[科普中国]-重力垂直梯度

简介

重力垂直梯度可通过重力梯度仪商接测定，或者利用同一点两个不同高度上获得的重力值进行换算。其单位为厄缶（E），1 E= / 。

为适应油气勘探需要，上世纪30年代以后，用扭秤测量重力梯度的方法得到重视和应用，然而用扭秤测量梯度的分量中还不能测出垂直梯度。为此，已有人用天平测量重量的方法作过试验，但其精度尚不能令人满意1。

直到上世纪60年代以后，随着相对重力测量精度的提高，已有人在塔架上利用重力差与高差之比确定出垂直梯度2，该值不仅可用于工程和金属的物探，且已广泛用绝对重力测量的高度改正之中，在利用数字电压表和电子反馈设备武装了拉科斯特（LCR）仪器之后，根据国内外的研究，可使该仪器在野外工作中达到3～5×10 的微伽级精度，而相应的垂直梯度在经过数次闭合测量后亦可达30～50×10 ，随着测回次数的增加，其精度将会更高，这样就为大地测量、地球物理、地球动力学的研究创造了有利条件。

目前大地测量界已有人在由似大地水准面到大地水准面、正常高到正高的转换中作出了成果，并且在一些测点上作了试验，同时进行了模拟计算，这些结果说明了在理论上和实际上都是可行的。由于垂直梯度比重力异常分辨率为高，它在工程和金属物探中的作用已经发挥，并将继续扩大。

关于梯度在地球动力学的应用和试验，国内外学者，在表面负荷，内部负荷、断层活动、冰后回弹和震源研究中已取得不少成果 ，由此使人们对上述自然现象和动力学事件及灾害预测、评估有了进一步的认识。

目前对场源的研究已从点位错源发展到球源和椭球源，对地球的介质的认识已由单层弹性半空间到多层不均匀的半空间，直至用粘弹性力学的模型来研究重力变化与高程变化之间的关系。

测定要求重力及其梯度测量是一项极为精密的测量工作，必须十分细心地操作。为高质量取得这些资料，国外甚至有许多专家或教授亲自操作这类仪器。3

当今使用这类的测量仪器一般为LCR型重力仪，它属于金属弹簧重力仪，此外还有GM3型石英弹簧重力仪，由于它的精度稍低于LCR型，故目前人们作垂直梯度测量也大多采用LCR仪器。

对于埋藏较浅的密度异常体重力垂直梯度的反应比重力的更为明显，且其异常具有较高的分辨率，此外，它还能提供另一类的独立观测结果，这就更有利于作地球物理解释和场源物理机制的研究，因此在工程勘探、油气勘探中受到重视，且在研究地球动力事件中得到发展。

提高重力及其梯度测量精度的措施对LCR仪的操作以采取下列方法为宜：

(1) 为减少仪器弹性后效即流变引起的误差，在观测前首先打开夹固，静等5分钟后方能开始读数；尽可能采用电子反馈系统以改善读数方式；在白天工作之后，将仪器安置在安全地方，并打开仪器的夹固。

(2) 建立高精度野外格值标定场，要求精度达2× ，以确定仪器的格值系数；建立精度达1× ，的垂直标定场，以确定周期误差，并进行改正。最佳的办法是，在20× ，的测程内，以电子反馈读数系统代替电压输出读数，以消除周期误差。

(3) 为减少仪器置平误差，建议厂家以灵敏度格 /的水准器代替格 /或 /格的水准器；或采用电子反馈读数系统，在最小倾斜附近进行数据采集；或在每个测点上均作最小倾斜位置的检验，并在该位置处读数。

(4) 为使仪器电压电源稳定，建议厂家或用户增设一个轻便稳压电源。此外，在工作中注意电源电压的变化、及时更换电池和尽可能少打开照明灯泡。

(5) 为减少外温影响，建议厂家增设一个双重恒温设备，用户亦可增设一个简单隔温罩；此外在观测中避免阳光照射及其它热源烘烤。

(6) 需进行气压改正。

(7) 将仪器固定在某一方向进行观测，该方向为地球磁场影响最小处。选点时尽可能避开高压线、大型发电机视、变压器等物。若仪器受磁场的影响甚烈时，可将它送回工厂进行退磁。

(8) 在测量范围很小时，工作中应尽可能手提仪器，以减少振动的影响。用汽车运输时，需增设仪器的附加防振设备，如弹簧垫、海绵垫等。如果在公路附近观测，则使仪器的摆杆方向平行于公路，以减少振动的影响。

