此时只需根据布格重力异常图判断出区域异常的水平梯度，并据此绘出异常等值线，在从每个测点的布格重力异常值中，减去相应的区域异常值，便可得到局部异常值(又称剩余重力异常)。 2、平滑曲线法 当区域重力异常等值线呈曲线均匀规律的变化，则可以按照异常走向和趋势，用平滑曲线法画出区域异常等值线。 这一方法是在先在异常平面图上绘制网格，网格距一般为点距的4,5倍(尽可能使网格大于局部异常范围)，用内插方法求出网格结点上的重力值，再在结点之间进行内插。然后对这些值进行圆滑，根据圆滑后的异常值，绘制的等值线图即是区域异常图。然后用布格异常减去区域异常就可得到剩余异常即局部异常。 3、圆周平均法 圆周平均法就是以圆周上的布格异常平均值作为圆心上的区域异常值来划分局部异常和区域异常的方法。所取圆的半径r以略大于区内局部异常范围的最大限度之半为宜。如果知道局部异常源的 16 深度，那么最佳半径为深度的4,6倍。如果不知道局部异常源的深度，要用试验方法得到最佳半径。 4、多项式拟合法(趋势分析法) 多项式拟合法是用一多项式所表示的平面或曲面，去逼近或拟合整个测区内布格异常分布的总趋势来划分局部异常和区域异常的方法。这一方法大多用计算机完成。 区域异常平面图 17 剩余异常平面图 四、重力异常的解析延拓 将地表观测到的重力异常值，利用数学方法换算到空间某一高度或地下某一深度位置上，这种换算称为解析延拓。想地面以上高度换算称向上延拓，反之，称向下延拓。 由于任意一点的重力异常大小与该点到场源的距离平方成反比，所以当重力异常源的深度不同时，它的异常大小随观测平面位置变化而增减速度不同。向上延拓时，浅部异常源产生的局部异常迅速衰减，而区域性异常是由深部地质因素引起。相对深度变化较小，异常衰减速度较慢，这样，当延拓到某一高度时，局部异常可衰减到趋于零，而区域异常相对突出了。所以向上延拓可用来压制局部异常，突出区域异常，达到划分区域异常和局部异常的目的。向下延拓的效应还好相反，相当于观测平面越来越接近场源，所以浅部场源引起的局部异常变化剧烈，异常值迅速增加，而区域异常相对变化不大，异常数值变化也不大，这样相对突出了局部异常即放大了局部异常。 目前广泛应用的解析延拓方法为积分插值延拓法。 18 五、重力异常的导数 1、重力异常的水平方向导数的换算 重力异常的水平导数的原理很简单，它们实际是重力异常沿某一方向的变化率。若已知重力异常沿某一方向的变化率，则可取相邻两点的重力差，然后除以两点间的距离，即可得到。 水平方向导数所得异常，恰好反映了其垂直方向的变化。因此常用它来研究重力异常沿某一方向变化的地质原因。 45度方向导数图 2、重力异常的垂向二阶导数的换算 重力异常垂向二阶导数g就是剩余质量的引力位沿铅垂方向的zz 三次导数v。用换算布格重力异常垂向二阶导数的办法来压制区域 zzz 异常的影响，突出局部异常特征，已得到广泛应用，并取得了显著效果。关于换算垂向二次导数的方法，许多著作中提到的公式已有数十个，这里只提出常用的几个公式即:哈克公式，艾勒金斯第二公式和罗森巴赫第二公式。 第五章 重力异常的地质解释及应用 19 一、重力异常解释的基本概念 经过各项改正的重力观测值在进行必要的数据处理之后，便得到局部重力异常(剩余重力异常)和区域重力异常。通过对重力异常场特征的分析，研究引起异常的地质原因，这就是重力异常的解释。 重力异常解释分为定性和定量解释两种。定性解释主要是推断引起异常的地质原因，确定异常源的形态、范围、大致埋深;定量解释是在定性解释基础上对异常源的深度、大小、产状等进行定量计算。