(精品)重力勘探(第三章).ppt

第一篇 重力勘探Gravitational Prospecting 前言前言 第一章第一章 地球重力场地球重力场 第二章第二章 岩（矿）石的密度岩（矿）石的密度 第三章第三章 重力仪与测量方法重力仪与测量方法 第四章第四章 资料整理与处理资料整理与处理 第五章第五章 重力异常的正演与反演重力异常的正演与反演 第六章第六章 重力异常的地质解释与应用重力异常的地质解释与应用第三章第三章 重力仪与测量方法重力仪与测量方法第一节第一节 重力测量仪器重力测量仪器二、重力测量原理1、绝对重力测量仪 当前国际上研制的测定绝对重力值的仪器.其原理都是根据自由落体定律，具体又可分为自由下落法和对称自由运动法(又称上抛法)。1）自由下落法绝对重力仪 在任意时刻 t 自由落体的运动方程式为 式中：2）上抛法绝对重力仪 设在铅垂方向上有两个位置A和B,AB间距离为H。物体上抛至A位置的时刻为t1，速度为v1;至B位置的时刻为t2，速度为v2;到达最高点C时速度为零。然后下落至B点的时刻t3，速度仍是v2;下落至A点的时间为t4，速度仍是v1。若该物体仅受重力作用，则由能量守恒定律可得:因为在上抛、下落运动中，物体上下经过对称位置时的速度是相等的，所以有l由于上抛和下落时经过同一点的速度相同，所以落体受到残存空气阻尼和记时误差影响相似，从而能很好地消除这两种误差的系统性影响。2.相对重力测量仪 目前应用较普遍的重力仪多利用一种力来平衡重力，然后再用适当的方法来测量平衡力的变化以确定重力变化。它们的构造原理基本上是相同的。如气压重力仪用气压变化平衡重力变化；弹簧重力仪则用弹簧的弹力来平衡重力。它们大都是质盘旋转型，均是利用弹力矩平衡重力矩原理来测量重力变化。这些仪器统称静力重力仪。静力重力仪又分为两大类型：直线型和助动型。AB为主弹簧，其弹力系数为K，原始长度为S0，受力后的长度为S，转轴O至主弹簧中轴线垂直距离为D;平衡体质心至O的长度为L，支杆OB长度为r。m为摆杆、支杆及重荷的总质量。以O为坐标原点，取摆杆在水平位置上方角时的位置作零点位置，并设由O至此时主弹簧下端点B的连线为X轴正方向，纵轴垂直X轴向上。为减轻主弹簧负担，事先给扭力系数为的扭丝加的预扭角为 。在重力作用下(图中系重力减小的情况)，设摆杆静止的平衡位置与零点位置夹角为 ，则整个系统对转轴O产生的力矩分别为(取顺时针方向为正)上式表明，当平衡位置、零点位置都取在水平位置时，仪器的平衡状态仅与主弹簧上端点的z坐标有关，当重力变化时可以通过调节主弹簧上端点z坐标来使仪器重新回到水平位置。z的改变是通过读数装置来完成,并可换算出重力的改变量。l影响重力仪精度的因素1.温度影响2.气压影响3.电磁力影响4.安置状态不一致的影响5.零点漂移第二节第二节 重力勘探工作方法重力勘探工作方法一、重力测量的工作任务1、区域重力调查2、能源重力勘探3、矿产重力勘探4、水文及工程重力测量5、天然地震重力测量l区域重力调查 区域重力调查是国土资源区域地质调查基础工作的一个组成部分，一般可以在下列几方面发挥重要作用。1）研究地球深部构造。例如地壳厚度的变化(莫霍间断面的起伏)，深大断裂的可能部位及 延伸情况，上地慢密度的不均匀性以及研究地壳的均衡状态等。2）研究大地及区域地质构造，划分构造单元;研究结晶基底的起伏及其内部成分和构造;圈定沉积盆地范围，以及研究沉积岩系各密度界面的起伏和内部构造。3）探测、圈定与围岩有明显密度差异的隐伏岩体或岩层，追索两侧岩石密度有明显差异的断裂，进行覆盖区的基岩地质、构造填图。4）根据区域地质、构造及矿产分布规律，为划分成矿远景区提供重力场信息。