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1、专业导论-重力勘探,主要内容,1 前言2 重力勘探的理论基础3 重力仪4 重力勘探工作方法5 重力资料的整理与图示6 重力异常的正演与反演7 重力异常的转换与处理8 重力异常的地质解释及应用,1 前言 重力勘探是观测地球表面重力场的变化，借以查明地质构造和矿产分布的物探方法。地球的重力场是一种天然力场。组成地壳的各种岩（矿）石之间具有密度差异，这种差异会使地球的重力场发生局部变化,从而引起地球重力异常。当我们在某一地区进行观测并发现重力异常时，对异常进行分析计算，就能推断引起该重力异常的地下物质分布情况，从而达到地质勘查的目的。,重力勘探的前身重力测量学 重力现象认识过程经历的两次飞跃：1、运
2、动物体的下落时间与其重量成比例古希腊 亚里 士多德 2、物体坠落的路径与它经历的时间的平方成正比，而与 物体自身的重量无关 意大利 伽利略（人类第一次对重力现象有了科学的认识）重力勘探大约起始于20世纪初，厄缶发明了测量重力变化率的扭秤，用它在油田勘探中寻盐丘等储油构造获得了成功。但由于重力的变化值仅占重力全值中的极小比例，因而实用的重力仪到20世纪40年代才出现。,重力勘探的特点：1、费用低 2、勘探深度大 3、仪器轻便、采集数据快 重力勘探的分类：1、地面重力勘探 2、海洋重力勘探 3、井中重力勘探 4、航空重力勘探 5、卫星重力勘探,2 重力勘探的理论基础 一、重力 地球上任何物体都要受
3、到重力作用，重力是两种力的合力，其一是地球的全部质量对物体的引力，其二是物体在自转的地球上受到的惯性离心力，重力就是它们的矢量和。,重力场与重力场强度 地球周围具有重力作用的空间称为重力场，其强度为单位质点所受的重力。重力加速度 当物体只受重力作用时，会做自由落体运动，此时的加速度为重力加速度。重力勘探中实际测量的是重力场强度或重力加速度。重力勘探的单位：SI单位制：g.u.1g.u.=10-6m/s2,CGSM制:Gal,mGal,Gal 1Gal=103mGal=106 Gal=10-2m/s2,两种单位的换算关系为：1Gal=104g.u.,二、地球的重力场 地球的重力场可分为正常重力场
4、、重力随时间的变化及重力异常三部分。（1）正常重力场 大地测量和人造卫星轨道测量的成果都表明，地球的形状实际上并不规则，其赤道膨胀，两级略扁且内部物质分布不均匀。为便于计算正常重力值，选择一个内部物质呈均匀同心层分布的旋转椭球体作为地球的形状，此时计算出的重力值称为正常重力场值。我国采用计算正常重力值的公式为1909年的赫尔默特公式：,（2）重力场随时间的变化 重力场随时间的变化包括长期变化和短期变化两类。长期变化:主要与地壳内部的物质变动，如岩浆活动、构造运动、板块运动等有关。短期变化:指重力的日变，重力日变的幅度约为2至3g.u.，（3）重力异常,如左图所示，设地下有一个体积为V、密度为的
5、地质体，围岩密度为0，两者的密度差=-0称为剩余密度，则地质体与同体积围岩间的质量差m=V称为剩余质量。由于剩余质量，就在地面P点产生了一个指向地质体质量中心的附加引力E，该附加引力在正常重力方向(铅垂方向)上的投影，即为重力异常。,特别注意：引起重力异常的必要条件是岩层密度必须在横向上有变化，对于一组横向上密度均匀分布的岩层，则无论它们在纵向上密度变化有多大，也不能引起重力异常。要获得探测对象产生的重力异常，一般应具备如下条件：（1）必须有密度不均匀体存在，即探测对象与围岩间要有一定的密度差。,第二，仅有密度不均匀体的分布，并不一定能产生重力异常。密度不均匀体还必须沿水平方向有密度变化，才能
