重力勘探地球物理教程.

LOGO1勘探地球物理教程——重力勘探授课人：孟令顺2主要内容前言1重力勘探的理论基础2重力测量与资料整理3地质体参数的计算4重力异常的划分56重力勘探的应用重力勘探是地球物理勘探中的一个主要分支。它是通过测量地面上各点的重力场值以及岩矿石的密度差异来研究和寻找地质构造、金属矿体以及与之有关的各类问题。4前言自从牛顿发现了万有引力定律之后，一切物体之间的相互吸引作用已被认为是普遍的现象。这个现象还说明一个众所周知的事实，即在地球附近空间落向地球的物体将以逐渐增加的速度降落，下降速度的递增率就是重力加速度，简称重力，用g来表示。伽里略首先证明了地球上的某一固定点，所有物体的重力加速度都是一样的。假定地球是一个均匀的并具有同心层状结构的理想球体，则地球对位于地球表面上的物体的吸引力应当到处相同，且重力应当有唯一的恒定值。事实上，地球是非球形的并且是旋转的，内部构造与物质成分是不均匀的，其表面也是起伏不平的。所有这些实际情况都使地球表面上的重力值发生变化。但是，这种变化是很微小的，只有借助于非常灵敏的仪器，才能对它作出精确的测定。5第一节重力勘探基本理论一、地球重力地球是一个具有一定质量、两极半径略小于赤道半径且按照一定角速度旋转的椭球体。如果忽略日、月等天体对地面物质的微弱吸引作用，则在地球表面及其附近空间的一切物体都要同时受到两种力的作用：一是地球所有质量对它产生的吸引力F；二是地球自转而引起的惯性离心力C，此两种力同时作用在某一物体上的矢量和称为地球的重力P。见图1-1。图中NS为地球自转轴，为地球纬度。P=FC图1-1地球外部任一点单位质量所受的重力（1.1）6一、地球重力地球全部质量ME对质量为m的物体的引力可根据牛顿万有引力定律来计算（1.2）式中R为地心至m处的矢径；G为万有引力常数。G的数值当牛顿在世时并未确定，而是1798年由卡文迪什在实验室里首先测出的。G的公认值在国际（SI）单位制中是6.67×10－11m3/kgs2；在常用（CGS）单位制中是6.67×10－8cm3/gs2。在SI单位制中力的单位是牛顿（N），1N=105dyn（达因）。由于地球平均赤道半径（6378.140km）大于平均极半径(6356.755km)，所以地球引力是从赤道向两极逐渐增大的。若地球自转角速度为ω，由A点到地球自转轴的垂直距离为r，根据力学知识，A点质量m所受到的惯性离心力为（1.3）C的方向垂直于地球自转轴并沿着r指向球外。由于在赤道处r最大，两极r等于零，所以惯性离心力是从赤道向两极逐渐减小的。E3MmGRFRm2Cr7二、地球重力场地球周围存在重力作用的空间称为地球重力场。从力学观点出发，可以用重力场强度来描述重力场的性质，重力场中某点的重力场强度等于单位质量的质点在该点所受的重力。从牛顿第二定律可知，重力P是质量m和重力加速度g的乘积，即P=mg。当被吸引质量m为单位质量时，则重力的数值就等于重力加速度。所以在重力测量中，往往把重力加速度叫做重力。所谓重力测量实际上是测定重力加速度的数值。由此，重力（即重力加速度）的单位在CGS制中为cm/s2，称为“伽”（gal）（为纪念伽里略而定名）。1伽=103毫伽（mgal）=106微伽（µgal）8二、地球重力场在SI单位制中，重力g的单位是米/秒2（m/s2），规定1m/s2的10－6为国际重力单位（gravityunit），简写成g.u.，1m/s2=106g.u.，SI单位与CGS单位的换算关系为1gal=104g.u.。在地球表面上，全球重力平均值为9.8m/s2。赤道重力平均值为9.780m/s2，两极平均值为9.832m/s2，从赤道到两极重力变化大约为0.05m/s2，这个量级接近地球平均重力值的0.5%。而地球自转产生的惯性离心力在赤道最大，平均也有0.0339m/s2。日、月等天体对地面物质的最大作用为0.24×10－5m/s2。