区域重力调查的结果还对地球形状的研究，为导弹、宇航器飞行提供极为重要的基础资料。l能源重力勘探 重力测量可以在沉积覆盖区快速、经济地圈出对寻找石油、天然气或煤有远景的盆地;在圈定的盆地内研究沉积层的厚度及内部构造，寻找有利于储存油气或煤的各种局部构造，条件有利时可以研究非构造油气藏(如岩性变化、地层的推覆、古潜山及生物礁块储油构造等)，并直接探测与储油气层有关的低密度体。l矿产重力勘探 矿产重力测量包括金属及非金属矿产的重力测量。它多与其他的物探方法配合，圈定成矿带;在条件有利时，可以探测并描述控矿构造，或圈定成矿岩体;或者直接发现埋藏较浅、体积较大的矿体或对已知矿体进行追踪等。l水文及工程重力测量 在水文及工程地质方面，重力法的主要任务是:研究浮土下基岩面的起伏和有无隐伏断裂、空洞，以确保厂房或大坝等工程的安全;寻找水源，如利于储水的地下溶洞、破碎带、地下河道等;危岩、滑坡体的监测;地面沉降研究;在地热田的勘测开发过程中，发现热源岩体，监测地下水的升降以及水蒸气的补给情况，以便合理、持久地开发地热田等。l天然地震重力测量 天然地震重力测量可分为台站重力测量和流动重力测量两种形式。其主要任务是研究重力场在台站点上或在某一地震活动带、沿一条测线或一块面积的重力随时间的变化。在台站上的观测结果是临震预报的依据之一;在固定测点之间进行的流动重力观测结果是中长期预报的依据之一。二、重力测量的技术设计 1.工作比例尺的确定l 在区域重力调查中，基本比例尺有1:I00万、1:50万、1:20万和1：10万四种。前两种主要用于重力调查空白区，用以研究区域构造和地壳深部构造;后两种主要用于能源普查或经区域调查确定的成矿远景区。为了对沉积盆地进行较深入的研究，如研究基底断裂分布、寻找古潜山等局部构造，可采用1:5万或1：2.5万的比例尺。l 在金属矿、非金属矿区，至少应有一条测线穿过该异常，所以线距应不大于该异常的长度;在工作成果图上，线距一般应等于一厘米所代表的长度，允许变动范围为20%，据此就可以定下比例尺。点距应保证至少有2 3个测点处在矿体异常的宽度范围内，一般为线距的l/21/10。关于测网的形状，在小比例尺测量中，没有严格要求，可以沿一些交通路线布置，并使测点均匀分布全区，在图上每平方厘米内能有0.53个测点。在详查或更大比例尺测量中，则要建立比较规则的测网。对于走向不明或近于等轴状的勘探对象，宜采用方形网，即点线距相等;对于在地表投影有明显走向的勘探对象，应用矩形网，测线方向与其走向垂直。l重力测量方式路线测量：一般用于概查或普查阶段，重力测点是沿交通方便的道路布 置，测点大致均匀分布，线距没有严格要求。剖面测量：多用于详查或专门性测量，剖面线方向应垂直地质体走向，并尽可能通过地质体在地面投影的中心部位，测点不能偏离剖面线，在正常值区点距可大些。面积测量：是重力测量的基本形式，它可以提供工区内重力异常的全貌。l重力测量的有利条件1）作为研究对象的地质体与其围岩之间有明显的密度差，而在围岩内部没有明显的密度变化。2）两种不同密度的岩层.其接触面称为密度分界面。作为研究对象的地质构造，与上覆或(和)下伏地层的密度分界面的深度有显著的变化，而其界面深度又不太深。3）在工区内非研究对象引起的重力变化小，或通过校正能给以消除。4）地表地形平坦或较为平坦。三三.仪器的检查与标定仪器的检查与标定 在进行野外施工前和施工过程中，为确保取得合格的在进行野外施工前和施工过程中，为确保取得合格的测量数据，要定期对使用的重力仪进行认真检查和调校，测量数据，要定期对使用的重力仪进行认真检查和调校，对于仪器的性能应进行试验和分析。所有检查、调校与对于仪器的性能应进行试验和分析。