6、引起重力异常。,三、重力仪,按测量重力的方式重力仪可分为绝对重力仪和相对重力仪。但用于重力勘探工作中的重力仪，都是相对重力测量仪器，即只能测出某两点之间的重力差 值。（一）基本原理：弹簧秤原理 设弹簧的原始长度为s0，弹力系数为k，挂上质量为m的物体后其重量为mg，当由弹簧的形变产生的弹力与重量大小相等（方向相反）时，重物静止在某一平衡位置上，此时有：式中：s为平衡时弹簧的长度。若将该系统分别置于重力值为g1和g2的两点上，弹簧形变后的长度为s1和s2，可类似得到上述两个方程，将它们相减便有：,系数C称为格值，因此测得重物的位移量就可以换算出重力差。（二）地面重力仪 石英弹簧重力仪,金属弹簧重
7、力仪,4 重力勘探的工作方法 根据地质任务的不同，重力勘探可分为预查、普查、详查和细测四个阶段。预查：在重力勘探空白区进行的大面积小比例尺测量，以便 在短期内获得有关大地构造轮廓的资料。普查：在有进一步工作价值的地区开展的调查，用以了解区 域构造特征、圈定岩体范围和指示成矿远景区等。详查：在成矿远景区进行的重力测量，通过对异常规律和特 点的详细研究，寻找局部构造或岩、矿体。细测：在已发现的构造或成矿有利的岩体上进行的精细测量，目的在于确定地层或岩、矿体的产状特征。,比例尺及测网应根据工作任务、探测对象的规模及异常特征而定。测线应尽量垂直于探测对象的走向，探测对象大致位于测区的中心。普查时应至少
8、有两条测线，每条测线至少有两个测点通过异常；详查时应有35条测线，每条测线有510个测点通过异常；细测的点、线距应能反映异常的细节；预查是沿交通线做的路线测量，要求平面图上每平方厘米有12个测点。,思考：上图测网合理否？,5 重力资料的整理及图示 一、重力资料的整理 野外观测结束以后，就能将各测点相对于总基点的重力差值确定出来。但这些差值还不能算作重力异常，因为其中包括了干扰因素的影响。为此，必须对实测数据进行整理，消除干扰，提取有用信息。地面上任一点的重力值都由该点所在纬度、周围地形、岩(矿)石的密度变化所决定。其中纬度变化的影响较大，地形高差影响次之。相对于这两种干扰而言，重力异常是十分微
9、弱的。要从强干扰中提取如此微弱的异常，高精度地进行各项校正具有十分重要的意义。消除自然地形引起的重力变化需要进行三项校正，即地形、中间层和高度校正。消除正常重力对测量结果的影响还须进行正常场校正。,地形校正 地形起伏往往使得测点周围的物质不能处于同一水准面内，对实测重力异常造成了严重的干扰，因此必须通过地形校正予以消除。其办法是：除去测点所在水准面以上的多余物质，并将水准面以下空缺的部分用物质填补起来。,由上图可见，测点O所在水准面以上的正地形部分，多余物质产生的引力的垂分量是向上的，引起仪器读数减小。负地形部分相对该水准面缺少一部分物质，空缺物质产生的引力可以认为是负值，其垂直分量也是向上的
10、，使仪器读数减小。可见地形影响恒为负，故其校正值恒为正。中间层校正 经地形校正以后，测点周围的地形变成水准面，但测点所在水准面与大地水准面或基准面间还存在着一个水平物质层(下图)，消除这一物质层的影响就是中间层校正。,中间层可当作一个厚度为h(单位为m)，密度为的无限大水平均匀物质面。由于地壳内物质每增厚1m，重力增加约0.419g.u.,故中间层校正值g中为-0.419 h g.u.,当测点高于大地水准面或基准面时，h取正，反之取负。经过上述两项校正后，测点与大地水准面或基准面间还存在一高度差h,为消除这个高度差对实测值的影响，必须进行高度校正。,高度校正 将地球当作密度呈均匀同心层分布的旋
