重力勘探

重力勘探是地球物理勘探方法之一。是利用組成地殼的各種岩礦體的密度差異而引起的重力變化而進行地質勘探的一種方法。它是以牛頓的萬有引力定律為基礎。只要勘探地質體有一定的剩餘質量，埋藏深度較小，地形起伏影響較小，就可用精密重力儀器測出重力異常。然後結合工作區的地質資料，對重力異常進行定性或定量解釋，便可推斷復蓋層以下密度不同的礦體與岩層埋藏情況，從而找出岩礦體存在的位置和地質構造情況。

基本介紹

• 中文名：重力勘探
• 外文名：gravity prospecting
• 類別：地球物理勘探
• 儀器：重力儀

歷史

第一個研究和測定重力加速度的是17世紀義大利物理學家伽利略(G.Galileo)。16世紀，他在1590年從比薩斜塔實驗，發現物體墜落的路徑與它經歷的時間的平方成正比，而與物體自身的重量無關，他粗略地求出地球重力加速度的數值為9.8m/s^2。以後﹐比較準確地測定重力加速度的方法是利用擺儀。

荷蘭物理學家惠更斯提出了數學擺和物理擺的理論，並研製出第一架擺鐘。此後的200多年間，測定重力的唯一工具就是擺鐘。

法國天文學家里歇1672年在利用擺鐘從巴黎到南美進行天文觀測時發現重力加速度在各地並非恆值。

牛頓(I.Newton，1642-1727)和惠更斯指出這種現象與他們認為地球是旋轉的扁球體的推論相符，在理論上闡明了地球重力場變化的基本規律。

1687年，牛頓根據克卜勒行星運動定律推導出萬有引力定律，這一定律是重力學最重要的基本定律。

石英彈簧重力儀

由於萬有引力和離心運動的發現，牛頓認為地球形狀是一個旋轉的橢球體，指出了地球呈兩極扁平的特徵和重力是由赤道向兩極增大的規律，從而解釋了里歇的觀測事實。

1735-45年，法國科學院在Lapland和Peru的考察，使布格(P.Bouguer)能夠建立了許多基本的引力關係，包括重力隨高度和緯度的變化規律，並計算出水平引力及地球的密度等。

19世紀末葉﹐匈牙利物理學家厄缶﹐L.von研製成適用於野外作業的扭秤﹐在匈牙利進行了持續的扭秤觀測，結果表明扭秤可以反映地下區域的密度變化。在套用地球物理方法勘探石油之初就是使用扭秤。使重力測量有可能用於地質勘探。

1934年拉科斯特研製出了高精度的金屬彈簧重力儀，沃登研製了石英彈簧重力儀，這類儀器的測量精度約達0.05-0.2mGal；一個測點的平均觀測時間己縮短到10-30分鐘，到1939年，這類重力儀完全取代了扭秤。

金屬彈簧重力儀

在20世紀30年代﹐由於重力儀的研製成功﹐重力勘探獲得了廣泛套用﹐並且發展了海洋﹑航空和井中重力測量。

重力場

地球的重力場可分為正常重力場、重力隨時間的變化及重力異常三部分。 對重力勘探而言，第一種因素屬於干擾，應予消除。第三種影響很小，除高精度重力測量外，一般都可以忽略，只有第二種因素引起的重力變化才是我們需要的重力異常。

正常重力場

地球的形狀實際上並不規則，為了計算正常重力值，我們選擇一個內部物質呈均勻同心層分布，且與大地水準面偏差最小的旋轉橢球體作為地球的形狀，這個橢球體稱為參考橢球體。

g=9780300（1+0.005302sin2φ-0.000007sin22φ）地球的正常重力是由赤道向兩極逐漸增加的。赤道處為9780300g.u.，兩極處為9832087g.u.，相差51787g.u.。

重力場隨時間的變化

包括長期變化和短期變化兩類。長期變化主要與地殼內部的物質變動，如岩漿活動、構造運動、板塊運動等有關。短期變化是指重力的日變，它與太陽、月亮和地球之間的相互位置有關。地球並非剛體，引力的變化除形成海潮外，還引起地球固體部分周期性的變化，稱為“固體潮”，可引起大地水準面的位移，從而造成重力的變化。日變是這兩種重力變化的總效應。

重力異常

將地面上某點的重力觀測值與該點的正常重力值比較，我們發現兩者之間總是存在一些偏差，原因有以下幾個方面：重力觀測是在地球表面而不是在水準面上進行的，自然表面與水準面間的物質及觀測點間的高度會引起重力的變化。地殼內部物質不是呈同心層分布的，地殼內物質密度的不均勻分布，會造成實測值與正常值得差異。地球內部物質的變動及重力日變也會引起重力場的變化。

重力改正

觀測重力值除反映地下密度分布外﹐還與地球形狀﹑ 測點高度和地形不規則有關。因此﹐在作地質解釋之前必須對觀測重力值作相應的改正﹐才能反映出地下密度分布引起的重力異常。重力改正包括自由空間改正﹐中間層改正﹐地形改正和均衡改正。觀測重力值減去正常重力值再經過相應的改正﹐便得到自由空間異常﹑布格異常和均衡異常(見地殼均衡)。在重力勘探中主要套用布格異常。為研究地殼均衡﹐地殼運動和地殼結構也需要套用均衡異常和自由空間異常。在平坦的地形條件下﹐常用自由空間異常代替均衡異常。

