地球物理重力法

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1、重力勘探,参考教程：应用地球物理学教程重力 磁法 罗孝宽 郭绍雍 编 地质出版社 1991年,任课教师：张聿文 联系方式：zyw 13693266118,引言,重力勘探的由来 前身是重力测量学，经历了两次飞跃： 1、古希腊-亚里士多德 16世纪-伽利略 2、Richer 牛顿、惠更斯-地球是旋转的扁球体-从理论上阐明了地球重力场的基本规律。 重力勘探始于上世纪初，厄缶扭秤找盐丘,重力方面的应用,震中距,左图是横切阿尔卑斯的地形剖面与重力异常对比图，可以看出布格异常与地形呈镜像对称。,重力方面的应用,震中距,寻找地热,第一章 重力勘探,什么是重力勘探？ 重力学是研究地球重力场的时空分布规律及其测

2、量方法的科学。它是地球物理学的一个重要分支，在大地测量、地质学和空间科学中都有广泛的应用。重力现象应用于矿产资源勘查，就是重力勘探。 重力勘探的依据：根据地下岩石密度的差异。,本章内容,第一节 地球重力场及其基本理论 第二节 重力测量与资料处理 第三节 均衡理论与均衡异常 第四节 重力资料的处理与解释 第五节 重力勘探的应用,第一节 地球重力场及其基本理论,第一节 地球重力场及其基本理论,一、地球重力场与重力位 （一）地球重力场 地球是一个具有一定质量、两极半径略小于赤道半径且按照一定角速度旋转的椭球体。若忽略日、月等天体对地面物质的微弱吸引作用,则在地球表面及其附近空间的一切物体都要同时受到

3、两种力的作用：一是地球的吸引力，二是地球自转而引起的惯性离心力。此二力的矢量和就是重力。,（一）地球重力场,存在重力作用的空间称为重力场。,根据万有引力定律，地球对质量为m的物体的引力为：,（一）地球重力场,（一）地球重力场,（二）重力位,引入重力位，简化计算，三个分量一个位函数。,（二）重力位,（二）重力位,（二）重力位,第一节 地球重力场及其基本理论,二、地球椭球体与正常重力公式 地球形状是指大地水准面的形状，它是一个重力等位面。大地水准面在海洋上是平均海平面，在陆地上是用这个平均海平面延伸到大陆内部所形成的包围曲面。大地水准面不是一个光滑平面。见图。,二、地球椭球体与正常重力公式,对于大

4、地水准面这样一个复杂的平面，应用很不方便，因此有必要用一个形状比较规则的几何体来代替实际地球。这种按一定条件选择的最接近真实地球形状的理想几何体，称为正常地球，它是一个旋转椭球。 选择地球椭球的条件是：,二、地球椭球体与正常重力公式,（1）椭球体表面为重力等位面。 （2）椭球体表面与大地水准面十分接近。 （3）它的质量等于地球的总质量，两者的质心重合。 （4）旋转轴与实际地球的旋转轴重合，两种角速度相等。 这样一个旋转椭球体所产生的重力场称为正常重力场，在椭球表面重力场的数学表达式称为正常重力公式。,二、地球椭球体与正常重力公式,地球正常重力场随纬度变化的一般形式为：,二、地球椭球体与正常重力

5、公式,目前各国选用的椭球不一样，对于不同的参考椭球，正常重力公式就不同，其差别在于椭球体参数的选用。,结论：地球上各点的实测重力值一般不相等。 重力值只与纬度有关，与经度无关。 赤道处最小，两极处最大。,什么是重力异常？,前面讨论地球的正常重力，目的是为了从引起重力变化的多种因素中，消除正常重力变化的部分，从而获得与围岩密度不同的地质体所引起的重力变化。,在重力勘探中，将由于地下岩石、矿物密度分布不均匀所引起的重力变化称为重力异常该点实测值减正常值,造成重力异常的主要原因有：,1、地球的自然表面并不像大地水准面那样光滑，而是起伏不平的； 2、地球内部介质密度分布不均匀。这种密度的不均匀性有一部

6、分是地质构造和矿产引起的。 所以这类异常是重力勘探所要研究的主要内容。,三、由重力测量确定大地水准面形状,由于受到地球上部物质密度的变化以及地球表面的影响，使大地水准面通常不与旋转椭球面重合，而是形成了在旋转椭球面附近起伏波动的复杂曲面。 因此，大地水准面的形状可以由它与椭球体面的起伏高度来研究。,（一）根据重力异常计算大地水准面的波动,重力异常是大地水准面上的重力值 和平均椭球体面上相应点的正常重力值 之间的差值。,但是，根据重力测量方法来研究全球重力场分布是一件困难的事，因为地面上很多区域没有进行过重力测量。,（二）利用人造地球卫星轨道测定大地水准面,假定地球是一个均质圆球，人造地球卫星质