11、转椭球体时，地面每升高1m重力减小约3.086g.u.，所以高度校正值g高为:测点高于大地水准面或基准面时，h取正，反之取负。正常场校正 在大面积测量中，各测点的正常场校正值可直接由正常重力公式计算。小面积重力测量不用上述绝对校正方法，而只作正常场的相对校正(纬度校正)。当测点与,总基点不在同一纬度时，测点重力值包括了总基点和测点间的正常重力差值，这时正常场校正值g正按下式计算：式中为测区的平均纬度，D为测点与总基点的纬向(南北向)距离，单位为km。在北半球，当测点位于总基点以北时，D为正，反之为负。,二、重力异常图 1、重力异常剖面图 将重力测量结果沿着剖面线按照一定比例尺等要求绘制在平面上
12、的结果,是航空物探测量结果的主要表现形式之一。2、平面等值线图 重力异常等值线平面图与地形等高线的绘制方法类似。反映了测区内重力异常的位置、特征、走向及分布范围。,6 重力异常的正演与反演一、重力异常正演、反演的定义 正演：给定地下某种地质体的形状、产状和剩余密度等，通过理论计算求取它在地面或空间范围内引起的异常大小、特征和变化规律等，即“由源求场”。反演：已知地下某种地质体在地面或空间范围内引起的异常大小、特征和变化规律等，从而求取该地质体的形状、产状和剩余密度等，即“由场求源”。,二、简单规则形体重力异常正演 简单规则形体：几何形状简单、规则的形体，如球体、柱 体、板状体等。（1）球体 实
13、际中，近于等轴状的地质体可看作球体。球体的重力异常公式为：分析上式，可以获得球体异常分布的基本特征是：在x=0（即原点）处，异常取得极大值为：,（2）水平圆柱体 对于某些横截面近于圆形、沿水平方向延伸较长的地质体，如扁豆状矿体、两翼较陡的长轴背斜及向斜，大型人工管道等，在一定精度要求内，可以当成水平圆柱体来看待。设圆柱体长度为2L，半径为R，中轴线埋深为D，剩余密度为，则单位长度圆柱体内的剩余质量称为剩余线密度，S为圆柱体截面积，因而=R2。,其剖面图和平面图为：,剖面图上，异常相对原点为对称分布。当x时，g0，其形态如图（a）。在平面上，由对称性可知，其异常等值线为一簇以球心在地面投影点为圆
14、心的许多不等间距的同心圆，如图（b）。,（3）铅垂台阶,一些界限清楚的高角度接触带，可看作铅垂台阶。二度体重力异常为：,（4）断裂构造 断裂构造可由两个垂直台阶或两个倾斜台阶组合而成。,（5）铅垂板状体 一些矿脉、岩脉、岩墙等，只要它们沿走向方向延伸较长时，就可以当作二度板状体来研究它们的异常。,（6）倾斜板状体 类似于铅垂板状体的讨论方法，可以用两个倾角相同的倾斜台阶相减的办法求其计算异常的表达式。,三、重力异常反演（1）特征点法 特征点法 是根据异常曲线上的一些点或特征点（如极大值点、零值点、拐点）的异常以及相应的坐标求取场源体的几何或物性 参数，仅适用于剩余密度为常数的几何形体。水平圆柱
15、体:根据 异常求圆柱体中心埋藏深度D，线密度，半径R及顶部埋藏深度h的公式分别为：,三、重力异常反演（2）选择法原理:根据实测重力异常在剖面或平面的分布和变化的基本特征，结合工区的地质、其他地球物理和物性等资料，给出引起异常的初始地质体模型，然后进行正演计算；将计算的理论异常与实测异常进行对比，当两者偏差较大时，根据掌握的场源体资料，对模型进行修改，重算其理论异常；再次进行对比，如此反复进行，以两种异常的偏差达到要求的误差范围时的理论模型表示实际的地质体。,七、重力异常的转换处理 重力异常的迭加 两个以上地质体引起的叠加异常，在形态、幅值和范围上，不同于单个地质体引起的异常，下面以单斜异常与球
