[科普中國(guó)]-重力式探查法

歷史

第一個(gè)研究和測(cè)定重力加速度的是17世紀(jì)意大利物理學(xué)家伽利略(G.Galileo)。16世紀(jì)，他在1590年從比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)物體墜落的路徑與它經(jīng)歷的時(shí)間的平方成正比，而與物體自身的重量無關(guān)，他粗略地求出地球重力加速度的數(shù)值為9.8m/s^2。以后﹐比較準(zhǔn)確地測(cè)定重力加速度的方法是利用擺儀。

荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出了數(shù)學(xué)擺和物理擺的理論，并研制出第一架擺鐘。此后的200多年間，測(cè)定重力的唯一工具就是擺鐘。

法國(guó)天文學(xué)家里歇1672年在利用擺鐘從巴黎到南美進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)重力加速度在各地并非恒值。

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

1687年，牛頓根據(jù)開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出萬有引力定律，這一定律是重力學(xué)最重要的基本定律。

由于萬有引力和離心運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，牛頓認(rèn)為地球形狀是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢球體，指出了地球呈兩極扁平的特征和重力是由赤道向兩極增大的規(guī)律，從而解釋了里歇的觀測(cè)事實(shí)。

1735-45年，法國(guó)科學(xué)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(guān)系，包括重力隨高度和緯度的變化規(guī)律，并計(jì)算出水平引力及地球的密度等。

19世紀(jì)末葉﹐匈牙利物理學(xué)家厄缶﹐L.von研制成適用于野外作業(yè)的扭秤﹐在匈牙利進(jìn)行了持續(xù)的扭秤觀測(cè)，結(jié)果表明扭秤可以反映地下區(qū)域的密度變化。在應(yīng)用地球物理方法勘探石油之初就是使用扭秤。使重力測(cè)量有可能用于地質(zhì)勘探。

1934年拉科斯特研制出了高精度的金屬?gòu)椈芍亓x，沃登研制了石英彈簧重力儀，這類儀器的測(cè)量精度約達(dá)0.05-0.2mGal；一個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均觀測(cè)時(shí)間己縮短到10-30分鐘，到1939年，這類重力儀完全取代了扭秤。

在20世紀(jì)30年代﹐由于重力儀的研制成功﹐重力勘探獲得了廣泛應(yīng)用﹐并且發(fā)展了海洋﹑航空和井中重力測(cè)量。

重力場(chǎng)地球的重力場(chǎng)可分為正常重力場(chǎng)、重力隨時(shí)間的變化及重力異常三部分。 對(duì)重力勘探而言，第一種因素屬于干擾，應(yīng)予消除。第三種影響很小，除高精度重力測(cè)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。1

正常重力場(chǎng)地球的形狀實(shí)際上并不規(guī)則，為了計(jì)算正常重力值，我們選擇一個(gè)內(nèi)部物質(zhì)呈均勻同心層分布，且與大地水準(zhǔn)面偏差最小的旋轉(zhuǎn)橢球體作為地球的形狀，這個(gè)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.。1

重力場(chǎng)隨時(shí)間的變化包括長(zhǎng)期變化和短期變化兩類。長(zhǎng)期變化主要與地殼內(nèi)部的物質(zhì)變動(dòng)，如巖漿活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。短期變化是指重力的日變，它與太陽(yáng)、月亮和地球之間的相互位置有關(guān)。地球并非剛體，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(zhǔn)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(yīng)。1

重力異常將地面上某點(diǎn)的重力觀測(cè)值與該點(diǎn)的正常重力值比較，我們發(fā)現(xiàn)兩者之間總是存在一些偏差，原因有以下幾個(gè)方面：重力觀測(cè)是在地球表面而不是在水準(zhǔn)面上進(jìn)行的，自然表面與水準(zhǔn)面間的物質(zhì)及觀測(cè)點(diǎn)間的高度會(huì)引起重力的變化。地殼內(nèi)部物質(zhì)不是呈同心層分布的，地殼內(nèi)物質(zhì)密度的不均勻分布，會(huì)造成實(shí)測(cè)值與正常值得差異。地球內(nèi)部物質(zhì)的變動(dòng)及重力日變也會(huì)引起重力場(chǎng)的變化。1