所有检查、调校与试验的资料是生产成果的一个组成部分而存档。试验的资料是生产成果的一个组成部分而存档。仪器的检查与调校项目包括：仪器的检查与调校项目包括：测程、面板位置、水准器位置、亮线灵敏度等。测程、面板位置、水准器位置、亮线灵敏度等。仪器性能的试验包括：仪器性能的试验包括：静态试验、动态试验和一致性试验。静态试验、动态试验和一致性试验。仪器的标定：仪器的标定：一般指仪器格值标定，特殊情况下还要进行温度一般指仪器格值标定，特殊情况下还要进行温度 系数，气压系数和磁性系数的标定。系数，气压系数和磁性系数的标定。（一）重力仪的静态试验（一）重力仪的静态试验 将仪器置无振动、温度变化小的室内，每隔将仪器置无振动、温度变化小的室内，每隔2030分钟观测一次，同时记录室内温度，连续进分钟观测一次，同时记录室内温度，连续进行行24小时以上的观测。这种试验的目的是为了解仪小时以上的观测。这种试验的目的是为了解仪器静态器静态零点漂移零点漂移是否呈线性变化，受是否呈线性变化，受重力日变重力日变、气气温变化温变化的影响大小或在的影响大小或在抽气前后读数的变化和稳定抽气前后读数的变化和稳定性性等。等。对于弹性系统有夹固装置的重力仪，进行静态对于弹性系统有夹固装置的重力仪，进行静态试验时，一般都不用夹固，使弹性系统在试验时间试验时，一般都不用夹固，使弹性系统在试验时间内保持松弛静力平衡状态。内保持松弛静力平衡状态。分别绘出读数与时间和温度的变化关系曲线。分别绘出读数与时间和温度的变化关系曲线。此结果可进行固体潮校正，绘制静态此结果可进行固体潮校正，绘制静态零点漂移曲线零点漂移曲线进行仪器零点位移特征评价。进行仪器零点位移特征评价。（二）重力仪的动态试验（二）重力仪的动态试验 通过此项试验，可以进行通过此项试验，可以进行固体潮校正；固体潮校正；了解仪器动态了解仪器动态混合零点漂移混合零点漂移（仪器零点位移，重力（仪器零点位移，重力日变，温度变化对读数的影响）的速率；日变，温度变化对读数的影响）的速率；动态观动态观测下达到的可能精度；测下达到的可能精度；由零点位移的线性时间段，由零点位移的线性时间段，确定最佳工作时间范围和确定最大线性时间间隔。确定最佳工作时间范围和确定最大线性时间间隔。动态试验是在接近野外施工条件下进行，选动态试验是在接近野外施工条件下进行，选取具有一定重力差（取具有一定重力差（310-5m/s2）的两个点）的两个点(或多或多个点个点)，采用与施工相同的运输方式，以多次重复，采用与施工相同的运输方式，以多次重复观测的方法进行。两点间单程观测时间间隔约观测的方法进行。两点间单程观测时间间隔约1015分钟，同时记录气温。试验时间应超出开工分钟，同时记录气温。试验时间应超出开工前和收工后各一小时，并不少于前和收工后各一小时，并不少于10小时。小时。观测结果经重力固体潮改正后得到重力仪观测结果经重力固体潮改正后得到重力仪动态混合零动态混合零漂曲线漂曲线。动态观测精度按下式计算。动态观测精度按下式计算式中：式中：Vi为各边段上单个独立增量与该边各独立增量为各边段上单个独立增量与该边各独立增量平均值的差，平均值的差，m为独立增量总个数，为独立增量总个数，n为边段数，当仅为边段数，当仅有两个点时，有两个点时，n=1。动态精度的均方误差不能大于观。动态精度的均方误差不能大于观测精度要求的测精度要求的12。否则认为仪器性能不满足施工要。否则认为仪器性能不满足施工要求。求。由动态混合零漂曲线的斜率及其变化，可以确定由动态混合零漂曲线的斜率及其变化，可以确定仪器混合零漂的速率及其变化范围，以及受外界气温仪器混合零漂的速率及其变化范围，以及受外界气温变化影响程度如何。变化影响程度如何。