[科普中国]-重力勘探

历史

第一个研究和测定重力加速度的是17世纪意大利物理学家伽利略(G.Galileo)。16世纪，他在1590年从比萨斜塔实验，发现物体坠落的路径与它经历的时间的平方成正比，而与物体自身的重量无关，他粗略地求出地球重力加速度的数值为9.8m/s^2。以后﹐比较准确地测定重力加速度的方法是利用摆仪。

荷兰物理学家惠更斯提出了数学摆和物理摆的理论，并研制出第一架摆钟。此后的200多年间，测定重力的唯一工具就是摆钟。

法国天文学家里歇1672年在利用摆钟从巴黎到南美进行天文观测时发现重力加速度在各地并非恒值。

牛顿(I.Newton，1642-1727)和惠更斯指出这种现象与他们认为地球是旋转的扁球体的推论相符，在理论上阐明了地球重力场变化的基本规律。

1687年，牛顿根据开普勒行星运动定律推导出万有引力定律，这一定律是重力学最重要的基本定律。

由于万有引力和离心运动的发现，牛顿认为地球形状是一个旋转的椭球体，指出了地球呈两极扁平的特征和重力是由赤道向两极增大的规律，从而解释了里歇的观测事实。

1735-45年，法国科学院在Lapland和Peru的考察，使布格(P.Bouguer)能够建立了许多基本的引力关系，包括重力随高度和纬度的变化规律，并计算出水平引力及地球的密度等。

19世纪末叶﹐匈牙利物理学家厄缶﹐L.von研制成适用于野外作业的扭秤﹐在匈牙利进行了持续的扭秤观测，结果表明扭秤可以反映地下区域的密度变化。在应用地球物理方法勘探石油之初就是使用扭秤。使重力测量有可能用于地质勘探。

1934年拉科斯特研制出了高精度的金属弹簧重力仪，沃登研制了石英弹簧重力仪，这类仪器的测量精度约达0.05-0.2mGal；一个测点的平均观测时间己缩短到10-30分钟，到1939年，这类重力仪完全取代了扭秤。

在20世纪30年代﹐由于重力仪的研制成功﹐重力勘探获得了广泛应用﹐并且发展了海洋﹑航空和井中重力测量。

重力场地球的重力场可分为正常重力场、重力随时间的变化及重力异常三部分。 对重力勘探而言，第一种因素属于干扰，应予消除。第三种影响很小，除高精度重力测量外，一般都可以忽略，只有第二种因素引起的重力变化才是我们需要的重力异常。

正常重力场地球的形状实际上并不规则，为了计算正常重力值，我们选择一个内部物质呈均匀同心层分布，且与大地水准面偏差最小的旋转椭球体作为地球的形状，这个椭球体称为参考椭球体。

g=9780300（1+0.005302sin2φ-0.000007sin22φ）地球的正常重力是由赤道向两极逐渐增加的。赤道处为9780300g.u.，两极处为9832087g.u.，相差51787g.u.。

重力场随时间的变化包括长期变化和短期变化两类。长期变化主要与地壳内部的物质变动，如岩浆活动、构造运动、板块运动等有关。短期变化是指重力的日变，它与太阳、月亮和地球之间的相互位置有关。地球并非刚体，引力的变化除形成海潮外，还引起地球固体部分周期性的变化，称为“固体潮”，可引起大地水准面的位移，从而造成重力的变化。日变是这两种重力变化的总效应。

重力异常将地面上某点的重力观测值与该点的正常重力值比较，我们发现两者之间总是存在一些偏差，原因有以下几个方面：重力观测是在地球表面而不是在水准面上进行的，自然表面与水准面间的物质及观测点间的高度会引起重力的变化。地壳内部物质不是呈同心层分布的，地壳内物质密度的不均匀分布，会造成实测值与正常值得差异。地球内部物质的变动及重力日变也会引起重力场的变化。

重力改正观测重力值除反映地下密度分布外﹐还与地球形状﹑ 测点高度和地形不规则有关。因此﹐在作地质解释之前必须对观测重力值作相应的改正﹐才能反映出地下密度分布引起的重力异常。重力改正包括自由空间改正﹐中间层改正﹐地形改正和均衡改正。观测重力值减去正常重力值再经过相应的改正﹐便得到自由空间异常﹑布格异常和均衡异常(见地壳均衡)。在重力勘探中主要应用布格异常。为研究地壳均衡﹐地壳运动和地壳结构也需要应用均衡异常和自由空间异常。在平坦的地形条件下﹐常用自由空间异常代替均衡异常。