7、量很小，可以忽略，又假设卫星在真空中运行，其轨道就是一个椭圆。该轨道称正常轨道。它有8个参数：升交点、升交点赤径、轨道倾角、近地点、近地点角距、真近点角、偏近点角、平近点角。 理想情况下，人造卫星的正常轨道可用开普勒三定律来描述。1、轨道是椭圆。2、相等的时间内，扫过的面积相等。3、周期的平方与卫星轨道椭圆长轴的立方成正比。,（二）利用人造地球卫星轨道测定大地水准面,通过求解理想情况下的卫星运动方程，可以求出轨道长半轴、偏心率等6个参数，就可以确定某一瞬间卫星的空间位置和速度。 利用人造卫星测定地球的重力场，不是把重力仪放在卫星上（重力仪无法工作），因为轨道受重力场影响，通过地面观测站观测卫星

8、，求出轨道参数，利用这些参数去推算地球的重力场分布。,（二）利用人造地球卫星轨道测定大地水准面,实际上地球不是理想圆球，卫星轨道也就不符合开普勒三定律，不是理想的椭圆。这种受干扰的现象称为摄动。其轨道也可用上述6个参数表示，不是常数，是时间的函数。通过这些参数可以求出地球的重力场。进而研究大地水准面的变化。 书中图3-9是1969年King-Hele等人根据卫星资料计算的大地水准面形状，南北半球不对称，呈梨形。,四、地球内部的重力场,地球上的重力是地球质量的引力和离心力的矢量和。由于离心力远小于引力，故可忽略。因此，地球内部的重力可以简单的看作是引力。 如果把地球看成是一个由均质同心球层组成的

9、球体，则地球内部某深度的重力可以近似地看作所在深度以下的地球质量的引力。 下图是地球内部质量的分布。,一、决定岩(矿)石密度的主要因素 决定岩石密度大小的主要因素是： 1岩石中各种矿物成分及其含量的多少； 2岩石中的孔隙度大小及孔隙中的充填 物多少 3岩石所受压力的大小。,五、 岩(矿)石的密度,火成岩的密度 基本规律：从酸性岩向基性岩过渡时，其密度逐渐增大。 同一种侵入岩体，周围偏基性，向中心逐渐为偏酸性，密度变小。 同类侵入岩体，不同时期侵入，其矿物成分相同，但因含量有所变化时密度不同。 同源岩浆，成分一样，但成岩环境不同时，可形成不同的矿物和岩石，密度亦不同。,沉积岩的密度 沉积岩具有不

10、同的孔隙度，密度往往有较大的变化范围。 一般，近地表的沉积岩孔隙度较大，则密度较小，随着埋深增加孔隙度相应减小，密度增大。 同一成分的沉积岩，时代较老的沉积岩要比时代新的同类岩石的密度要大些。 同一时代同类岩性的沉积岩，由于地质作用条件不同，盆地边缘密度大，向盆地中心密度逐渐减小。,变质岩的密度 其密度与矿物的成分、含量和孔隙度均有密切关系，这主要由变质性质和变质程度大小决定。 一般区域变质作用的结果，使变质岩的密度比原岩的密度增大 。 动力变质作用使原岩结构遭破坏，矿物被压碎，其密度比原岩密度低。但有时动力变质作用使原岩发生硅化、碳酸盐化以及重结晶，则密度会比原岩大些。,二、岩(矿)石标本密

11、度的测定 岩、矿石标本的采集 1系统地采集不同构造单元及不同岩性 的标本； 2浅部、深部都要采集； 3每类标本的数量一般为10一50块，每 块标本重量一般在100-200g左右； 4对所采集的标本登记，编号，并注明 地点、名称、地质年代及深度等； 5考虑其它物性参数测定的要求,标本密度测定方法 天平测定法 标本质量用m表示，体积为V，其密度: =m/V,本章内容,第一节 地球重力场及其基本理论 第二节 重力观测与资料整理 补充： 均衡理论与均衡异常 第三节 重力资料的分析与解释 第四节 重力勘探的应用,第二节 重力观测与资料整理,第二节 重力测量与资料整理,一、重力测量 （一）重力测量的形式