重力儀

用於測量某點絕對重力值的儀器稱為絕對重力儀。用來測量兩點間重力差值的儀器稱為相對重力儀。絕對重力測量通常是利用振擺的自由擺動或自由落體的降落運動來計算重力加速度。

絕對重力儀製造複雜，精度要求高，故而設備笨重，一般500kg左右，觀測時間一般1—2天，儀器安裝及觀測條件要求較高，所以只能在少量點上進行。我國於1979年試製成功絕對重力儀，接近世界先進水平。

大量的重力測量工作是相對重力測量，這種測量的儀器要求重量輕，體積小，精度高，便於野外工作。
當前進行相對測量的重力儀有兩種結構。一種為石英彈簧重力儀，其型號有加拿大生產的CG-2，美制渥爾登（Worden），國產ZSM-Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型Z-400型重力儀。另一種為金屬彈簧重力儀，美制Lacoste-RomgD.G型重力儀。

工作方法

根據地質任務的不同，重力勘探可分為預查、普查、詳查和細測四個階段。
預查是在重力勘探空白區進行的大面積小比例尺測量，以便在短期內獲得有關大地構造輪廓的資料。普查是在有進一步工作價值的地區開展的調查，用以了解區域構造特徵、圈定岩體範圍和指示成礦遠景區等。詳查是在成礦遠景區進行的重力測量，通過對異常規律和特點的詳細研究，尋找局部構造或岩、礦體。細測是在已發現的構造或成礦有利的岩體上進行的精細測量，目的在於確定地層或岩、礦體的產狀特徵。

不同階段的地質目標不同，相應的測量技術及精度要求也不同。測量精度以能反映探測對象引起的最小異常為準則，一般以探測對象引起的最大異常的1/3-1/4為宜。
比例尺及測網應根據工作任務、探測對象的規模及異常特徵而定。測線應垂直於探測對象的走向。下圖列出了重力勘探常用的比例尺及測網布置要求。

處理和解釋

處理

野外獲得的重力數據要作進一步處理和解釋才能解決所提出的地質任務﹐主要分3個階段﹕野外觀測數據的處理﹐並繪製各種重力異常圖﹔重力異常的分解(套用平均法﹑場的變換﹑頻率濾波等方法)﹐即從疊加的異常中分出那些用來解決具體地質問題的異常﹔確定異常體的性質﹑形狀﹑產狀及其他特徵參數。

解釋

解釋分為定性的和定量的兩個內容﹐定性解釋是根據重力圖並與地質資料對比﹐初步查明重力異常性質和獲得有關異常源的信息。除某些構造外﹐對一般地質體重力異常的解釋可遵循以下的一些原則﹕極大的正異常說明與圍岩比較存在剩餘質量﹔反之﹐極小異常是由質量虧損引起的。靠近質量重心﹐在地表投影處將觀測到最大異常。最大的水平梯度異常相應於激發體的邊界。延伸異常相應於延伸的異常體﹐而等軸異常相應於等軸物體在地表的投影。對稱異常曲線說明質量相對於通過極值點的垂直平面是對稱分布的﹔反之﹐非對稱曲線是由於質量非對稱分布引起的。在平面上出現幾個極值的複雜異常輪廓﹐表明存在幾個非常接近的激發體。定量解釋是根據異常場求激發體的產狀要素建立重力模型。一種常用的反演方法是選擇法﹐即選擇重力模型使計算的重力異常與觀測重力異常間的偏差小於要求的誤差。

由於重力反演存在多解性﹐因此﹐必須依靠研究地區的地質﹑鑽井﹑岩石密度和其他物探資料來減少反演的多解性。

套用

重力勘探所觀測、研究的是天然的地球重力場，由於地表附近直至地球深處都存在著物質密度分布的不均勻，所以重力勘探相對來說具有較為經濟和勘探深度大兩個優點。
隨著重力儀勘探精度的提高，已在城市工程環境等領域嶄露頭角，隨著方法技術的發展和不斷完善、儀器精度的提高、計算機技術的引進等，重力勘探在地球深部構造研究、石油與煤田的普查、固體礦產資源開發、水文等多方面發揮著越來越重要的作用。
重力勘探除地面重力測量外，還有海洋重力、航空重力、井中重力和衛星重力測量。近二十年，航空重力和衛星重力測量得到了長足的發展，海洋衛星測高數據換算的重力異常已經達到了原先1：100萬重力測量的精度。

重力勘探解決以下任務﹕

1、研究地殼深部構造﹔研究區域地質構造﹐劃分成礦遠景區﹔

2、掩蓋區的地質填圖﹐包括圈定斷裂﹑斷塊構造﹑侵入體等﹔

3、廣泛用於普查與勘探可燃性礦床(石油﹑天然氣﹑煤)﹐

4、查明區域構造﹐確定基底起伏﹐發現鹽丘﹑背斜等局部構造﹔

5、普查與勘探金屬礦床(鐵﹑鉻﹑銅﹑多金屬及其他)﹐主要用於查明與成礦有關的構造和岩體﹐進行間接找礦﹔

6、也常用於尋找大的﹑近地表的高密度礦體﹐並計算礦體的儲量﹔工程地質調查﹐如探測岩溶﹐追索斷裂破碎帶等。（作　者：王懋基）