【正文】 重磁電勘探簡介重力勘探 一、重力勘探的基本概念 1．重力 重力的實(shí)質(zhì)是牛頓萬有引力和離心力的合力。萬有引力是牛頓總結(jié)前人伽里略研究行星運(yùn)動規(guī)律提出來的，認(rèn)為任何物體相互之間都有吸引力，吸引力的大小與兩物體的質(zhì)量乘積成正比，與兩物體之間的距離平方成反比，其相互之間量的關(guān)系為 (6—1)式中 m1，m2——分別為任意兩物體的質(zhì)量； R——兩物體相互間的距離；f——引力常數(shù)，其值在CGS制中為6．6710—8cm3／gs2。上式即為牛頓萬有引力定律，F(xiàn)力的方向?qū)l來說，是由ml指向m2，對m2來說則相反。 地球是有質(zhì)量的，對地球表面上任一物體來說，都有地球的吸引力。設(shè)地球的質(zhì)量為M，地面上任一物體的質(zhì)量為m，則它們之間相互的吸引力F可根據(jù)式(6—1)來確定，其方向如圖6—1(a)所示。由于地球近似一個球體，對地面的m物體來說，其引力的方向指向地心。 由于地球在不斷地自轉(zhuǎn)，地球表面上任何物體都具有一個離心力P，其大小由下式來決定 (6—2)式中 r——m到地軸的垂向距離； ——地球自轉(zhuǎn)的角速度。 力P的方向如圖6—1(a)所示，徑向指向外。離心力P隨緯度的不同而變化，隨著r向兩極減小而減小，從赤道的最大值減小到兩極為零。 為了描述重力的空間分布，通常采取直角坐標(biāo)系，以數(shù)學(xué)解析式表示，如圖6—1(b)所示。設(shè)地心為坐標(biāo)原點(diǎn)，z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合，x，y軸在赤道面上。 設(shè)任意點(diǎn)A的坐標(biāo)為(x，y，z)，地球內(nèi)部某一質(zhì)量單元dm的坐標(biāo)為()，A點(diǎn)到dm的距離為r，則dm對A點(diǎn)單位質(zhì)量的引力為 (6—3)式中 ——A到dm方向的單位矢量，其方向是從A到dm。r對x，y，z三個坐標(biāo)方向的余弦分別為：，那么dF在x，y，z三個坐標(biāo)方向的引力分量為圖6—1 地球引力示意圖地球的全部質(zhì)量對A點(diǎn)所產(chǎn)生的引力分量為積分號下的V表示對整個地球進(jìn)行積分。關(guān)于離心力的三個分量分別為 這樣重力g在x，y，z三個坐標(biāo)方向的分量分別為規(guī)定不同位置均用1g質(zhì)量所受到的重力來衡量受力的大小，這個單位質(zhì)量所受到的重力通常稱為該點(diǎn)的重力場強(qiáng)度。根據(jù)牛頓第二定律式中 G——物體所受的重力； g——重力加速度。 令m＝1，則G=g 采用單位質(zhì)量所受的重力來衡量重力場強(qiáng)度，它在數(shù)值上和重力加速度相等，因此常用重力加速度代表重力場強(qiáng)度，單位同加速度，為cm/s2，在重力勘探中稱之為1伽，用Gal表示。實(shí)測時單位太大，常用1伽的千分之一為單位，稱之為毫伽，用mGal表示。隨著重力測量儀器精度的不斷提高，取毫伽的千分之一做單位，稱為微伽(Gal)。 即 lcm／s2二1Gal 1Gal／1000＝lmGal[又稱1米蓋(mGal)) lmGal／1000＝lGal 實(shí)際上地球不是圓形的，而是一個偏心率近似為1／291的橢圓體，并且地球在不斷地自轉(zhuǎn)著，從而使萬有引力和離心力隨著不同位置而變化，它的變化可以按國際正常重力公式計(jì)算 (6—4)式中 ——大地水準(zhǔn)面上的正常值；——地球的緯度。 國際正常重力公式是為了在全球范圍內(nèi)預(yù)測地球表面重力值而規(guī)定出的幾個關(guān)系式之一，還有其他的公式，只是常數(shù)不同而已。 