重力改正觀測(cè)重力值除反映地下密度分布外﹐還與地球形狀﹑ 測(cè)點(diǎn)高度和地形不規(guī)則有關(guān)。因此﹐在作地質(zhì)解釋之前必須對(duì)觀測(cè)重力值作相應(yīng)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(cè)重力值減去正常重力值再經(jīng)過相應(yīng)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)。在重力勘探中主要應(yīng)用布格異常。為研究地殼均衡﹐地殼運(yùn)動(dòng)和地殼結(jié)構(gòu)也需要應(yīng)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。1

重力儀用于測(cè)量某點(diǎn)絕對(duì)重力值的儀器稱為絕對(duì)重力儀。用來測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間重力差值的儀器稱為相對(duì)重力儀。絕對(duì)重力測(cè)量通常是利用振擺的自由擺動(dòng)或自由落體的降落運(yùn)動(dòng)來計(jì)算重力加速度。絕對(duì)重力儀制造復(fù)雜，精度要求高，故而設(shè)備笨重，一般500kg左右，觀測(cè)時(shí)間一般1—2天，儀器安裝及觀測(cè)條件要求較高，所以只能在少量點(diǎn)上進(jìn)行。我國(guó)于1979年試制成功絕對(duì)重力儀，接近世界先進(jìn)水平。大量的重力測(cè)量工作是相對(duì)重力測(cè)量，這種測(cè)量的儀器要求重量輕，體積小，精度高，便于野外工作。當(dāng)前進(jìn)行相對(duì)測(cè)量的重力儀有兩種結(jié)構(gòu)。一種為石英彈簧重力儀，其型號(hào)有加拿大生產(chǎn)的CG-2，美制渥爾登（Worden），國(guó)產(chǎn)ZSM-Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型Z-400型重力儀。另一種為金屬?gòu)椈芍亓x，美制Lacoste-RomgD.G型重力儀。1

工作方法根據(jù)地質(zhì)任務(wù)的不同，重力勘探可分為預(yù)查、普查、詳查和細(xì)測(cè)四個(gè)階段。
預(yù)查是在重力勘探空白區(qū)進(jìn)行的大面積小比例尺測(cè)量，以便在短期內(nèi)獲得有關(guān)大地構(gòu)造輪廓的資料。普查是在有進(jìn)一步工作價(jià)值的地區(qū)開展的調(diào)查，用以了解區(qū)域構(gòu)造特征、圈定巖體范圍和指示成礦遠(yuǎn)景區(qū)等。詳查是在成礦遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行的重力測(cè)量，通過對(duì)異常規(guī)律和特點(diǎn)的詳細(xì)研究，尋找局部構(gòu)造或巖、礦體。細(xì)測(cè)是在已發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造或成礦有利的巖體上進(jìn)行的精細(xì)測(cè)量，目的在于確定地層或巖、礦體的產(chǎn)狀特征。

不同階段的地質(zhì)目標(biāo)不同，相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)及精度要求也不同。測(cè)量精度以能反映探測(cè)對(duì)象引起的最小異常為準(zhǔn)則，一般以探測(cè)對(duì)象引起的最大異常的1/3-1/4為宜。
比例尺及測(cè)網(wǎng)應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)、探測(cè)對(duì)象的規(guī)模及異常特征而定。測(cè)線應(yīng)垂直于探測(cè)對(duì)象的走向。2