9地球重力场的组成二个长期变化分量一个时间变化分量引力场强度:占地球重力场的99.9%，起决定性作用离心力场强度，最大只有0.0339m/s2,只占重力场的1/300重力固体潮：日、月等天体对地面物质最大吸引力平均只有0.24×10－5m/s210三、重力位由物理学可知，在保守力场中，还可用位函数来研究场的特征。重力位的物理意义可以理解为场力所做的功。假设在质点的质量为m的引力场中，引力位的定义为，移动单位质量从无穷远到该点场力所做的功。可以证明，质点引力位。如果一个质量为M的物体所产生的引力位应为各质点在A点引力位的总和，即式中R为质量元dm到计算点的距离。在地球表面上，任意点上的重力位是由地球全部质量所形成的引力位与地球自转产生的惯性离心力位之和。地球质量ME所产生的引力位是（1.4）式中坐标原点设在地球的重心上，R是点质量元dm到计算点的距离。dMmV=GREdMmVGR11三、重力位地球自转产生的惯性离心力位是（1.5）因此，地球重力位等于（1.6）重力位单位为m2/s2。根据位场理论，重力位对任意方向S求导数就等于重力g在该方向的分量，即（1.7）式中:cos(g,s)为g与s之间夹角的余弦。2222211()22UrxyE222d1()2MmWVUGxyRscosWggS()g,s重力位的两个重要性质：1、当质点位移方向与重力方向垂直时，则有=0积分上式，得常量即沿垂直重力方向移动单位质量时，重力不做功，也可解释为垂直于g方向的重力位没有变化，这就是我们熟悉的力场中的等位面。另外，从力学中知道，水静止时，其自由表面和重力是垂直的，否则就必须有平行于水面的分力存在，这时水将流动。因此，静止水面的自由表面就是一个重力等位面。如果用不同常数代入上式，可以得到一系列等位面，即一系列水准面。2、当g方向与s方向一致时，（1.7）式可写成其中n是等位面内法线方向，将上式写成增量形式并取为常数，有常数式中：g是两个等位面之间的重力平均值，Δn为两个等位面内法线方向的距离。两个等位面之间的位差是一个常数，而在同一等位面上，重力一般不是常量，由上式可以看出，两个等位面之间的距离一般不是常量。因为地球重力值总是有限量。所以，重力等位面之间既不平行，也不相交，又不相切。WS(,,)WxyzCWWgSnWng13四、地球椭球体与正常重力公式地球的外表面通常认为是一个旋转椭球面，并习惯用大地水准面来逼近这个旋转椭球面。大地水准面在海洋上是平均海平面（或用静止海平面），而在陆地上是用这个平均海平面延伸到大陆内部所形成的包围曲面。按照定义，大地水准面是一个等位面。遍及地球表面上的重力测量资料表明，地球形状最准确的参考面接近于旋转扁球面，而不是旋转椭球面。但后者便于应用，涉及的变量又少。所以，在重力测量中，为了确定正常重力值，选择这样一个旋转椭球体，使其表面与大地水准面接近；其质量与地球的总质量相等；物质呈相似旋转椭球层状分布；旋转轴与地球自转轴重合；旋转角速度与地球自转角速度相等。这样的旋转椭球体，称之为地球椭球体（又叫参考椭球体和标准椭球体）。而在这个椭球体表面上计算出的重力场称为地球正常重力场。正常重力场随纬度变化的形式为14四、地球椭球体与正常重力公式（1.8）式中为赤道上平均重力值，是计算点的地理纬度，、是取决于地球形状的常量，即，；为两极上的重力值，为地球的扁率；为赤道半径，为极半径。当、和、为已知时，即可计算出（1.8）公式中的、，继而算出不同纬度上的正常重力值。如何确定（1.8）式中的不同参数值，是多年来世界上大地测量学家和地球物理学家关注的问题之一。不同学者所采用的参数值不同，就得到不同的计算正常重力值公式，其中比较常用的有：eg1c2cpe1e()ggcg21284ccpgepe()RRReRpRpgegpReR1c2c22e12(1sinsin2)ggcc15四、地球椭球体与正常重力公式1）1901~1909年赫尔默特公式m/s2（1.9）2）1930年卡西尼国际正常重力公式m/s2（1.10）3）1979年国际地球物理及大地测量联合会推荐的正常重力公式m/s2（1.11)过去（1.9）式多用于测绘部门；（1.10）式多用于勘探部门。