2．重力異常 由于地球是個橢圓球，在不斷地自轉(zhuǎn)，從而引起地球表面上重力值的變化。對于石油勘探來說，主要研究的是地殼密度的橫向不均勻性，即由于各種地質(zhì)原因使得地殼密度不均勻引起重力的變化。 如圖6—2所示，地下埋藏一個密度較大的地質(zhì)體，設(shè)其密度為，圍巖的密度為， ，那么在其地表上，把密度為的圍巖在地面上產(chǎn)生的重力值認(rèn)為是正常重力值，在圖6—2(a)中以值的一條平行x軸的直線表示。 當(dāng)?shù)叵麓嬖诿芏葹榈牡刭|(zhì)體，并且其密度大于圍巖密度時，球形空間里的質(zhì)量就會比完全為均勻密度時的質(zhì)量要大，即較原先的情況會有多余的質(zhì)量，通常稱之為剩余質(zhì)量，用M表示，M＝V(—)，V為地質(zhì)體的體積。按照萬有引力定律，這個剩余質(zhì)量就會使得其相應(yīng)上方地表A1，A2，A3，…處的重力值比正常重力值有所增大，如圖6—2(a)所示,在地質(zhì)體的正上方Al處，增加的值用Fl示之，其方向是沿垂直向下，與正常重力方向重合。圖中的A2，A3，…處，它們離球體越遠(yuǎn)，其重力的增加亦愈小，以AF2，AF3，…示之，它們的方向離地質(zhì)體愈遠(yuǎn)，偏離正常重力方向的角度越大，但它們指向地質(zhì)體的中心。重力勘探所能觀測的是Fl，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…的垂直分量gl，g2，g3，…，而不是它們的本身。將觀測到的gl，g2，g3，…標(biāo)在其上方的圖中，作成g曲線，這個曲線稱為重力異常曲線。其重力值的變化，稱為重力異常。 當(dāng) 時，即地下埋藏一個密度較小的地質(zhì)體，如圖6—2(b)所示，那么其異常曲線與圖6—2(a)相反，都比正常重力小，為一負(fù)重力異常曲線。如果地層是水平地層，盡管它們之間有密度差，但不會有重力異常，如圖6—2(c)所示?？梢姰a(chǎn)生重力異常的關(guān)鍵是水平方向巖石密度要有變化。 如圖6—2(d)所示，在圍巖密度為的巖石中存在著密度為的巖石，在密度為的巖石中又存在密度為的巖石， 。設(shè)密度為的巖石，其分布范圍較密度為的巖石分布的范圍廣，則g的異常曲線[如圖6—2(d)所示]。反映出巖石密度的橫向變化。巖石2所引起的異常，是相對正常重力(如圖中的虛線1所示)來說的；而巖石3所引起的異常，其正常重力可以認(rèn)為是虛線2。這樣，要研究巖石3所引起的異常，只需用虛線2作零線即可，不必用虛線1作零線。這與讀構(gòu)造圖時，為了確定構(gòu)造高點(diǎn)位置和形態(tài)，只需知道其相對高差，而無需知道它的絕對標(biāo)高的情況一樣。也就是說，利用重力異常圖研究局部情況，只要求知道重力的相對值就可以了。 (c)水平層狀介質(zhì)的重力異常 (d)介質(zhì)橫向密度變化的重力異常圖6—2 不同密度地質(zhì)體的重力異常3．巖石的密度 重力異常是由于地殼內(nèi)部巖石密度分布的不均勻所引起的，因而對于巖石的密度及其分布情況的了解是十分必要的。巖石密度是指在自然蘊(yùn)藏條件下，巖石單位體積的質(zhì)量。根據(jù)觀測結(jié)果表明，不同種類的巖石有不同的密度值；同種類巖石，在不同的地質(zhì)條件下，也會有不同的密度值。影響巖石密度的主要因素有兩個，即巖石中的礦物成分和孔隙度。一般巖漿巖和變質(zhì)巖比較致密。表6—1列出一些巖石和礦石的密度。由表中可知，巖漿巖、變質(zhì)巖所含礦物的密度比較大，～／cm3；大多數(shù)沉積巖，其孔隙度較巖漿巖、變質(zhì)巖大，最大可達(dá)30％～50％，而且一般沉積巖所含的重礦物也較巖漿巖、變質(zhì)巖為少，所以沉積巖的密度在很大程度上取決于孔隙度。