重力勘探及其应用

【前言】重力勘探及其应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。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...

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，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。

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、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。

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0～4000 m，纵向为Z方向，坐标范围为1～1000 m，Y方向的坐标范围为0～2000 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。

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.