重磁电勘探简介

150重磁电勘探简介重力勘探一、重力勘探的基本概念1．重力重力的实质是牛顿万有引力和离心力的合力。万有引力是牛顿总结前人伽里略研究行星运动规律提出来的，认为任何物体相互之间都有吸引力，吸引力的大小与两物体的质量乘积成正比，与两物体之间的距离平方成反比，其相互之间量的关系为122mmRFfRR(6—1)式中m1，m2——分别为任意两物体的质量；R——两物体相互间的距离；f——引力常数，其值在CGS制中为6．67×10—8cm3／g·s2。上式即为牛顿万有引力定律，F力的方向对ml来说，是由ml指向m2，对m2来说则相反。地球是有质量的，对地球表面上任一物体来说，都有地球的吸引力。设地球的质量为M，地面上任一物体的质量为m，则它们之间相互的吸引力F可根据式(6—1)来确定，其方向如图6—1(a)所示。由于地球近似一个球体，对地面的m物体来说，其引力的方向指向地心。由于地球在不断地自转，地球表面上任何物体都具有一个离心力P，其大小由下式来决定2Pmr(6—2)式中r——m到地轴的垂向距离；——地球自转的角速度。力P的方向如图6—1(a)所示，径向指向外。离心力P随纬度的不同而变化，随着r向两极减小而减小，从赤道的最大值减小到两极为零。为了描述重力的空间分布，通常采取直角坐标系，以数学解析式表示，如图6—1(b)所示。设地心为坐标原点，z轴与地球的自转轴重合，x，y轴在赤道面上。设任意点A的坐标为(x，y，z)，地球内部某一质量单元dm的坐标为(,,)，A点到dm的距离为r，则dm对A点单位质量的引力为2dmrdFfrr(6—3)12222rxyz式中rr——A到dm方向的单位矢量，其方向是从A到dm。r对x，y，z三个坐标方向的余弦分别为：,,xyzrrr，那么dF在x，y，z三个坐标方向的引力分量为151图6—1地球引力示意图232323dmxxdFxffdmrrrdmyydFyffdmrrrdmzzdFzffdmrrr地球的全部质量对A点所产生的引力分量为333VVVxFxfdmryFyfdmrzFzfdmr积分号下的V表示对整个地球进行积分。关于离心力的三个分量分别为2Pxx2Pyy0Pz这样重力g在x，y，z三个坐标方向的分量分别为15223233VVVxgxfdmxrygyfdmyrzgzfdmr规定不同位置均用1g质量所受到的重力来衡量受力的大小，这个单位质量所受到的重力通常称为该点的重力场强度。根据牛顿第二定律Gmamg式中G——物体所受的重力；g——重力加速度。令m＝1，则G=g采用单位质量所受的重力来衡量重力场强度，它在数值上和重力加速度相等，因此常用重力加速度代表重力场强度，单位同加速度，为cm/s2，在重力勘探中称之为1伽，用Gal表示。实测时单位太大，常用1伽的千分之一为单位，称之为毫伽，用mGal表示。随着重力测量仪器精度的不断提高，取毫伽的千分之一做单位，称为微伽(Gal)。即lcm／s2二1Gal1Gal／1000＝lmGal[又称1米盖(mGal))lmGal／1000＝lGal实际上地球不是圆形的，而是一个偏心率近似为1／291的椭圆体，并且地球在不断地自转着，从而使万有引力和离心力随着不同位置而变化，它的变化可以按国际正常重力公式计算220978.031810.0053024sin0.0000059sin2(6—4)式中0——大地水准面上的正常值；——地球的纬度。国际正常重力公式是为了在全球范围内预测地球表面重力值而规定出的几个关系式之一，还有其他的公式，只是常数不同而已。2．重力异常由于地球是个椭圆球，在不断地自转，从而引起地球表面上重力值的变化。对于石油勘探来说，主要研究的是地壳密度的横向不均匀性，即由于各种地质原因使得地壳密度不均匀引起重力的变化。