不過在沉積巖中，水、化學(xué)沉積巖的密度和成分存在著明顯關(guān)系，，～，比巖漿巖、變質(zhì)巖小。 同是沉積巖，其密度常隨埋藏深度從淺到深而增加，起初增加很快，達(dá)到一定值后，增加越來越不明顯，這種密度隨深度增加的關(guān)系，是因?yàn)樯细矌r層的巨大壓力使孔隙度減小的結(jié)果。表6—1 常見巖石和礦石的密度巖 石 名 稱密度，g／cm3巖 石 名 稱密度，g／cm3沉積巖類火成巖類土 壤～花 崗 巖～砂 巖～安 山 巖～頁 巖～輝 長 巖～石 灰 巖～玄 武 巖～石 膏～橄 欖 巖～巖 鹽～礦 石 類變質(zhì)巖類赤 鐵 礦～片 麻 巖～磁 鐵 礦～蛇 紋 巖～黃 鐵 礦～石 英 巖～鉻 鐵 礦～大 理 巖～重 晶 石～二、重力值的測量與校正1．重力測量的基本原理從原則上說，凡是與重力有關(guān)的物理現(xiàn)象，如物體的自由降落、振擺的擺動、重荷使彈簧的伸長等，都可以用來測量重力值，把它們歸結(jié)起來可以分兩個方面，即重力絕對值的測定和重力相對值的測定。重力勘探所采用的是相對值的測定，其基本原理如下： 如圖6—3所示，它是一個由彈簧懸掛著一個重荷m的彈簧秤，當(dāng)重力有變化時，重荷將發(fā)生相應(yīng)的位移，其位移的大小正比于重力大小。當(dāng)彈簧秤位于測點(diǎn)A時，則根據(jù)虎克定律有如下的關(guān)系式中 m一—重荷的質(zhì)量； ——彈簧的彈性系數(shù)； ——彈簧在重荷作用下的長度； ——彈簧不受重荷作用時的原始長度。 當(dāng)彈簧秤移到B點(diǎn)時，得到以上兩式相減后有 上式中C是儀器常數(shù)，它與彈簧的性能、重荷的質(zhì)量有關(guān)。它表示重荷移動單位長度時相應(yīng)的重力值的變化，稱之為重力儀的格值。測定格值的方法是借已知重力變化g來觀測重荷移動后彈簧長度的相應(yīng)變化l，從而求得格值 由此可見，已知格值就可以通過測量l來確定任意測點(diǎn)間的重力g。 圖6—3 彈簧秤的基本原理 圖6—4 彈簧重力儀的原理 2．重力儀的原理 重力儀的基本原理可以用圖6—4來說明。圖6—4示出的是一根可以繞水平軸、并在垂直面上自由轉(zhuǎn)動的擺桿，擺桿的一端固定著一個質(zhì)量為M的重荷，并用兩個不相同的彈簧將擺桿懸掛起來，構(gòu)成一個彈簧秤。 同時有兩個力作用在擺桿上，即重力和彈力，重荷在重力的作用下，帶動擺桿以0點(diǎn)為軸心向上轉(zhuǎn)動，用Mgl表示重力產(chǎn)生的力矩，其中l(wèi)為擺桿的長度，g為重力值。用Mr表示彈簧產(chǎn)生的彈力矩，則 [180。a（S180。S180。0）]式中 K，K180。——分別為彈簧1和彈簧2的彈性系數(shù)； d，a——分別為從0點(diǎn)到彈簧1和彈簧2的垂直距離； S，S180。和S0，S180。0——分別為彈簧彈簧2在受力后和未受力時的長度。 為了測出兩點(diǎn)重力變化，可以轉(zhuǎn)動測微螺絲，改變彈簧2的張力，使擺桿恢復(fù)到原來的平衡位置，通常稱之為零位。這時，除了彈簧2的張力比原來有所改變外，彈簧1仍處于原來狀態(tài)，兩點(diǎn)間的重力變化完全被彈簧2的張力所補(bǔ)償，其補(bǔ)償值可通過測微螺絲上的刻度讀出來。 例如，用彈簧重力儀測得A，B兩點(diǎn)的重力，那末平衡方程分別為 180。a（S180。AS180。0）180。a（S180。BS180。0）將上兩式相減，并整理得K180。a/Ml（S180。AS180。B）＝C（S180。AS180。B） 式中C= K180。a/Ml為儀器常數(shù)，通常稱之為格值，它的數(shù)值可以通過實(shí)際測定，因而任意兩點(diǎn)的重力差可以從彈簧秤上的S180。