地球物理探矿(1重力勘探)

应用地球物理学概论重力勘探中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院第一节重力勘探理论基础一、重力场（gravityfield）（一）重力（gravity）—地球质量对物体m的引力,CFPFC—惯性离心力，P—重力G—万有引力常数G=6.67×10-11m3/(kg·s2)质量为m的质点在自转的地球上所受的惯性离心力C=m2r，方向垂直自转轴向外。若将地球的质量当成M=5.976×1024kg,半径R=6371km的正球体,可以估算其引力值9.8m/s2.赤道上的惯性离心力最大,约为C=0.0339m/s2,约为地球引力9.8m/s2的1/300.221rmmGF而引力F服从万有引力定律，即：1m2mrFF（二）重力场1、重力场强度根据牛顿第二定律，质量为m的物体在重力场中所受的力，称为重力场强度PP=mgg=P/m上式左边为重力场强度，右边为重力加速度由上式可见：重力场强度，无论在数值上，还是量纲上都等于重力加速度，而且两者的方向也一致。在重力勘探中，凡是提到重力都是指重力加速度（或重力场强度）。2、重力的单位（gravityunit)ugsm.10/162有时也用Gal（伽）作为重力单位，与其它单位关系如下：在SI制中：g（重力加速度）的单位为1m/s2，规定1m/s2的百万分之一为国际通用重力单位（gravityunit)，简写为g.u.，即：365211010110..110/GalmGalGalmGalgumGalms重力场的性质除了用矢量g来描述外，还可以用重力位这一标量函数来描述对该标量函数沿不同方向求导数，恰好等于重力场强度（g）在相应方向上的分量，这个标量函数就叫做重力位函数，简称重力位，即：二、重力位dW/dS=g.cos(g.s)=gs2、当s方向与g的方向平行时dW/dS=g.cos(g.s)=g由此可见，重力g是重力位沿重力方向的导数1、当s方向与g的方向垂直时dW/dS=g.cos(g.s)=0则W(x,y,z)=cc—常数上式表示一个空间的曲面，该曲面上重力位处处都等于常数c，故称此曲面为“重力等位面”，重力等位面处处与重力（g）正交，故又将重力等位面称为“水准面”；当c取某一定值的水准面与平均海平面重合时，则这个水准面—称为“大地水准面”地球是一个旋转椭球体（又称为参考椭球体）、表面光滑；假定：内部密度是均匀的，或者是呈同心层状分布，每层的密度是均匀的，并且椭球面的形状与大地水准面的偏差最小三、地球的重力场（一）正常重力场在重力勘探和大地测量学中，一般把大地水准面的形状作为地球的基本形状。测量结果表明，大地水准面的形状不规则，它在南北两半球并不对称，北极略为突出，南极略平，呈“梨”型，见下图。φ为计算点的纬度；ge为赤道重力值；gp为两极重力值；g0大地水准面上纬度为φ处的正常重力值；a为赤道半径；c为极半径2、常用公式（1909年的赫尔默公式：))2sin0.000007-sin005302.01(9780300g220+=1、计算正常重力值的基本公式：2201(1sinsin2)egg2111,,84peeggacgc式中3、地球表面正常重力场的基本特征（1）正常重力值不是客观存在的，它是人们根据需要而提出来的；（2）正常重力值只与纬度有关，在赤道处最小（9780300g.u.），两极处最大（9832087g.u.），相差约51787g.u.；（3）正常重力值随纬度变化的变化率，在纬度45°处最大，而在赤道和两极处为零；（4）正常重力值随高度增加而减小，其变化率为-3.086g.u./m。（二）重力随时间的变化1、长期变化原因：地壳内部的物质运动，如岩浆活动、构造运动、板块运动有关。特点：变化十分缓慢、幅度小，在短时间内变化很弱，故在重力勘探中不予考虑。2、短期变化（日变化）原因：地球与太阳、月亮之间的相互位置变化引起（即与天体运动有关）。