12、重力测量可以分为绝对测量和相对测量。 绝对重力测量就是测量各点的绝对重力加速度的值。地面上其值的范围是9.789.832m/s2。 相对重力测量测的是各点相对某一重力基准点的重力差。它比绝对重力测量容易且精度高。 若已知基准点的重力值，就可以求得其它点上的重力值。相对重力测量是现代重力测量的主要形式。,第二节 重力观测与资料整理,一、重力测量 （一）重力测量的形式 重力测量的方法：动力法和静力法。 动力法可以通过自由落体测定时间和路程求得。 静力法是相对重力测量的基本方法。测定的量是物质平衡位置因重力变化而产生的角位移和线位移。所用的仪器是重力仪。,一、重力测量,（二）重力仪 1、绝对重力仪,

13、最早的绝对重力仪是摆，后来，自由下落法和上抛法重力仪。精度可达106Gal。 测量的基本原理：,摆：,自由下落法：,一、重力测量,（二）重力仪 1、绝对重力仪,FG5型绝对重力仪（采用激光干涉系统）迈克尔逊干涉仪 在自由下落的过程中光程差不断改变，在空间叠加，形成明暗交替的干涉条纹，记录干涉条纹数，下落距离： S=N/2 ,N干涉条纹数， 激光波长,2 相对重力测量仪器 按制作弹性系统的材料不同，可分为石英弹簧和金属弹簧重力仪。 （1） 工作原理 一个恒定的质量在重力场内的重量随g值变化而变化，如果用另外一种力或力矩（弹力，电磁力等）来平衡这种重力(即重量)或重力矩的变化，则通过对该物体平衡状

14、态的观测，就有可能测量出两点间的重力差值。,按物体受力变化而产生位移方式的不同，重力仪可分为平移式系统和旋转式系统两大类。日常生活中使用的弹簧秤从原理上说就是一种平移式重力仪。若设弹簧的原始长度为S0，弹力系数为k，挂上质量为m的物体后，其重量mg与弹簧形变产生的弹力大小相等(方向相反)时，重物处在某一平衡位置上，其平衡方程式为： 由胡克定律： mg=k(SS0),如果将该系统分别置于重力值为g1和g2的两点上，则弹簧的伸长量不同，设对应的长度为S1和S2，可得同上式一样的两个方程式 mg1=k(S1S0) mg2=k(S2S0) 将它们相减便有： g=(g2-g1)=k (s2-s1) /m

15、=C * s 如果是旋转方式： g= C * ,(2)重力仪构造上的基本要求 不同类型重力仪的构造虽然差别甚大，但任何一台重力仪都有两个最基本的部分： 静力平衡系统灵敏系统（心脏） 测读机构观察平衡体的移动情况和 测量重力变化的部分 灵敏系统，必须具有较高的灵敏度以便感受出微小的重力变化 测读机构，应具备足够大的放大能力，测量重力变化的范围较大，读数与重力变化间的换算要简单。,读数方法：直读法和补偿法,零点读数法(补偿法)，它的含意是：选取平衡体的某一平衡位置作为测量重力变化的起始位置(即零点位置)，重力变化后，第一步是通过放大装置观察平衡体对零点位置的偏离情况，第二步用另外的力去补偿重力的变

16、化，即通过测微装置再将平衡体又调回到零点位置，通过测微器上读数的变化来记录重力的变化。,采用这种读数法，其优点有： 扩大了直接测量范围，减小仪器的体积以相同的灵敏度在各点施测。 读数换算较易于实现线性化等。,3 仪器测量精度的影响因素及消除措施 与灵敏度相比，精度是一个更复杂的问题 (1)温度影响 温度变化会使重力仪各部件热胀冷缩，各着力点间相对位置发生变化，弹簧的弹力系数和空气的密度(与平衡体所受浮力有关)也是温度的函数。以石英弹簧为例，它的弹性温度系数约为120106，即温度变化1C时，相当于重力变化了1200gu。因此，克服温度变化的影响是提高重力仪精度的重要保证。,为消除这一影响，采用： (1)研制与选用受温度变化影响小的材料作仪器的弹性元件； (2)附加自动温度补偿装置； (3)采用电热恒温，使仪器内部温度基本保持不变。,(2)安置状态不一致的影响 由于重力仪在各测点上安置得不可能完全一样，因而摆杆与重力的交角就不会一致，从而使测量结果不仅