重力勘探及其应用

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1、重力勘探及其应用作者：任丽 孟小红 刘国峰来源：科技创新导报 2013年第8期任丽 孟小红 刘国峰(中国地质大学(北京) 北京 100083)摘?要：重力勘探主要是通过测量由地下密度不均匀体引起的重力异常来推断测区的地质构 造或矿产分布情况等。重力数据通过整理、各项校正、异常分离等可以得到勘探目标的重力异 常特征。通过解重力反演问题，可以确定地质体的埋深、大小等几何参数、密度等物性参数以 及密度分界面的起伏。实际应用中，要尽可能多的利用已有的信息约束反演过程，从而提高反 演结果的质量。重力勘探在区域地质构造研究、寻找矿产、油、气资源、工程地质调查、水文 地质调查等领域中发挥着重要的作用。实例说

2、明，不同的地质特征对应不同的重力异常特征， 重力勘探正是利用获得的异常特征分析、推断测区的地质构造。关键词：重力异常 密度不均匀体 重力反演 地质构造 矿产分布中图分类号：P631文献标识码：A文章编号：1674-098X (2013) 03 (b) -0-04重力勘探主要是通过测量由地下密度不均匀体引起的重力异常来推断测区的地质构造或矿 产分布情况等，是地球物理勘探的重要方法之一。野外测量的重力数据通过整理和一系列校正 可以得到需要的重力异常布格重力异常或者自由空气重力异常。校正后得到的重力异常是地 下不同深度、规模的地质因素产生的叠加异常，异常分离可以将具有不同“频率”特征的异常 分离开，

3、得到单纯由勘探目标引起的异常。重力反演一般需要在异常分离的基础上进行，反演 存在着多解性问题，其主要原因是不同埋深、大小、组合的地质异常体可以引起相同的重力异 常效应，以及重力数据的不完整性。因此，在反演过程中，需要尽可能利用已有的地质、钻探 和地球物理资料来对目标异常体进行约束，从而减少多解性，最后的模型实验说明了反演过程 中加约束条件的重要性。重力勘探在很多领域发挥着重要的作用，可以利用它进行区域地质构造的研究、寻找矿产、 油、气等资源，也可以用在工程地质调查、水文地质调查中。重力勘探南海北部缘沉积盆地的 实例说明，不同的重力异常特征对应着地下不同的地质构造特征，可以据此利用重力异常研究

4、区域构造。1 重力勘探的基本原理重力勘探是一种利用重力场研究地球构造、寻找矿产及油气资源的地球物理方法。重力勘 探的物性前提是地下物质的密度分布的不均匀性，依据的物理基础是万有引力定律。在重力勘探中，将野外使用重力仪测量的值经过换算、校正、分离等，可以得到重力异常， 特别是由单一密度分布不均匀因素如起伏密度界面、断裂、矿体等引起的重力变化。然后利用 不同的反演方法，计算出重力异常体的几何参数和物性参数。最后，综合地质知识，推断地下 地质构造、矿体、油藏资源等的分布，从而达到重力勘探的目的。某个地质体引起的重力异常，就是地质体相对于围岩的剩余质量产生的引力在铅垂线方向 上的投影1。当地下存在多个

5、异常体时，一个测点处的重力异常就是所有异常体产生的引力异 常在重力方向的投影的叠加。如图1所示，坐标原点位于地面，Z轴方向铅垂向下，X、Y轴位于水平面内。剩余质量为 。的地质体在观测点A处产生的重力异常可以根据万有引力定律使用下式进行计算式中，为体积元的坐标，（x,y,z）为观测点A的坐标。实际重力测量工作中，常用的重力单位有MgAL、g.u.等。田t 世JS怖停力畀堆的计为2重力数据的整理与处理根据重力测量的空间位置的不同，可以将重力测量分为地面重力测量、航空重力测量、海 洋重力测量、井中重力测量。在野外重力测量工作开始之前，首先要根据地质工作任务设计工作方案，确定工作比例尺、 测线的布置、

6、点线距、误差的分配等。测量开始前要对仪器性能进行检查，需要做静态实验、 动态实验、一致性实验。实际测量要起于基点、终止于基点；检查点观测均匀地分布于普通点 观测中；对于周围地形起伏比较大的观测点要进行近地形测量，便于地形校正。从野外测量获得的重力资料不能直接用于地质解释，需要经过整理、处理，得到需要的重 力异常。具体的过程包括以下几个方面：对原始测量值进行零点漂移校正、基点网平差，初步整理得到各测点相对于基点的相对重 力值；对相对重力值进行地形校正、中间层校正、高度校正、纬度校正等得到重力异常；对重力异常进行处理从而消除偶然误差或者与勘探目标无关的某些近地表小型异常体的干 扰；从叠加异常中分离