處理和解釋處理野外獲得的重力數(shù)據(jù)要作進(jìn)一步處理和解釋才能解決所提出的地質(zhì)任務(wù)﹐主要分3個(gè)階段﹕野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理﹐并繪制各種重力異常圖﹔重力異常的分解(應(yīng)用平均法﹑場(chǎng)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(zhì)問題的異常﹔確定異常體的性質(zhì)﹑形狀﹑產(chǎn)狀及其他特征參數(shù)。2

解釋解釋分為定性的和定量的兩個(gè)內(nèi)容﹐定性解釋是根據(jù)重力圖并與地質(zhì)資料對(duì)比﹐初步查明重力異常性質(zhì)和獲得有關(guān)異常源的信息。除某些構(gòu)造外﹐對(duì)一般地質(zhì)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巖比較存在剩馀質(zhì)量﹔反之﹐極小異常是由質(zhì)量虧損引起的?？拷|(zhì)量重心﹐在地表投影處將觀測(cè)到最大異常。最大的水平梯度異常相應(yīng)于激發(fā)體的邊界。延伸異常相應(yīng)于延伸的異常體﹐而等軸異常相應(yīng)于等軸物體在地表的投影。對(duì)稱異常曲線說明質(zhì)量相對(duì)于通過極值點(diǎn)的垂直平面是對(duì)稱分布的﹔反之﹐非對(duì)稱曲線是由于質(zhì)量非對(duì)稱分布引起的。在平面上出現(xiàn)幾個(gè)極值的復(fù)雜異常輪廓﹐表明存在幾個(gè)非常接近的激發(fā)體。定量解釋是根據(jù)異常場(chǎng)求激發(fā)體的產(chǎn)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(jì)算的重力異常與觀測(cè)重力異常間的偏差小于要求的誤差。由于重力反演存在多解性﹐因此﹐必須依靠研究地區(qū)的地質(zhì)﹑鉆井﹑巖石密度和其他物探資料來減少反演的多解性。2

應(yīng)用重力勘探所觀測(cè)、研究的是天然的地球重力場(chǎng)，由于地表附近直至地球深處都存在著物質(zhì)密度分布的不均勻，所以重力勘探相對(duì)來說具有較為經(jīng)濟(jì)和勘探深度大兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
隨著重力儀勘探精度的提高，已在城市工程環(huán)境等領(lǐng)域嶄露頭角，隨著方法技術(shù)的發(fā)展和不斷完善、儀器精度的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)等，重力勘探在地球深部構(gòu)造研究、石油與煤田的普查、固體礦產(chǎn)資源開發(fā)、水文等多方面發(fā)揮著越來越重要的作用。
重力勘探除地面重力測(cè)量外，還有海洋重力、航空重力、井中重力和衛(wèi)星重力測(cè)量。近二十年，航空重力和衛(wèi)星重力測(cè)量得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，海洋衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)換算的重力異常已經(jīng)達(dá)到了原先1：100萬重力測(cè)量的精度。

重力勘探解決以下任務(wù)﹕

1、研究地殼深部構(gòu)造﹔研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造﹐劃分成礦遠(yuǎn)景區(qū)﹔

2、掩蓋區(qū)的地質(zhì)填圖﹐包括圈定斷裂﹑斷塊構(gòu)造﹑侵入體等﹔

3、廣泛用于普查與勘探可燃性礦床(石油﹑天然氣﹑煤)﹐

4、查明區(qū)域構(gòu)造﹐確定基底起伏﹐發(fā)現(xiàn)鹽丘﹑背斜等局部構(gòu)造﹔

5、普查與勘探金屬礦床(鐵﹑鉻﹑銅﹑多金屬及其他)﹐主要用于查明與成礦有關(guān)的構(gòu)造和巖體﹐進(jìn)行間接找礦﹔

6、也常用于尋找大的﹑近地表的高密度礦體﹐并計(jì)算礦體的儲(chǔ)量﹔工程地質(zhì)調(diào)查﹐如探測(cè)巖溶﹐追索斷裂破碎帶等。2