重力仪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，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。另一种为金属弹簧重力仪，美制Lacoste-RomgD.G型重力仪。

工作方法根据地质任务的不同，重力勘探可分为预查、普查、详查和细测四个阶段。
预查是在重力勘探空白区进行的大面积小比例尺测量，以便在短期内获得有关大地构造轮廓的资料。普查是在有进一步工作价值的地区开展的调查，用以了解区域构造特征、圈定岩体范围和指示成矿远景区等。详查是在成矿远景区进行的重力测量，通过对异常规律和特点的详细研究，寻找局部构造或岩、矿体。细测是在已发现的构造或成矿有利的岩体上进行的精细测量，目的在于确定地层或岩、矿体的产状特征。

不同阶段的地质目标不同，相应的测量技术及精度要求也不同。测量精度以能反映探测对象引起的最小异常为准则，一般以探测对象引起的最大异常的1/3-1/4为宜。
比例尺及测网应根据工作任务、探测对象的规模及异常特征而定。测线应垂直于探测对象的走向。下图列出了重力勘探常用的比例尺及测网布置要求。2

处理和解释处理野外获得的重力数据要作进一步处理和解释才能解决所提出的地质任务﹐主要分3个阶段﹕野外观测数据的处理﹐并绘制各种重力异常图﹔重力异常的分解(应用平均法﹑场的变换﹑频率滤波等方法)﹐即从叠加的异常中分出那些用来解决具体地质问题的异常﹔确定异常体的性质﹑形状﹑产状及其他特征参数。

解释解释分为定性的和定量的两个内容﹐定性解释是根据重力图并与地质资料对比﹐初步查明重力异常性质和获得有关异常源的信息。除某些构造外﹐对一般地质体重力异常的解释可遵循以下的一些原则﹕极大的正异常说明与围岩比较存在剩馀质量﹔反之﹐极小异常是由质量亏损引起的。靠近质量重心﹐在地表投影处将观测到最大异常。最大的水平梯度异常相应于激发体的边界。延伸异常相应于延伸的异常体﹐而等轴异常相应于等轴物体在地表的投影。对称异常曲线说明质量相对于通过极值点的垂直平面是对称分布的﹔反之﹐非对称曲线是由于质量非对称分布引起的。在平面上出现几个极值的复杂异常轮廓﹐表明存在几个非常接近的激发体。定量解释是根据异常场求激发体的产状要素建立重力模型。一种常用的反演方法是选择法﹐即选择重力模型使计算的重力异常与观测重力异常间的偏差小于要求的误差。

由于重力反演存在多解性﹐因此﹐必须依靠研究地区的地质﹑钻井﹑岩石密度和其他物探资料来减少反演的多解性。

应用重力勘探所观测、研究的是天然的地球重力场，由于地表附近直至地球深处都存在着物质密度分布的不均匀，所以重力勘探相对来说具有较为经济和勘探深度大两个优点。
随着重力仪勘探精度的提高，已在城市工程环境等领域崭露头角，随着方法技术的发展和不断完善、仪器精度的提高、计算机技术的引进等，重力勘探在地球深部构造研究、石油与煤田的普查、固体矿产资源开发、水文等多方面发挥着越来越重要的作用。
重力勘探除地面重力测量外，还有海洋重力、航空重力、井中重力和卫星重力测量。近二十年，航空重力和卫星重力测量得到了长足的发展，海洋卫星测高数据换算的重力异常已经达到了原先1：100万重力测量的精度。

重力勘探解决以下任务﹕

1、研究地壳深部构造﹔研究区域地质构造﹐划分成矿远景区﹔

2、掩盖区的地质填图﹐包括圈定断裂﹑断块构造﹑侵入体等﹔

3、广泛用于普查与勘探可燃性矿床(石油﹑天然气﹑煤)﹐

4、查明区域构造﹐确定基底起伏﹐发现盐丘﹑背斜等局部构造﹔

5、普查与勘探金属矿床(铁﹑铬﹑铜﹑多金属及其他)﹐主要用于查明与成矿有关的构造和岩体﹐进行间接找矿﹔

6、也常用于寻找大的﹑近地表的高密度矿体﹐并计算矿体的储量﹔工程地质调查﹐如探测岩溶﹐追索断裂破碎带等。（作 者：王懋基）