16、体异常的叠加异常为例说明。,重力异常的分离重力异常可分为区域异常和局部异常。区域异常：分布较广的中深部地质因素引起的重力异常，其特征是异常幅值较大，异常范围也较大，但异常梯度小。局部异常：相对区域因素而言，范围有限的研究对象（如 构造矿产）引起的范围和幅值较小的异常，但 异常梯度相对较大。局部异常也称剩余异常。注意：区域异常和局部异常是相对而言的，没有绝对的划 分标准，应视研究的问题而言。,高次导数法 重力高次导数可以将几个互相靠近、埋藏深度相差不大的相邻地质体引起的叠加异常分离开来。重力异常导数分辨率高的主要原因是因为重力位导数的阶次越高，异常随距离的加大，或场源体的加深而衰减越快。在水平方
17、向，基于同样道理，阶次越高的异常范围越小。,上图表明，小球的重力异常比大球小许多，二者的叠加异常很难显示出小球的存在（图（a）。然而，重力异常的垂向一次导数（图（b）及二次导数（图（c）却突出了小球的异常特征，压制了大球的影响。,九、重力异常的地质解释及应用（1）断裂构造在平面等值线图上的识别下图表示在重力异常图中指示断裂构造存在的一些标志。,（a）线性重力高与重力低之间的 过渡带；（b）异常轴线明显错动的部位；（c）串珠状异常的两侧或轴部所 在位置；（d）两侧异常特征明显不同的分 界线；（e）封闭异常等值线突然变宽、变窄的部位；（f）等值线同形扭曲部位,（2）地球深部构造及地壳结构研究,（3
18、）划分大地构造单元,此图表明，在东段地形平坦区，重力异常变化也平缓，反映了地台区的主要特征；康定雅安一段是过渡带，地形逐渐升高，重力值逐渐降低；西段地形处于高山区，重力异常值很低并且变化也较大，显示了地槽区的异常特征。,（4）石油天然气勘探,石油天然气勘探中重力勘探有如下应用：1、小比例尺重力异常图用于研究区域地质构造，划分构造 单元，圈定沉积盆地的范围，预测含油、气远景区；2、中等比例尺的重力异常图用于划分沉积盆地内的次一级 构造，进一步圈定出有利于油、气藏形成的地段，寻找 局部构造，如地层构造、古潜山、盐丘、地层尖灭、断 层封闭等有利于油、气藏储藏的地段；3、大比例尺高精度重力测量查明于油
19、、气藏有关的局部构 造的细节，直接寻找与油、气藏有关的低密度体，为钻 井布置提供依据；在油气开发过程中，根据重力异常随 时间变化，可以监测油气藏的开发过程。,（5）盐矿探测 岩盐是一种沉积矿床，主要产于古内陆盆地的不泻湖或滨海半封闭的海湾。由于岩盐的密度比围岩低，因此当盐矿有一定规模时，应用重力勘探的效果很好。,（6）金属矿勘探 应用重力勘探金属矿床有两个途径，一是在有利条件直接寻找矿体；另一个是研究金属矿床赋存的岩体或构造以推断矿体的位置。,（7）工程勘探 由于重力仪观测精度的提高，在工程勘探中已经应用了重力测量，主要用于洞穴及溶洞探测。由于洞穴及其低密度充填物与围岩间有相当大的密度差，能够引起可探测的重力异常。,（8）海洋卫星测高与海洋重力 卫星测高技术是二十世纪七十年代发展起来的。它利用人造卫星上装载的各种仪器，通过实时测量卫星到海面的距离等参数，研究大地测量学、地球物理学和海洋学方面的问题。特点：数据覆盖范围广，分辨率高，测量速度快，可以从更高更广的角 度上真正将地球作为一颗星球来研究。,地球重力分布,地球重力分布,地球重力分布,地球重力分布,地球重力异常分布,