特点：周期短（24小时）、变化幅度较大，可达2~3g.u.概念：固体潮1976年7月9日—10日北京重力日变曲线（三）重力异常——测点的重力观测值——测点的正常重力值——重力异常1、定义：在重力勘探中，由地下岩（矿）石密度分布不均匀所引起的重力变化称为重力异常。广义的讲：0ggg观g0gg观2、造成g观与g0之间差别的原因（1）重力观测是在地球的自然表面上而不是在大地水准面上进行的（自然表面与大地水准面间的物质及测点与大地水准面间的高差会引起重力的变化）（2）地壳内物质密度的不均匀分布；（3）重力日变化地表（观测面）大地水准面σh3、重力异常的物理意义AV大地水准面σgσ0△σ=σ–σ0△m=Δσ×Vg0△F△gΔg=g观–g0ΔF×cosθ△F观0ggF观4、引起重力异常的条件σ1σ2σ3σ0σ1σ0σ2σ0σ3=σ0△g0-+（例如，△m=50万吨的球形矿体，当中心埋深为100米，可产生355μGal的异常，当中心埋深为1000米；则只能产生3.4μGal的异常，该强度的异常仪器不能观测到。）（5）干扰场不能太强或具有明显的特征。（1）探测对象与围岩要有一定的密度差。（2）岩层密度必须在横向上有变化，即岩层内有密度不同的地质体存在，或岩层有一定的构造形态。（3）剩余质量不能太小（即探测对象要有一定的规模）（4）探测对象不能埋藏过深4、引起重力异常的条件第二节岩矿石密度、重力仪三大岩类物质循环三大岩类物质循环岩石密度测量原理岩石密度通常是在实验室用天平或密度计测定的。重力测井资料或地震勘查的层速度资料也可以用于估计岩石的密度值。1.在空气中称出标本质量m1；2.在水中称出标本质量m2；3.根据阿基米德定律计算标本的体积：V=（m1－m2）/ρ4.计算标本密度σ=m1/V一、岩（矿）石的密度及地球密度分布（一）岩（矿）石的密度的一般规律1、火成（岩浆）岩密度＞变质岩密度＞沉积岩密度根据长期研究的结果，认为决定岩、矿石密度的主要因素为：※组成岩石的各种矿物成分及其含量的多少；※岩石中孔隙度大小及孔隙中的充填物成分；※岩石所承受的压力等。2、火成岩（2.5～3.6g/cm³）（1）主要取决于矿物成分及其含量的百分比，由酸性→基性→超基性岩，随着密度大的铁镁暗色矿物含量增多密度逐渐加大。（2）成岩过程中的冷凝、结晶分异作用也会造成同一岩体不同岩相带，由边缘相到中心相，密度逐渐增大；（3）不同成岩环境(如侵入与喷发)也会造成同一岩类的密度有较大差异，同一成分的火成岩密度，喷出岩小于侵入岩。（4）年代老的岩体的密度小于新岩体的密度。喷出岩2.5～2.6g/cm³侵入岩2.7～2.9g/cm³基性、超基性岩3.0～火成岩成分和密度的关系3、沉积岩（1.6~2.7g/cm³）沉积作用与沉积岩3、沉积岩（1.6~2.7g/cm³）沉积岩的密度主要取决于岩石的孔隙度及岩石所处的构造部位：1、沉积岩一般具有较大的孔隙度，如灰岩、页岩、砂岩等，这类岩石密度值主要取决于孔隙度大小，干燥的岩石随孔隙度减少密度呈线性增大；2、孔隙中如有充填物，充填物的成分(如水、油、气等)及充填孔隙的百分比也明显地影响着密度值；3、随着成岩时代的久远及埋深加大，上覆岩层对下伏岩层的压力加大，这种压实作用也会使密度值变大。4、变质岩（2.6~2.8g/cm³）变质岩的密度一般大于原岩的密度；变质程度越深，密度越大；动力变质而使岩石破碎，则密度减小。变质岩的密度与矿物成分、含量和孔隙度均有关，这主要由变质的性质和变质程度来决定；通常，由于重结晶等作用，区域变质作用将使变质岩比原岩密度值加大；经过变质的沉积岩，如大理岩、板岩和石英岩比原生石灰岩、页岩和砂岩更致密些。由于变质作用的复杂性，所以这类岩石的密度变化显得很不稳定，要具体情况具体分析变质作用与变质岩5、矿石金属矿：σ很大，一般大于岩石的平均密度（2.7g/cm³）非金属矿：其σ小于岩石的平均密度（2.7g/cm³）（二）地球内部的密度分布软流圈核幔边界岩石圈由于地震学等的发展，发现了地球内部一系列的物理界面。