7、出由研究对象引起的异常；将实测重力异常转换为其他位场要素。对分离后的重力异常通过不同的反演方法，求得异常体的位置、埋深等几何参数和剩余密 度、密度分界面的深度及起伏、或者地下密度的分布等。2.1重力资料的整理野外测量时从仪器上得到的读数并不是重力值，需要按照仪器的换算公式转换为重力值。 初步整理重力资料时需要进行基点网平差。对于普通点来说需要进行固体潮校正、零点漂移校 正。经过零漂校正后得到的是各测点相对于总基点的相对重力值，要想获得重力异常还需要进 行地形、中间层、高度、纬度等校正。地形校正是为了消除周围起伏地形对观测点重力值的影响。在陆地上，当地表起伏比较大 时，无论是周围地形比观测点高还

8、是低，都会使观测点的重力值减小，因而地形校正值为正； 在海洋重力数据整理以及考虑大范围水准面弯曲时，地形校正值有正有负。中间层校正是为了消除测点和总基点之间的物质层对测点的重力值的影响。中间层校正常 采用的近似计算式为：当测点高于总基点时，h取正值，当测点低于总基点时，h取负值。进行中间层校正时，只 需要用相对重力值加上上式中计算出来的中间层校正值。高度校正，也称为自由空气校正，是为了消除测点与总基点的高差对测点的相对重力值的 影响。高度校正近似计算公式为:式中e为测点的纬度值。这个计算式是用旋转椭球体近似地球的形状时得到的近似式。当 测区很小时，用球体近似地球形状，高度校正值可以简化计算：同

9、样，当测点高于总基点时，h取正值，当测点低于总基点时，h取负值。进行高度校正时, 只需要加上上式中计算出来的高度校正值。实际计算中，通常将中间层校正和布格校正同时进行，称为“布格校正”，按下式计算校 正值：如果测点和总基点不在同一个纬度上，还需要进行纬度校正，也称为正常场校正，即消除 测点与基点之间因为纬度不同而带来的正常重力值的差异。纬度校正值可以按下式计算:式中，D为测点与总基点的南北向距离，在北半球，当测点位于总基点以北时，D取正值， 当测点在总基点以南时，取负值。在重力勘探中，最常用的重力异常是布格重力异常，即经过地形校正、高度校正、中间层 校正和正常场校正后得到的重力异常。如果用gk

10、表示经过固体潮校正、零点漂移校正之后的重力值，ge表示测点在大地水准面 投影上的正常重力值，Agr表示地形校正，Ag。表示中间层校正，Agh表示高度校正，则布 格重力异常AgB可以用下式表示：布格重力异常的物理意义是：地壳内各种偏离正常密度分布的矿体与构造的产生的重力异 常，包括地壳下界面起伏在横向上相对上地幔质量的大亏损或盈余产生的重力异常。因此，除 了局部的起伏变化外，从大范围来说，在陆地，特别在山区，布格重力异常是大面积的负值区, 山越高，异常负得越大；在海洋区，则是大面积的正值区。当以大地水准面作为比较各测点异常大小的基准面时，则观测值为绝对布格重力异常，计 算布格重力异常的式子就是上

11、面的公式。当以总基点所在的水准面为基准面来比较各测点异常 值大小时，所得到的重力异常时相对布格重力异常，计算公式为：lit-1.1illIIrVV| 1式中，Agk表示零漂校正之后相对于总基点的相对重力值，Ag测点相对于总基点的纬 度校正值。2.2重力异常的分离经过上述校正后得到的重力异常包含有深部、浅部多个地质异常体或多种地质因素的影响, 从叠加的重力异常中分离出由单个勘探目标引起的重力异常，是重力数据处理中非常重要的一 步。异常分离可以将不同尺度的、多个异常体引起的重力异常分离开，从而研究不同深度、大 小的地质异常体的特征；利用重力异常反演研究目标的几何参数和物性参数，需要的是分离出 的重

12、力异常，而不是叠加异常。经过各种校正得到布格重力异常后，进行重力异常分离前，一般需要经过平滑处理消除异 常数据中由观测引起的偶然误差以及由地表附近密度不均匀引起的杂乱无章的重力效应，从而 得到有意义的地质体引起的重力异常。然而，大点距的数据平滑具有压制浅部干扰的作用，平 滑后的结果可以用来表示区域场。平滑的方法包括徒手平滑法、最小二乘平滑法等。传统的重力异常分离的方法有图解法、平均场法、高次导数法、解析延拓法、趋势分析法、 调和分析法，比较新的方法有频率域滤波法1-2。2.3重力异常反演重力异常的反演是为了研究地质构造或者寻找金属、非金属矿体。通过解反演问题，可以 确定地质模型体的埋深、大小等

13、几何参数；确定研究区密度的分布；确定地下物性分界面的深 度和起伏等。重力异常的反演必须采用分离后的由研究目标引起的重力异常，而不能使用叠加异常。另 外，由于不同埋深、大小、组合的地质异常体可以引起相同的重力异常效应，以及重力数据的 不完整性，反演问题存在着多解性。为了减少多解性，要根据已有的地质、地球物理和钻探资 料建立初始的、合理的地质模型，反演过程中尽可能利用已有的信息对反演参数进行约束。常用的对地质模型体参数的反演方法有直接法、特征点法、选择法、人机交互的反演法等1。对密度分界面的起伏的反演的方法有线性回归法、压缩质面法、迭代反演法和频率域反演 法1。另外一种重要的反演方法是重力归一化总