(9) 为减少地球与海潮模型不精确的影响，应采用符合实际的模型。

发展历史早期的重力垂直梯度实验是由von.Jolly在1881年和1883年用扭秤做的，以后M.Tihesen在1890年，Scheel 和Diesselhosrt 在1895年以及Richarz 和Kriegar-Menzel在1898 年也进行了实验。虽然在这些实验中所使用的仪器灵敏度都较低。但是发现观测到的重力垂直梯度比理论计算的要小得多。4

S.Hammer在1938 年用当时较灵敏的重力仪在纽约帝国大厦上用大垂直高差（953英尺）做了垂直重力梯度观测以及Ewing用Vening-Meinesz摆的方法进行了重力垂直梯度的综合研究。Hammer发现垂直梯度异常是测点处地形的函数，而且同区域重力异常有关。

此后Thyssen-Bornemista 1943 年在1~5 英尺的小高差上观测垂直重力梯度，其意图是逐步增加高程差，以便找到一个适合于野外实际工作的数值。

休斯敦技术实验室在1953年用轻型Worden 重力仪和一个12 英尺高的三脚架进行了野外观测。

Thyssen-Bornemisza和Stackler在1955 年用一台Worden 重力仪在Alberta 进行了垂直重力梯度异常的野外观测。

1965 年John T.Kuo，Mario和Shrik在曼哈顿的四个高建筑物、哥伦比亚大学的八个建筑物以及Alpine 、新泽西的Armstrong塔又进行了精确的重力测量。

1971 年Zbiniew.J.Fajklewicz在基点“Halszka” 进行了29 次重力垂直梯度的重复观测，测量是在不同的时间和不同的气候条件下进行的，了解到影响重力垂直梯度测量精度的众多因素。

后来S.Thyssen-Bornemisza等把这种测量应用到精确重力测量的改正和地质构造剖面的重力垂直梯度变化以及Z.Fajklewicz在1985 年用来探测空洞的深度和形状，中国长春地质学院与西藏物探队在西藏南部进行了重力垂直梯度测量，实测值为3755 厄缶，与正常重力垂直梯度值偏离达21.7%；并且这种偏离有随地形高程而增大的趋势。

成都地质学院沿陇海铁路进行了长达1700 余公里的东西向测线（点距100 km 左右） 和一条南北向辅助测线的重力垂直梯度的测量， 以研究重力垂直梯度变化的规律性及其原因。

中国科学院测量与地球物理研究所和地球物理研究所从1987 年起先后在油田及野外进行了重力垂直梯度的测量及实验研究。

应用与意义（1）重力垂直梯度在大地测量学、地球物理学和地球动力学中有很大的作用，越来越受到人们的重视，它的潜力仍有待进一步发掘。

（2）用垂直梯度（异常）化大地水准面和海拔高是合理和可行的，鉴于我国过山地接近国土的50% ，而且不少山区海拔很高，因此改善我国高程系统，即由正常高变为正高，应能受到重视。此外，在解算大地测量边值问题中也将会得到应用。3

（4）用垂直梯度可以探测地下异常体和反演地下界面，由于它的分辨率比重力异常为高，其用途应用还有很大扩展空间。

（5）垂直梯度为反演动力学事件的场源提供了重要的约束，以往似乎还未受到重视，为进一步预测火山、地震、地质事件，减少它们的破坏程度建议在作GPS（形变）和重力测量的同时，加测重力垂直梯度也会起到很大作用。

重力垂直梯度的观测和分析表明，此方法在研究地下岩石密度的非均匀性和地下浅层的构造上形成了新的地球物理勘查方法。重力垂直梯度数据可能加深对地球重力场的基本了解，并且可提供有价值的资料用以评价地表下的浅部构造和形状。4

因此， 重力垂直梯度观测和解释方法可用于以下几方面：

（1）观测重力垂直梯度在短距离内在点与点之间横向地变化，并且随高度有相当大的改变，这种梯度值可用于改进自由空气校正和地面地质的解释；

（2）在观测区域里，正的垂直梯度异常往往与正的均衡重力异常有关， 较高的均衡异常值也与较高的垂直梯度异常值有关；

（3）重力垂直梯度的观测可用于重力仪器的标定；

（4）重力垂直梯度的观测可用于解决一些重要的地质、采矿和工程间题，尤其用于寻找地质构造和各种空洞以及旧矿并的探测，由于重力垂直梯度方法的研究和日益发展， 为重力场的研究开辟了新的领域；结合地震纵波的测量和动力学过程的分析，可以研究重力异常分布的成因，对评价地下结构和形状是很有意义的；

随着城市建筑物的现代化建设和交通的增强，探测出现在浅层的小地质体质量分布的局部不均匀性和人工结构遗迹的工作愈显得重要，因而重力垂直梯度在这些方面的应用具有特殊的意义。