有了这个基础才能了解固体地球的各种过程。1914年-地球内部纵波和横波速度分布；1940年-地震波走时表、地球分层模型、上地幔低速层；50年代-分层结构模型。σ(g/cm³)20006000500029004000300063711000（核幔分界面）（地心）Km8106144122地表地幔9.912.465.5根据有关地球物理资料，推测地球内部物质密度变化如下图所示：二、重力仪机械式（弹簧、振弦）电子式（超导、激光）应用：地面、海洋、卫星、井下Ingravityprospecting,wemeasureverysmallvariationsintheforceofgravityfromrockswithintheearth.Differenttypesofrockshavedifferentdensities,andthedenserockshavethegreatergravitationalattraction.Totheleftisa“gravimeter”whichmeasurestheforceofgravityintheearth.（一）重力仪分类：按结构分机械式重力仪电子式重力仪石英弹簧重力仪振弦重力仪（海上）超导重力仪金属弹簧重力仪激光重力仪按测量原理分相对重力测量仪绝对重力测量仪（实验室）从原理上说，凡是与重力磁力有关的物理现象都可以用于设计制造重力仪与磁力仪，并用它们来测定重力值和磁力值。但是重力勘查要求能测量重力场和磁场的微弱变化，在重力测量中要求能测量出重力全值10-7～10-9量级变化，在磁力测量中，要求能测量出0.1～1nT的磁场变化，它相当于平均地磁场值的1/50万～1/5万。因此要求重力仪与磁力仪要有高灵敏度、高精度等良好的性能。重磁勘查的仪器及野外工作方法仪器及野外工作方法mgmh221gthmlglT2)(0sskmgmmg0s测定重力绝对值测定重力相对值（二）重力测量原理sCssmkggg)(1212绝对重力测量仪器绝对重力测量的简单原理是利用自由落体的运动规律，在固定或移动点上测量时，有单程下落和上抛下落两种行程。自由落体为一光学棱镜，利用稳定的氦氖激光束的波长作为迈克尔逊(Michelson)干涉仪的光学尺，直接测量空间距离；时间标准是采用高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。观测时，仍然还有许多干扰因素影响重力值的精确测定，如大地脉动、真空度、落体下落偏摆等等，对此必须加以分析、控制和校正。1、自由落体在真空中的下落，其质心在时刻t１、t２、t３相应经过的位置分别为h１、h2、h3，时间间隔为T１、T2，经过距离为S１、S2，则由自由落体运动方程式最后可导出重力值的公式为2121212()/()SSgTTTT精确测定S１、S２是采用迈克尔逊干涉仪的原理，当落体光心在光线方向上移动半波长(λ/2)时，干涉条纹就产生一次明暗变化，显示干涉条纹，下落行程所产生的干涉条纹数目直接代表下落距离(即S=Nλ/２，N为干涉条纹数)。这些干涉信号由光电倍增管接收，转换成电信号，放大后与来自石英振荡器的标准频率信号同时送入高精度的电子系统，以便计算时间间隔与干涉条纹数目，从而精确得到S１、S2、S3、S4。绝对重力测量仪器2上抛下落对称观测可避免残存空气阻力、时间测定、电磁等影响带来的误差，物体被铅垂上抛后，其质量中心所走的路程先铅垂向上而后下，其时间与距离的关系如图所示。图中C和C′、B和B′、A和A′在空间都是一点。从运动学公式可以导出21228TTSg式中T２＝ｔ４-ｔ１，Ｔ１＝ｔ３－ｔ２，Ｓ＝ｈｃ－ｈB绝对重力测量仪器工作原理相对重力测量仪器)(0SSkmgSCSSmkggg)(1212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。现代重力仪的测读都是采用补偿法进行的，也称零点读数法一个恒定的质量m在重力场内的重量随