最后，根据工作地区地质、地球物理条件和已有的地质及物探资料得出明确的地质结论，这就是重力异常进行解释推断的目的。 为了正确进行解释推断，就必须了解重力异常与各种地质因素之间的相互关系，包括数量关系。根据已知地质体的形状、大小、产状和物性，用数学物理方法研究它引起重力异常的分布规律，幅度大小和形态特征等，称为重力异常的正演。反之，根据异常形态、幅度大小和分布特征等，来确定地质体的形状、大小、产状等，称为重力异常的反演。正演是反演的基础。 正演一般是把自然界中地质体简化为简单的几何形体，这样研究起来比较方便。当地质体形状和密度分布较复杂时，按照场的叠加原理，可把它划分成若干简单形态地质体，然后计算每一部分的重力异常并把它们累加起来，这样简单几何形体的正演也就成了复杂形体正演的基础。 反演方法较多，但存在着解的非单一性，即多解性问题，这是由于不同的物质密度和质量分布可能引起相同的异常。例如一个球形矿体，在地表引起的重力异常决定于它的剩余质量和观测点到球体中心的距离，反演时，不能单独确定它的深度和密度值，因为如果保持剩余质量和球体中心深度不变，则球体的密度和半径大小有无穷多个值，它们产生的重力异常都是相同的。因此，反演时，一定要对工区地质资料和物性(密度值)进行分析。上面例子中，如果球形矿体的密度值确定了，其半径大小就可得到唯一解。 二、重力异常解释基本方法和步骤 重力异常的解释是完成重力勘探任务的关键。因此在进行解释之前，必须仔细研究重力勘探的目的任务和开展重力工作的地质和地球物理依据，明确重力异常解释的中心任务。 20 解释工作首先应该从识别异常开始。 (1)在重力异常平面图上，等值线的圈闭和弯曲，重力异常等值线轴向的改变，等值线间距的疏密，平行排列等等，都是值得注意的异常现象。 (2)在 重力剖面图上，异常曲线上升或下降的规律、幅值大小、极大或极小值的出现等等。 重力异常的解释前面已讲过，分为定性解释和定量解释。 定性解释是根据重力异常特征和已知的地质和其它地球物理资料，对引起重力异常的地质原因作出判断。 定量解释是在条件允许的情况下(已知因素较多)，对有意义的异常进行定量计算，求出地质体的某些产状参数。 定性解释，一般说，幅值和范围小而水平梯度大的异常，反映的是近地表的小异常体(如小型岩体，浮土下的基岩起伏等);幅值和范围大，水平梯度小的异常，一般多反映 体积较大。而埋藏较深的地质体(如古潜山、区域性背、向斜、沉积基底表面起伏等);幅值和范围不大的中等异常可能反映具有一定规模而埋藏深度不大的局部地质体。我们上面说的大、中、小没有严格的界限。 三、重力勘探的应用 (一)研究地壳深部构造 从我国1:500万布格重力图中可以看到我国布格重力异常分布的基本特征: 1、布格重力异常值变化总趋势从东向西逐渐变小，南海海域及 -52-硫球群岛布格重力异常值最高达400×10m/s，进入大陆为0×1052-52m/s，青藏高原最低达 -580×10m/s。 布格重力异常值的变化趋势，反映了地壳厚度的变化，随着布格重力异常值的减小，地壳厚度逐渐增加。根据地震及大地电磁测深等地球物理资料证明，沿海大陆架地壳厚度为24,28Km，而在青藏高原地壳厚度达70,80Km。 2、在区域性重力异常背景上，有三组巨大的重力梯级带(我们通常把等值线密集且重力值变化大的线性异常称为梯级带)。它们是海域的钓鱼岛梯级带，大兴安岭—太行山—武陵山梯级带和青藏高原周边梯级带。 重力梯级带反映了陡倾的密度分界面，往往是莫霍面陡变带及各种类型的断裂带，造山带的综合反映。 这三条巨大梯级带与我国主要构造体系有密切关系。 