如图6—2所示，地下埋藏一个密度较大的地质体，设其密度为0，围岩的密度为1，01，那么在其地表上，把密度为1的围岩在地面上产生的重力值认为是正常重力值，153在图6—2(a)中以0值的一条平行x轴的直线表示。当地下存在密度为0的地质体，并且其密度大于围岩密度时，球形空间里的质量就会比完全为均匀密度1时的质量要大，即较原先的情况会有多余的质量，通常称之为剩余质量，用M表示，M＝V(0—1)，V为地质体的体积。按照万有引力定律，这个剩余质量就会使得其相应上方地表A1，A2，A3，…处的重力值比正常重力值有所增大，如图6—2(a)所示,在地质体的正上方Al处，增加的值用Fl示之，其方向是沿垂直向下，与正常重力方向重合。图中的A2，A3，…处，它们离球体越远，其重力的增加亦愈小，以AF2，AF3，…示之，它们的方向离地质体愈远，偏离正常重力方向的角度越大，但它们指向地质体的中心。重力勘探所能观测的是Fl，F2，F3，…的垂直分量gl，g2，g3，…，而不是它们的本身。将观测到的gl，g2，g3，…标在其上方的图中，作成g曲线，这个曲线称为重力异常曲线。其重力值的变化，称为重力异常。当01时，即地下埋藏一个密度较小的地质体，如图6—2(b)所示，那么其异常曲线与图6—2(a)相反，都比正常重力0小，为一负重力异常曲线。如果地层是水平地层，尽管它们之间有密度差，但不会有重力异常，如图6—2(c)所示。可见产生重力异常的关键是水平方向岩石密度要有变化。如图6—2(d)所示，在围岩密度为1的岩石中存在着密度为2的岩石，在密度为2的岩石中又存在密度为3的岩石，123。设密度为2的岩石，其分布范围较密度为3的岩石分布的范围广，则g的异常曲线[如图6—2(d)所示]。反映出岩石密度的横向变化。岩石2所引起的异常，是相对正常重力(如图中的虚线1所示)来说的；而岩石3所引起的异常，其正常重力可以认为是虚线2。这样，要研究岩石3所引起的异常，只需用虚线2作零线即可，不必用虚线1作零线。这与读构造图时，为了确定构造高点位置和形态，只需知道其相对高差，而无需知道它的绝对标高的情况一样。也就是说，利用重力异常图研究局部情况，只要求知道重力的相对值就可以了。154(c)水平层状介质的重力异常(d)介质横向密度变化的重力异常图6—2不同密度地质体的重力异常3．岩石的密度重力异常是由于地壳内部岩石密度分布的不均匀所引起的，因而对于岩石的密度及其分布情况的了解是十分必要的。岩石密度是指在自然蕴藏条件下，岩石单位体积的质量。根据观测结果表明，不同种类的岩石有不同的密度值；同种类岩石，在不同的地质条件下，也会有不同的密度值。影响岩石密度的主要因素有两个，即岩石中的矿物成分和孔隙度。一般岩浆岩和变质岩比较致密。表6—1列出一些岩石和矿石的密度。由表中可知，岩浆岩、变质岩所含矿物的密度比较大，大约为2.2～5.3g／cm3；大多数沉积岩，其孔隙度较岩浆岩、变质岩大，最大可达30％～50％，而且一般沉积岩所含的重矿物也较岩浆岩、变质岩为少，所以沉积岩的密度在很大程度上取决于孔隙度。不过在沉积岩中，水、化学沉积岩的密度和成分存在着明显关系，例如石膏为2.7，岩盐为2.1，通常沉积岩的密度大约在1.1～3.0之间，比岩浆岩、变质岩小。同是沉积岩，其密度常随埋藏深度从浅到深而增加，起初增加很快，达到一定值后，增加越来越不明显，这种密度随深度增加的关系，是因为上覆岩层的巨大压力使孔隙度减小的结果。表6—1常见岩石和矿石的密度岩石名称密度，g／cm3岩石名称密度，g／cm3沉积岩类火成岩类土壤1.1～1.3花岗岩2.5～3.7155砂岩1.8～2.8安山岩2.5～2.8页岩2.4～3.0辉长岩2.9～3.1石灰岩2.3～3.0玄武岩2.7～3.2石膏2.7～3.0橄榄岩2.9～3.3岩盐2.1～2.2矿石类变质岩类赤铁矿4.9～5.3片麻岩2.4～2.9磁铁矿4.9～5.2蛇纹岩2.6～3.2黄铁矿4.9～5.2石英岩2.6～2.9铬铁矿4.5～4.6大理岩2.6～2.9重晶石4.3～4.6二、重力值的测量与校正1．