重力勘探及其应用.docx

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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

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、工作设计主要内容和技术要求

二、重力资料的整理

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

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

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

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。

在国际单位制中，重力加速度的单位为米/秒2，以它的十万分之一为通用重力单位即10-5m/s2（毫伽）

1Gal=100mgl=10000μgl=10-2m/s2

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

则质量单元dm对A点处单位质量的引力为

式中G为万有引力常数，等于6.67×10-11m3/（kg.s2）。

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

C=ω2L

实际离心力的计算公式为C=ω2Rcosφ

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

C=3.39×10-3cosφ（×10-5m/s2）

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

（2）卡西尼公式（1930年）

（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

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；

（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。

其变化最大值仅0.2-0.3×10-5m/s2。

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。

2）岩浆岩

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

常见岩（矿）石的密度值表

名称

密度

（g/cm3）

名称

密度

（g/cm3）密

名称

密度

（g/cm3）密

纯橄榄岩

橄榄岩

玄武岩

辉长岩

安山岩

辉绿岩

玢岩

花岗岩

石英岩

流纹岩

片麻岩

云母片岩

千枚岩

蛇纹岩

2.5～3.3

2.6～3.6

2.6～3.3

2.7～3.4

2.5～2.8

2.9～3.2

2.6～2.9

2.4～3.1

2.6～2.9

2.3～2.7

2.4～2.9

2.5～3.0

2.7～2.8

2.6～3.2

大理岩

白云岩

石灰岩

页岩

砂岩

白垩

干砂

粘土

表土

锰矿

钨酸钙矿

赤铁矿

磁铁矿

黄铁矿

2.6～2.9

2.4～2.9

2.3～3.0

2.1～2.8

1.8～2.8

1.8～2.6

1.4～1.7

1.5～2.2

1.1～2.0

3.4～6.0

5.9～6.2

4.5～5.2

4.8～5.2

4.9～5.2

钛铁矿

磁黄铁矿

铬铁矿

黄铜矿

重晶石

刚玉

盐岩

硬石膏

石膏

铝钒土

钾盐

煤

褐煤

4.5～5.0

4.3～4.8

3.2～4.4

4.1～4.3

4.4～4.7

3.9～4.0

3.1～3.2

2.7～3.0

2.2～2.4

2.4～2.5

1.9～2.0

1.2～1.7

1.1～1.3

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仪，精度为1～2×10-8m/s2,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-Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型Z-400型重力仪。

测量精度为±20～±40×10-8m/s2；另一种为金属弹簧重力仪，美制Lacoste-RomgD.G型重力仪，（拉柯斯特—隆贝格重力仪）测量精度为±10×10-8m/s2。

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Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型。

前两种型号测程为100×10-5m/s2，

Ⅴ型为150×10-5m/s2。

当前生产的Z400型重力仪其测程为400×10-5m/s2。

它们精度为±0.04×10-5m/s2，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200×10-5m/s2，G型测程为7000×10-5m/s2。

它们测量精度为±0.010×10-5m/s2。

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）。

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1Km；非正规网（即自由网）要求在1：

20万比例尺中则为4～6Km2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

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，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。

其公式为

式中

为

点原始观测与检查观测之差，

为检查点数。

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

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）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，要求两点间重力差在3×10-5m/s2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。

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

若Δg以10-5m/s2为单位，h以米为单位，则上式为

式中ρ为中间层密度（一般取2.67g/cm3），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。

近似计算：

即

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：

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：

10-5m/s2

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：

式中g为实测重力值，

为正常重力值，

为布格改正值，

为地形改正值。

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：

三、重力异常图

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

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0.3g/cm3以上，界面以上硅镁层为2.8～3.0g/cm3，硅铝层为2.6～2.7g/cm3，界面以下物质密度值为3.3～3.4g/cm3。

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、布格重力异常值高达100×10-5m/s2，而青藏高原重力异常值为-580×10-5m/s2。

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

式中H—地壳厚度

H0—

为零时的地壳厚度

a—相关系数

—布格异常平