21 除此而外，还有一些规模稍小的重力梯级带。如宁波—茂名重力梯级带，动昆仑—阿尼玛卿山重力梯级带，额尔齐斯(阿尔泰山)重力梯级带，雅鲁藏布江重力梯级带等。 3、在梯级带之间还分布着一些不同规模的相对区域 重力异常(重力高)和重力异常(重力低)。正异常与盆地相对应如四川盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、柴达木盆地等，它们是上地幔相对隆起区。负异常多与次一级山脉相对应，如大兴安岭、大别山、伏牛山„等。它是板快活动造山带引起的 异常。 除研究深部构造外，重力异常还可用于研究大地构造分区，划分地质构造单元等。 (二)重力勘探在寻找石油、天然气构造方面的应用 应用重力方法直接寻找储存石油和天然气构造(如背斜、古潜山、岩丘„等)的可能性与效果已被大量实践所证明。 如:上世纪五十年代大庆油田就是重力勘探发现的，以后的大港、胜利、塔北、长庆、江汉、南阳等油田均是在首先应用重力勘探手段寻找储油构造、结合地震资料，圈定含油盆地继而进行铝探证实的。 华北地区引起局部重力异常的主要地质因素为古潜山在冀中坳陷区的140个局部重力交中就有62个与古潜山有关。 (三)重力勘探在研究煤田地质构造方面的应用 1、圈定含煤盆地边界，确定含煤盆地的基底深度; 2、在一定条件下，研究含煤层系的构造(断裂)，确定含煤层系或煤层厚度。 由于煤系地层密度值较其围岩低(煤及煤系地层密度值在1.5, 32.2g/cm之间)密度较高，形成了明显的密度界面。加之煤系地层多为层状，这就给应用重力勘探提供了良好的前提条件。 重力勘探在我国煤田普查中被广泛应用，并取得很好效果。 四、重力勘探在其他地质勘探方面的应用 重力勘探方法应用不限于前述几个方面，它还可与其他物探方法相结合，寻找磁铁矿体、铬铁矿、硫化矿床、铜镍矿床等等。这些矿床主要与岩体有关，而利用重力异常来圈定隐伏、半隐伏岩体是重力勘探基本任务及有效的方法。另外，利用重力异常来划分断裂构造，圈定盆地等。在覆盖地区还可利用重力资料来进行基岩地质、构造填图。 除此而外，重力资料还可应用在军事、测绘、地质灾害、水工环、地震等方面。 22 五、我国重力勘探工作概况 我国自新中国成立之后，地质、石油、煤炭、地震、测绘和军事测绘部门围绕不同目的在许多地区开展了重力工作，截止70年代末，完成了约250万平方公里面积的重力工作。但由于这些资料精度、网度及尺度等不统一，很多资料不能直接使用(需重新改算或联测、整理等)。 1978年，原国家地质总局为加强基础地质工作需要，决定在全国系统开展区域重力调查工作。 自上世纪80年代以来，原地矿部及其所属部门至1999年止完成全国1:100万比例尺区域重力调查面积700余万平方公里;1:20万区域重力调查面积300余万平方公里(已完成全省(区)1:20万比例尺区域重力调查的有辽宁、山东、江苏、安徽、浙江、江西、福建、海南、宁夏)先后编制了全国1:500万布格重力异常图及华北、长江中下游、华南、秦岭大巴山、三江地区等片区的重力图(1:50万,1:100万比例尺)。除此而外，还编制了按国际分幅的布格重力异常图(1:100万为北纬40?以北33幅，1:20万400余幅)。 国土资源部成立之后，中国地质调查局为加强基础地质调查，六年来，区域重力调查工作未停顿，到2005年止，全国1:100万重力调查已全部完成(除高山及无人区无法工作外)，1:20万区域重力调查每年完成约10万平方公里。 关于取得的成果，在这里概括列表说明，不一一叙述。 23 24 25 26