所谓最佳工作时间选择，是指仪器的零漂曲线比所谓最佳工作时间选择，是指仪器的零漂曲线比较平缓或基本是线性变化，并且速率不超过技术要求较平缓或基本是线性变化，并且速率不超过技术要求所对应的时间范围。所对应的时间范围。最大线性时间间隔，是指在该时间间隔内，首尾最大线性时间间隔，是指在该时间间隔内，首尾时刻曲线上的两个点的连线与零漂曲线在纵向上最大时刻曲线上的两个点的连线与零漂曲线在纵向上最大的偏差不超过设计中规定的重力仪观测均方误差。同的偏差不超过设计中规定的重力仪观测均方误差。同时这一时间间隔内上述要求在整条曲线的时间范围内时这一时间间隔内上述要求在整条曲线的时间范围内有有90以上得到满足。以上得到满足。有了最大线性时间间隔，结合工区内的交通条件有了最大线性时间间隔，结合工区内的交通条件及工作效率等，可以确定工区内较合理的基点网布置及工作效率等，可以确定工区内较合理的基点网布置密度。密度。（三）重力仪的一致性试验（三）重力仪的一致性试验 当需用几台仪器在工区工作时，应做此试验。选当需用几台仪器在工区工作时，应做此试验。选一些重力变化大的点用往返重复观测的方式进行。试一些重力变化大的点用往返重复观测的方式进行。试验结果仍用上式计算均方误差对其一致性进行评价。验结果仍用上式计算均方误差对其一致性进行评价。所不同的是公式中的符号含义，即：所不同的是公式中的符号含义，即：Vi表示某台表示某台仪器在某点上观测值与各台仪器在该点上观测平均值仪器在某点上观测值与各台仪器在该点上观测平均值的偏差；的偏差；m为各台仪器总的观测次数；为各台仪器总的观测次数；n为观测点数为观测点数减减1。计算应分别对各台仪器进行，若超出设计的计算应分别对各台仪器进行，若超出设计的基点基点观测精度要求观测精度要求的仪器，不能参加施工中的测量。的仪器，不能参加施工中的测量。(四四)重力仪格值的标定重力仪格值的标定 在开工前和野外收工时必须对仪器格值进行校在开工前和野外收工时必须对仪器格值进行校对，当施工中仪器受到强烈震动后也应进行校对。对，当施工中仪器受到强烈震动后也应进行校对。在野外工作中，一般要求由仪器格值测定误差给任在野外工作中，一般要求由仪器格值测定误差给任一闭合段内测点观测带来的最大误差不得超过设计一闭合段内测点观测带来的最大误差不得超过设计的重力观测均方误差。常用下列两种方法标定：的重力观测均方误差。常用下列两种方法标定：已知点法已知点法 在由国家建立的高精度的重力格值标定场的已在由国家建立的高精度的重力格值标定场的已知重力差的点上，用仪器在它们之间进行多次重复知重力差的点上，用仪器在它们之间进行多次重复观测，其独立增量数不少于观测，其独立增量数不少于6个，绘制出每个点上的个，绘制出每个点上的读数随时间变化曲线。读数随时间变化曲线。并在曲线上读取同一时刻不同点间的读数差，按下并在曲线上读取同一时刻不同点间的读数差，按下式计算格值：式计算格值：式中：式中：g为校准点校准点间已知已知重力差值，重力差值，独立增量独立增量的平均值。的平均值。测定结果用平均读数的相对均方误差来衡量格值测定精度，计算公式为 倾斜法倾斜法 这是利用重力仪在水平时与倾斜一个这是利用重力仪在水平时与倾斜一个角时所感角时所感受的重力作用不同来进行测定的，此时其重力差值为受的重力作用不同来进行测定的，此时其重力差值为仪器的格值为仪器的格值为 倾斜法是在室内进行的，与在格值标定场标定相倾斜法是在室内进行的，与在格值标定场标定相比，可以缩短标定时间。比，可以缩短标定时间。当仪器重新标定的格值与原来使用的格值相对变当仪器重新标定的格值与原来使用的格值相对变化大于二倍格值测定精度时，应使用新格值化大于二倍格值测定精度时，应使用新格值四四.