AS180。B反映出來。顯然，這樣測得的是兩點(diǎn)間的相對重力差值。 3．重力的野外觀測 由于重力儀的彈簧有永久形變，所以儀器不可避免地有零點(diǎn)變化。為了消除這一變化，重力儀在野外工作時，要進(jìn)行重復(fù)觀測。 (1)普通觀測 1)閉合于同一基點(diǎn)的規(guī)則。 當(dāng)儀器的零點(diǎn)變化和時間成比例或測區(qū)比較小的情況下．可采田閉合于同一基點(diǎn)的觀測，如圖6—5所示，即每天出工首先從基點(diǎn)G出發(fā)．最后回到原基點(diǎn)G結(jié)束全天工作，那么儀器零點(diǎn)變化的校正系數(shù)為 圖6—5 閉合于同一基點(diǎn)的觀測系統(tǒng) (6—5)式中 ——分別為在基點(diǎn)先后兩次重力觀測值； ——分別為兩次相應(yīng)的觀測時間。對任一測點(diǎn)，其觀測時間為ti，則該點(diǎn)的校正值為 (6—6) 由于彈性形變一般是隨著時間而伸長，因而上式取負(fù)號。圖6—6 多點(diǎn)重復(fù)觀測系統(tǒng)2)多點(diǎn)重復(fù)觀測。當(dāng)重力儀的零點(diǎn)變化不夠規(guī)律或者要進(jìn)行高精度的重力測量時，可采用多點(diǎn)重復(fù)觀測。 ①雙程往返重復(fù)觀測法。該法觀測時是從某一點(diǎn)出發(fā)，觀測一定量的測點(diǎn)以后，再沿原路返回。在返回的過程中，對觀測過的點(diǎn)進(jìn)行部分的或全部重復(fù)，如圖6—6（a），(b)所示，這種觀測方法和零點(diǎn)位移的變化率都是用作圖法來確定的。如圖6—7所示在厘米方格紙上，用讀數(shù)g為縱坐標(biāo)，以時間t為橫坐標(biāo)，把所有的重復(fù)點(diǎn)按照一定比例點(diǎn)在圖上，然后把相同點(diǎn)用直線連起來，這樣就形成了一些大致平行的直線。為了從圖上確定具有代表性的零點(diǎn)位移的變化率，可以最長的一條線的中點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，將所有的線沿垂直方向平移到它的中點(diǎn)上形成一組線束，然后過這組線束的交點(diǎn)作直線R，使得所有點(diǎn)到R線距離的平方和最小，R線的斜率即為重力儀在這個時間內(nèi)的零點(diǎn)變化率。 圖6—7 求零點(diǎn)位移的變化率 ②三程雙次觀測法。 如圖6—8所示，其中1，4，8，11四點(diǎn)為重復(fù)觀測點(diǎn)，其他均為單次觀測點(diǎn)，在厘米方格紙上用g為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)，按照一定的比例把重復(fù)觀測點(diǎn)點(diǎn)在圖上。然后用直線把相同的點(diǎn)連起來，再以第一點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，將其他各線依次平移，讓各線的起點(diǎn)落在它前一條線上。最后將平移后的各線的端點(diǎn)用圓滑曲線連接起來，即為儀器零點(diǎn)位移曲線。圖6—8 三程雙重觀測的觀測系統(tǒng) (2)重力基點(diǎn)網(wǎng) 由上所述，因?yàn)橐M(jìn)行重復(fù)點(diǎn)觀測，從而效率不高，并且為了減少累積誤差，重復(fù)時間應(yīng)愈短愈好，可見效率就要更低。為此在區(qū)域重力觀測前，都必須先進(jìn)行重力基點(diǎn)網(wǎng)的觀測。顯然，對基點(diǎn)網(wǎng)的觀測，其精度必須高于一般測點(diǎn)的觀測精度，為此要采用一些提高精度的措施。 1)利用一臺或同時幾臺一致性好、精度高的重力儀，用時間短的閉合方法進(jìn)行