[科普中国]-重磁勘探

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。1

重力仪1、原理

重力仪的基本原理可以用图来说明。图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。

2、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，如右图所示，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图闭合于同一基点的观测系统

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。在返回的过程中，对观测过的点进行部分的或全部重复。

②三程双次观测法。

如图所示，其中1，4，8，11四点为重复观测点，其他均为单次观测点，在厘米方格纸上用g为纵坐标，t为横坐标，按照一定的比例把重复观测点点在图上。然后用直线把相同的点连起来，再以第一点为标准，将其他各线依次平移，让各线的起点落在它前一条线上。最后将平移后的各线的端点用圆滑曲线连接起来，即为仪器零点位移曲线。

(2)重力基点网

由上所述，因为要进行重复点观测，从而效率不高，并且为了减少累积误差，重复时间应愈短愈好，可见效率就要更低。为此在区域重力观测前，都必须先进行重力基点网的观测。显然，对基点网的观测，其精度必须高于一般测点的观测精度，为此要采用一些提高精度的措施。

1)利用一台或同时几台一致性好、精度高的重力仪，用时间短的闭合方法进行两次或两次以上的重复观测，以保证基点网的精度。

2)用平稳快速的运输工具运送仪器，避免时间过长或强烈的震动破坏零点位移规律，降低观测精度。

3)观测线路应按闭合环路进行，环路中的首尾点必须联结。当测区同时建立几个基点网环路时，每个环路中必须包括相邻环路中两个或两个以上的基点作为公用，以便对基点网平差。

4)在小比例尺大面积测量中，基点网应从国家绝对重力点展开。

其他还需考虑到：基点的分布要均匀，要建立在方便的交通线上，标志要明显等。

(3)有基点网时的一般点观测

建立了基点网后，对一般点观测时，如果仪器零点成线形变化就可以不重复观测。如图所示，每天从任意基点出发，经过一定数量的一般点观测，最后在另一Gi+1基点闭合，结束一天的工作。1

磁异常的处理由于实测异常，经常是由不同空间位置、不同磁性体的磁异常叠加而成，按照地质任务的不同，其中有的是有用异常，而另一些为干扰异常。为了消除干扰异常，突出有用异常，对实测磁异常进行处理。当前采用的处理方法有数据网格化、光滑、解析延拓、滤波、高次导数法等。

1．数据网格化

实践中，由于某些客观原因，在一些测点上不能实际测量，从而造成实测点分布不均匀。但是异常的处理要求数据均匀分布，因此必须由分布不规则的实测数据换算出规则网格节点上的数据，此过程即为数据网格化。

数据网格化的实质是对不规则数据点进行插值。插值方法很多，但通常采用拉格朗日插值的方式。

2．磁异常圆滑

由于测量误差、各项改正的误差及近地表的随机干扰等，常常使磁异常曲线呈现无规律的锯齿状，如图所示。因此，在解释这样的磁异常之前，必须进行圆滑处理。圆滑方法较多，有徒手圆滑、多次线性内插圆滑、最小二乘圆滑法等。各种圆滑方法与重力勘探中的圆滑方法相同。

3.磁异常相关分析

当磁异常分布没有规律时，如弱异常受到强干扰时，使得相邻剖面不能对比，这时可采用相关分析法来发现弱异常。

4．磁异常的解析延拓

由水平面(水平线)上的观测异常计算出场源外部空间中的异常，称为磁异常的解析延拓。那么由地面实测的磁异常计算出地面以上任一平面的磁场称为向上延拓，反之计算出地面以下任一平面的磁场称为向下延拓。

向下延拓的主要作用是增大浅部异常的比例，而且向下延拓较向上延拓的误差大。

5．磁异常的导数法

为了消除区域场，突出局部异常，在生产中常用导数法。导数法主要是通常采用的二次导数。通过求得的异常导数，可以消除或消弱背景场，确定异常体的边界。

6．地形起伏的化直法

由于实际地形经常是起伏不平的，而对磁异常的解释都是按磁场在一水平面上来讨论的，因而当实测磁异常是在地形有起伏的情况下观测的，就应当将它换算成在一水平面上观测到的，这种换算称之为化直法。1

应用重磁勘探方法作为一种主要的非地震勘探技术，就经典的勘探地球物理而言，其理论上相当成熟。每一种处理和解释都有其严格的数学基础和物理概念。它们以位场理论为基础，以地质体的密度和磁性差异为依据，通过处理、分析解释所获取的重磁异常达到解决地质问题的目的。回顾油气勘探的历史可知，尽管重磁法的垂向分辨较低，但因其水平方向上所具有的高分辨受到重视。特别是在盆地勘探研究的早期阶段，因其具有快速、经济、面广的特点，在新区勘探中起着重要作用野外观测的重力、磁力实测数据，必须要排除地形及其他因素引起的重力、磁力干扰，才能正确反映来自地下的密度不均匀或磁性不均匀体的变化。主要的重磁分析图件有重力垂向二次导数、不同深度的上、下延拓，磁力的化极处理等。向上延拓可以消除或压低地表及浅部干扰物性体源的影响，使重磁异常平滑，其运算方法是解 Dirichle边值问题。向下延拓则相反，其结果是显示浅埋物性体源的影响，以此分析浅埋物性体源的形态和产状。