基点网的布置与观测基点网的布置与观测 基点基点 用于校验重力仪野外工作状态，所设置的一用于校验重力仪野外工作状态，所设置的一些精度更高、重力值已知的控制点。重力普通点观测均些精度更高、重力值已知的控制点。重力普通点观测均应从基点开始，并终止于基点。应从基点开始，并终止于基点。基点网基点网 重力基点在观测区联成封闭的网络。重力基点在观测区联成封闭的网络。（一）基点、基点网的作用（一）基点、基点网的作用 控制重力普通点的观测精度，避免误差的积累控制重力普通点的观测精度，避免误差的积累,检查检查重力仪在某一段工作时间内的零点漂移，确定重力仪在某一段工作时间内的零点漂移，确定零点漂移零点漂移校正系数校正系数；推算全区重力测点上的相对重力值或绝对重力值，推算全区重力测点上的相对重力值或绝对重力值，重力异常的重力异常的起算点起算点。一般要求基点的精度比普通点的高出一般要求基点的精度比普通点的高出1倍以上。当测倍以上。当测区面积较大时，可建立二级基点网或三级基点网。建立区面积较大时，可建立二级基点网或三级基点网。建立两级基点网时，控制基点、辅助基点与普通点的精度之两级基点网时，控制基点、辅助基点与普通点的精度之比一般为：比一般为：1：1.5：3。（二）基点网的布置（二）基点网的布置 基点网的建立原则：基点网的建立原则：根据仪器的最大线性时间间隔和交通运输条件、观根据仪器的最大线性时间间隔和交通运输条件、观测时间长短来确定基点网的密度，使之均匀分布全区；测时间长短来确定基点网的密度，使之均匀分布全区；为保证基点网测量的精度，应用一台或多台精度高为保证基点网测量的精度，应用一台或多台精度高的仪器观测；采用快速的交通工具运送，观测路线应的仪器观测；采用快速的交通工具运送，观测路线应按闭合环路进行，环路中的首尾点必须联测；当需建按闭合环路进行，环路中的首尾点必须联测；当需建立多个环路时，每个环路中必须包含相邻环路中两个立多个环路时，每个环路中必须包含相邻环路中两个以上基点作为公共基点，以便最后对基点网进行平差；以上基点作为公共基点，以便最后对基点网进行平差；基点应布置在交通干线上，地物地貌标志明显，周基点应布置在交通干线上，地物地貌标志明显，周围无震源，稳固，并按规定统一编号和建立永久或半围无震源，稳固，并按规定统一编号和建立永久或半永久性标记。永久性标记。建立基点网的是为了建立基点网的是为了便于野外对重力仪性能的校准便于野外对重力仪性能的校准。（三）基点网上的观测方法（三）基点网上的观测方法 在基点网上观测方式的选择，是以能对观测数据进在基点网上观测方式的选择，是以能对观测数据进行可靠的零漂校正，能满足设计提出的精度要求为原则。行可靠的零漂校正，能满足设计提出的精度要求为原则。当所用的重力仪其零点漂移很小又近于线性时，可以单当所用的重力仪其零点漂移很小又近于线性时，可以单向循环重复或往返重复方式进行。否则，应采取多台仪向循环重复或往返重复方式进行。否则，应采取多台仪器多次重复观测方法。目前最常用的是三重小循环观测。器多次重复观测方法。目前最常用的是三重小循环观测。单向循环重复顺序：单向循环重复顺序：12 3 12 3 往返重复顺序：往返重复顺序：12 3 32 1 三重小循环顺序：三重小循环顺序：12 12 3 2 3 4 3 4 5 每台仪器的合格观测数据，于相邻两点间每台仪器的合格观测数据，于相邻两点间(一个边段一个边段)可得一个独立增量，按有关规定，基点网的每一边段上可得一个独立增量，按有关规定，基点网的每一边段上应有应有3个以上的独立增量才行。个以上的独立增量才行。基点网上的观测建立起各基点的相对重力差值，以便基点网上的观测建立起各基点的相对重力差值，以便全区全区重力异常统一归算到同一起算点上重力异常统一归算到同一起算点上。