20世纪80年代以后决定全国统一使用（1.9）式。从（1.9）式与（1.11）式相比较可以看出，赫尔默特在约100年前推算出的公式与根据人造卫星资料推算出公式相差是很小的。229.78030(10.005302sin0.000007sin2)g229.78049(10.0052884sin0.0000059sin2)g229.780327(10.0053024sin0.0000059sin2)g16四、地球椭球体与正常重力公式就实际地球而言，大地水准面通常不与地球椭球体表面重合，这是因为地球上部物质密度分布不但有垂向变化，而且横向上也有变化，加上地球表面有高山和海洋，这些因素引起局部异常质量的存在，从而导致了大地水准面的局部畸变，如图1-2中质量剩余区的上方有附加位ΔW，它使等位面向外翘曲。在均匀的地球里，对于单个异常质量来说，大地水准面的翘曲ΔN可由（1.7）计算。在质量剩余区的周围，铅垂线是向内偏斜的，若质量亏损，结果应当相反。大地水准面的局部起伏为解释地下构造提供了有用的信息。正如人造卫星观测到的那样，大地水准面的大规模降低和升高与深部密度异常有着直接的关系。其异常源应位于地幔之内。图1-2由异常质量引起的大地水准面的波动（ΔN）及铅垂线的偏斜17五、岩、矿石密度岩、矿石的密度差异是布置重力工作的前提条件。岩石的密度主要受三种因素控制。即构成岩石物质的矿物颗粒的密度、孔隙度和孔隙中的流体。对于沉积岩来讲，密度主要受孔隙度控制，孔隙度一般随沉积物的固结作用和成岩作用的增强而减小。此外，沉积岩的密度随着岩石年龄的增大而逐渐加大且随着埋深的加大也逐渐增高。所以，沉积岩的密度主要取决于岩石孔隙度，其次为岩石的年龄、地质历史以及埋藏深度。一般讲岩石越老，埋藏越深，密度就越大。岩浆岩的密度取决于所含矿物的成分。由酸性过渡到基性岩、超基性岩时，随着铁镁质矿物含量的增加，岩石密度也增大，其中侵入岩又比火山岩的密度大，熔岩密度最小。变质岩密度与它们的原岩密度有关。一般讲，变质岩都比它们的原岩密度大，并且随结晶变质程度的加深，密度也相应增大。与岩浆岩一样，变质岩密度也随酸性的减小而增大，但由于结晶变质的历史比较复杂，这种变化一般是不稳定的。18第二节重力测量与资料整理一、重力测量（一）重力测量的地质任务与地质勘探方法相似，根据重力勘探任务的不同可分为重力预查、普查、详查和细测。不同阶段所解决的地质任务也不同。重力预查：工作比例尺为1∶500000～1∶1000000。这种小比例尺重力测量的目的是在短时间内获得大地构造基本轮廓或者研究深部地壳构造以及地壳均衡状态等。重力普查：工作比例尺为1∶100000～1∶200000。完成的地质任务是在重力预查、航空磁测和地质预查的基础上，划分区域构造、圈定大岩体和储油气构造的范围，比较确切地指示成矿有利地带。重力详查：工作比例尺为1∶25000～1∶50000。目的是在已知成矿远景区内，寻找并圈定储油气、煤田以及地下水有希望的盆地及局部构造。重力细测：又叫重力精查。工作比例尺为1∶2000～1∶10000。目的是在已经发现的储油、气构造、煤田盆地以及成矿有利的岩矿体上确定矿体构造特征或产状要素等，用来直接找矿。不同的测量方法其测量技术及精度要求也不同，具体见表1-1。19一、重力测量重力测量形式可分为路线测量、剖面测量及面积测量。面积测量是重力测量的基本形式，而路线测量和剖面测量的方向应尽可能与地质构造走向垂直。各种重力测量的具体原则如下：1．测点的密度保证在相应比例尺的图上每平方厘米要有1~2个测点。2．重力异常等值线的间距，应为异常均方差的2.5~3倍，以保证异常体能被1~2条等值线所圈闭。3．重力异常的均