重力测量的基本原理从原则上说，凡是与重力有关的物理现象，如物体的自由降落、振摆的摆动、重荷使弹簧的伸长等，都可以用来测量重力值，把它们归结起来可以分两个方面，即重力绝对值的测定和重力相对值的测定。重力勘探所采用的是相对值的测定，其基本原理如下：如图6—3所示，它是一个由弹簧悬挂着一个重荷m的弹簧秤，当重力有变化时，重荷将发生相应的位移，其位移的大小正比于重力大小。当弹簧秤位于测点A时，则根据虎克定律有如下的关系0AAmgll式中m一—重荷的质量；——弹簧的弹性系数；Al——弹簧在重荷作用下的长度；0l——弹簧不受重荷作用时的原始长度。当弹簧秤移到B点时，得到0BBmgll以上两式相减后有ABABABABmgmgglllglClm上式中C是仪器常数，它与弹簧的性能、重荷的质量有关。它表示重荷移动单位长度时相应的重力值的变化，称之为重力仪的格值。测定格值的方法是借已知重力变化g来观测重荷移动后弹簧长度的相应变化l，从而求得格值gCl由此可见，已知格值就可以通过测量l来确定任意测点间的重力g。156图6—3弹簧秤的基本原理图6—4弹簧重力仪的原理2．重力仪的原理重力仪的基本原理可以用图6—4来说明。图6—4示出的是一根可以绕水平轴、并在垂直面上自由转动的摆杆，摆杆的一端固定着一个质量为M的重荷，并用两个不相同的弹簧将摆杆悬挂起来，构成一个弹簧秤。同时有两个力作用在摆杆上，即重力和弹力，重荷在重力的作用下，带动摆杆以0点为轴心向上转动，用Mgl表示重力产生的力矩，其中l为摆杆的长度，g为重力值。用Mr表示弹簧产生的弹力矩，则rM[0KdSSK´a（S´-S´0）]式中K，K´——分别为弹簧1和弹簧2的弹性系数；d，a——分别为从0点到弹簧1和弹簧2的垂直距离；S，S´和S0，S´0——分别为弹簧1、弹簧2在受力后和未受力时的长度。为了测出两点重力变化，可以转动测微螺丝，改变弹簧2的张力，使摆杆恢复到原来的平衡位置，通常称之为零位。这时，除了弹簧2的张力比原来有所改变外，弹簧1仍处于原来状态，两点间的重力变化完全被弹簧2的张力所补偿，其补偿值可通过测微螺丝上的刻度读出来。例如，用弹簧重力仪测得A，B两点的重力，那末平衡方程分别为0AMglKdSSK´a（S´A-S´0）0BMglKdSSK´a（S´B-S´0）将上两式相减，并整理得ABgggK´a/Ml（S´A-S´B）＝C（S´A-S´B）式中C=K´a/Ml为仪器常数，通常称之为格值，它的数值可以通过实际测定，因而任意两点的重力差可以从弹簧秤上的S´A-S´B反映出来。显然，这样测得的是两点间的相对重力差值。1573．重力的野外观测由于重力仪的弹簧有永久形变，所以仪器不可避免地有零点变化。为了消除这一变化，重力仪在野外工作时，要进行重复观测。(1)普通观测1)闭合于同一基点的规则。当仪器的零点变化和时间成比例或测区比较小的情况下．可采田闭合于同一基点的观测，如图6—5所示，即每天出工首先从基点G出发．最后回到原基点G结束全天工作，那么仪器零点变化的校正系数为图6—5闭合于同一基点的观测系统GGGGggKtt(6—5)式中,GGgg——分别为在基点先后两次重力观测值；,GGtt——分别为两次相应的观测时间。对任一测点，其观测时间为ti，则该点的校正值为iiGgKtt(6—6)由于弹性形变一般是随着时间而伸长，因而上式取负号。图6—6多点重复观测系统2)多点重复观测。当重力仪的零点变化不够规律或者要进行高精度的重力测量时，可采用多点重复观测。①双程往返重复观测法。该法观测时是从某一点出发，观测一定量的测点以后，再沿原路返回。