14、梯度法。3模型试验及应用实例重力勘探利用的是地下物质密度分布的不均匀性，因此研究目标与周围岩石的密度差异使 重力勘探在很多领域发挥着重要作用。因为铜、铁等金属或其赋存体的密度明显高于围岩，可 以直接利用重力勘探找金属矿，或者通过研究金属矿赋存的岩石或构造间接找矿；盐矿、煤矿 的密度比围岩低，当盐矿或煤矿形成一定规模时，也可以使用重力测量法进行勘探；在油气勘 探中，可以使用小比例尺的重力异常寻找有利于油气藏形成的地段，也可以使用高精度的重力 测量直接寻找与油气藏有关的低密度体；在铁路路基铺设等工程建设中，可以使用重力测量探 测地下岩溶及地表溶洞等对工程建设不利的地区，从而避开这些区域或者采取相应

15、的措施；水 文地质调查也需要用到重力勘探，可以使用重力测量来寻找地下水资源；大区域的重力异常往 往与地球的深部构造有关，因此重力勘探在地球深部构造及地壳结构研究、划分大地构造单元 等方面发挥着重要的作用。这部分首先用模型实验说明了重力反演的实现过程和反演中加约束的重要性，然后以南海 北部缘盆地为例，说明重力勘探在区域构造研究中的应用。3.1 重力反演的模型实验如图2所示，建立一个2.5D的倾斜板状体组合重力异常模型。模型横向为X方向，坐标范 围为04000?m，纵向为Z方向，坐标范围为11000?m, Y方向的坐标范围为02000?m，红 色部分表示场源体，蓝色部分表示围岩，场源体与围岩的密度

16、差为1?g/cm3。图3为该模型中间切的一个东西向竖直剖面，图4是对图2所示模型进行正演的数据加上标准差为0.1?mGal的高斯噪声后所得的结果。利用加噪声后的正演数据反演图3所示的剖面。图5是不加任何约束时得到的反演结果。图6是在反演过程中加上了物性上下界约束、地表约 束、三维延伸比例约束、双钻井约束后得到的反演结果。对比两种反演结果，不加约束的反演结果中左边小场源体反映很微弱，右边为一对正负场 源体，反演结果形态与实际模型相差甚远。加入约束后，反演结果分辨率明显提高，出现了分 离的场源体，并且与真实模型形态更加接近。因此，在实际数据的重力反演中，也要尽可能多 的利用已有的信息对反演过程进行

17、约束，从而得到高质量的反演结果。3.2 区域构造应用实例图7是南海北部缘的布格重力异常3。布格重力异常的变化与该地区的构造分布具有对应 关系，主要反映了地壳内部物质的密度变化及壳幔边界起伏的变化。布格重力异常整体上自西 向东逐渐增大，局部地区存在异常圈闭。不同盆地区域重力异常特征各不相同，说明各个区域 的地壳物质密度不均匀，构造特征也不相同。莺歌海盆地呈长菱形，布格重力异常以低值负异 常为主，为走滑伸展型盆地。琼东南盆地以正值布格重力异常为主，总体呈北东走向，局部有细小的圈闭，其主要受北 东北东东走向和东西走向的断裂控制。珠江口盆地地区布格重力异常北部以负值为主，中南 部以正值为主，推测其地壳

18、应具有过渡壳特征，南部地壳为洋壳，东南部的岛弧区为残存古老 地壳3。台西南盆地以正值布格异常为主，由西南向东北逐渐升高，在西面与珠江口盆地连在 一起，说明其基底与珠江口盆地东南有密切的关系。北部湾盆地的布格重力异常以局部圈闭异 常为特征，无明显走向的背景异常，这正与该盆地平面上为等轴状分布相一致3。4 结语重力勘探利用的是地下物质密度分布的不均匀性。野外采集的重力数据需要经过整理、校 正、分离等，从而得到需要的重力异常，然后根据重力异常特征分析研究区的地质构造或者地 下矿产分布情况。通过重力反演可以得到地质模型的几何参数或物性参数，或者密度分界面的 起伏情况，反演过程中要尽可能多的利用已有的地

19、质地球物理信息和钻井信息，提高反演结果 的质量。最后的模型实验说明了约束条件对高质量的反演结果的重要性；南海北部缘盆地布格重力异常的实例说明，地下不同的密度分布特征或构造特征对应着不同的重力异常特征，可以 依据这些异常特征推测地下的构造特征。正期誓訂口 I腔隔听芦nsI*-1-91I IETI !” TI MTlibliHTI3T rMW!参考文献1 曾华霖重力场与重力勘探M.北京：地质出版社，2005.2 郭武林国外分离重力异常的方法J.物探与化探.1982 (3):157-166.3 武粤，孟小红，刘国峰南海北部缘重力异常的多尺度分析及其构造讨论J.现代地 质J. 2012, 26(6): 1162-1167.4 宋海斌，郝天珧，江为为，等南海地球物理场特征与基底断裂体系研究J.地球物 理学进展， 2002， 17(1)： 24-34.