五五.普通点、检查点的布置与观测普通点、检查点的布置与观测（一）普通点的布置与观测（一）普通点的布置与观测 普通点是测区内为获得被测对象产生的重力异常普通点是测区内为获得被测对象产生的重力异常而布置的观测点，测网形状、点线距等均匀布设在全而布置的观测点，测网形状、点线距等均匀布设在全区。布点时若因地物、地形限制，测线或测点均允许区。布点时若因地物、地形限制，测线或测点均允许偏离，一般不得超过设计的点线距的偏离，一般不得超过设计的点线距的2040。在普通点上的观测，一般可采用单次观测，但都必在普通点上的观测，一般可采用单次观测，但都必须在规定时间内须在规定时间内(即最大线性时间间隔即最大线性时间间隔)起止于基点上。起止于基点上。如果测区很小不需建立基点网时，也至少设一个基点，如果测区很小不需建立基点网时，也至少设一个基点，以便按时测定重力仪的零点漂移，准确地对各观测点以便按时测定重力仪的零点漂移，准确地对各观测点进行零点校正。进行零点校正。同时，该基点也就是全区重力测量的起算点。同时，该基点也就是全区重力测量的起算点。（二）检查点的布置与观测（二）检查点的布置与观测 为了检查在普通点上重力观测的质量，需要抽取为了检查在普通点上重力观测的质量，需要抽取一定数量的点作检查观测。检查点的布设与观测应做一定数量的点作检查观测。检查点的布设与观测应做到：到：检查点的布置应在时间上与空间上都大致均匀，检查点的布置应在时间上与空间上都大致均匀，即每天的观测和每一条测线上的点都应受到检查；即每天的观测和每一条测线上的点都应受到检查；检查观测与初次观测时所用的仪器不同、操作人检查观测与初次观测时所用的仪器不同、操作人员不同、观测路线不同，检查观测不应集中于施工后员不同、观测路线不同，检查观测不应集中于施工后期统一进行，而应在平时的普通点观测工作之中穿插期统一进行，而应在平时的普通点观测工作之中穿插进行，以便及时发现问题而尽快解决；进行，以便及时发现问题而尽快解决；检查点应占普通点总数的检查点应占普通点总数的510，在大面积的，在大面积的区域调查中也应不少于区域调查中也应不少于3。六六.测地工作测地工作 为了重力测量的进行和对测量结果进行各项校正，为了重力测量的进行和对测量结果进行各项校正，需配合一定的测地工作。主要内容包括：需配合一定的测地工作。主要内容包括：1按照技术设计要求布设重力测网，提供在野外的重按照技术设计要求布设重力测网，提供在野外的重力测点；力测点；2确定重力测点的坐标，以便对重力测量结果进行正确定重力测点的坐标，以便对重力测量结果进行正常值校正和展点绘图；常值校正和展点绘图；3确定重力测点的高程确定重力测点的高程(绝对或相对绝对或相对)，以便对重力测，以便对重力测量结果进行高度校正和中间层校正；量结果进行高度校正和中间层校正；4当测区内地形起伏较大，地形影响不能忽略时，需当测区内地形起伏较大，地形影响不能忽略时，需作相应比例尺的近区地形测量。作相应比例尺的近区地形测量。由于各项内容的精度要求与地形图测绘并不一致，由于各项内容的精度要求与地形图测绘并不一致，因此应根据不同的重力技术设计要求按照当地的地形条因此应根据不同的重力技术设计要求按照当地的地形条件和测地工作成果的不同，分别采用不同的方法来完成。件和测地工作成果的不同，分别采用不同的方法来完成。l习题习题 1.哪些因素影响重力测量的观测精度?而哪些因素又影响重力异常的精度?2.重力基点的作用是什么?如何保证基点的精度高于普通点?3.野外工作中，普通点的观测为什么必须起于基点又终止于基点?为什么要在规定时间间隔内到达下一个基点?4.什么条件下重力测量才能有好的地质效果？