航空磁法在盆地中的研究，传统上主要用于沉积盆地磁性基底的填图及圈定沉积剖面内的侵入岩体。随着近地表航线高精度航磁勘探的出现，航空磁法扩展了其领域。利用航磁了解基底内侵入体特征及洋壳的可能年代，P.J.Gunn(1997)介绍了他们在 Bass和 Canning盆地的例子。Machel等(1991)则在探索航磁和烃类化合物的关系上进行过许多有益的尝试。高分辨航磁法作为沉积盆地分析研究中一种有力的工具，能够揭示随沉积层及其结构变化引起的航磁异常。

重磁法在盆地中的研究除了传统上利用布格重力异常求解 Moho的界面起伏，利用磁异常得到居里面埋深、反演沉积盆地的磁性基底及划分盆地所在区域的构造单元外;近年来，像其他的地球物理方法一样，伴随仪器装备、正反演技术、解释手段不断提高，在提供地壳深部结构信息，从而研究沉积盆地的形成演化;利用位场成像与岩性填图、重 -震联合解释，精确界定沉积层位和圈定局部构造及高精度重磁直接预测油气性等方面也得到较大发展。特别是在拉伸沉积盆地分析的模拟、恢复及其演化历史研究中取得了明显的效果。

目前普遍认为拉伸盆地的形成是由于岩石圈扩张、导致了地壳断裂和洋壳增生的结果。这方面研究较早的有 Falvey(1974)、Salveson(1976)。前者侧重拉伸盆地的演化环境及过程，后者提出了一个有关地壳和壳下岩石圈被动机械伸展的定性模型。使用较广泛的拉伸盆地模型为 Mckenzie(1978)的定量模型。其模型考虑了岩石圈的塑性拉伸和地壳的减薄，即假设地壳和地幔岩石圈的伸展量相同，构造沉降主要取决于伸展量(β)以及初期地壳与岩石圈的厚度之间的比率。这个模 型能 够解释 大部 分拉伸 盆地 裂谷期 和裂 谷后 的沉 降 作用。

Kusnir等(1992)对 Mckenzie模型进行了修改，它包括考虑上部地壳的脆性拉伸、简单剪切和韧性下部地壳和地幔的纯剪切作用。与上述模型明显不同的是Wernicke(1981)模型，认为岩石圈的伸展是由一个主要贯穿于整个岩石圈的低倾角剪切带实现。剪切带必然会导致断层控制的伸展带与软流圈的上涌带发生分离。P.J.Gunn(1997)通过拉伸盆地区域重磁异常研究的结果，趋向于支持Mckenzie-Kusnir的岩石圈伸展模型。

综合 Falvey(1974)、Salveson(1978)等及其他学者的研究工作，广义拉伸盆地的形成一般可分为早期拉伸或前裂谷阶段(pre-riftstage)、裂谷期(syn-rift)、裂谷盆地扩张阶段、地壳的断裂和洋壳的增生阶段、成熟陆缘阶段即海底扩张和大陆边缘发展阶段，最后是裂谷死亡阶段。P.J.Gunn等研究表明在伸展裂谷盆地的不同发展阶段具有不同的重磁异常特征。图 9-6显示了前裂谷阶段和裂谷期盆地剖面上的重磁异常结果，表明在前裂谷阶段，存在宽达数百千米的区域重力异常，磁异常却不明显。该区域重力异常很可能是由于岩石圈温度升高降低了岩石密度所致。在裂谷期阶段，加热的低密度岩石圈和低密度的裂谷沉积均会导致广泛的重力低，而地壳减薄和地幔物质上隆却会产生明显的重力高;因而在剖面上可看到重力低的外侧有两个重力高。此阶段的磁异常虽然不像重力异常那样明显，但在裂谷轴部平面图上会出现环状磁异常，通常是由在裂谷轴部的侵入岩产生。

在大陆地壳断裂和洋壳插入阶段，由于地壳减薄造成区域性重力高，在此之上叠置了低密度填充物所产生的重力低;磁异常特征则表现为沿裂谷轴部存在一系列的孤立磁异常。在海底扩张和大陆边缘发展阶段，于被动大陆边缘普遍存在带状延伸的重力异常;大陆斜坡带的高磁异常，通常认为是磁性洋壳抬升所致。裂谷死亡阶段的重磁异常有别于前裂谷阶段。此时的重力异常主要取决于遗留下来的减薄岩石圈及其裂谷期和裂谷后低密度沉积物的分布。磁异常则相对比较平缓。区域重力高低，依赖于高、低重力源的贡献，是低密度沉积填充物的综合反映。磁异常则取决于镁铁质体的侵入程度，而镁铁质体与岩石圈伸展运动紧密相关，因而拉伸裂谷盆地的各个发展阶段会表现为不同的重磁异常特征。了解重磁场异常与地壳拉伸和盆地形成的关系，有助于更好地理解盆地的结构、构造、沉积、磁性事件与盆地演化之间的联系。2