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

2、的时空分布规律及其测量方法 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

3、附近空 间的一切物体都要同时受到两种力的作用：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

4、。见图。 二、地球椭球体与正常重力公式 对于大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

5、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，

6、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

7、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

8、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，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

9、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。 地幔上部随深度增 加而增加，在 2900公里达到最 大值，然后逐渐减 小，在地心处为零 。 地球的 重力值 一、决定岩一、决定岩( (矿矿) )石密度的主要因素石密度的主要因素 决定岩石密度大小的主要因素是：决定岩石密度大小的主要因素是： 1 1岩石中各种矿物成分及其含量的多少；岩石中各种矿物成分及其含量的多少； 2 2岩石中的孔隙度大小及孔隙中的充填岩石中的

10、孔隙度大小及孔隙中的充填 物多少物多少 3 3岩石所受压力的大小。岩石所受压力的大小。 五、五、 岩岩( (矿矿) )石的密度石的密度 火成岩的密度火成岩的密度 基本规律：基本规律：从酸性岩向基性岩过渡时，其从酸性岩向基性岩过渡时，其 密度逐渐增大。密度逐渐增大。 同一种侵入岩体，同一种侵入岩体，周围偏基性，向中心逐周围偏基性，向中心逐 渐为偏酸性，密度变小。渐为偏酸性，密度变小。 同类侵入岩体，同类侵入岩体，不同时期侵入，其矿物成不同时期侵入，其矿物成 分相同，但因含量有所变化时密度不同。分相同，但因含量有所变化时密度不同。 同源岩浆，同源岩浆，成分一样，但成岩环境不同时成分一样，但成岩环境

11、不同时 ，可形成不同的矿物和岩石，密度亦不同，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的密度 沉积岩具有不同的孔隙度，密度往往有较大沉积岩具有不同的孔隙度，密度往往有较大 的变化范围。的变化范围。 一般，近地表的沉积岩孔隙度较大，则密一般，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，度较小，随着埋深增加孔隙度相应减小， 密度增大。密度增大。 同一成分的沉积岩同一成分的沉积岩，时代较老的沉积岩要，时代较老的沉积岩要 比时代新的同类岩石的密度要大些。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同一时代同类岩性的沉积岩，由于地质作，由于地质作

12、用条件不同，盆地边缘密度大，向盆地中用条件不同，盆地边缘密度大，向盆地中 心密度逐渐减小。心密度逐渐减小。 变质岩的密度变质岩的密度 其密度与矿物的成分、含量和孔隙度均有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密切关系，这主要由变质性质和变质程度 大小决定。大小决定。 一般一般区域变质作用的结果区域变质作用的结果，使变质岩的密度，使变质岩的密度 比原岩的密度增大比原岩的密度增大 。 动力变质作用动力变质作用使原岩结构遭破坏，矿物被使原岩结构遭破坏，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

13、以及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。重结晶，则密度会比原岩大些。 二、岩二、岩( (矿矿) )石标本密度的测定石标本密度的测定 岩、矿石标本的采集岩、矿石标本的采集 1 1系统地采集不同构造单元及不同岩性系统地采集不同构造单元及不同岩性 的标本；的标本； 2 2浅部、深部都要采集；浅部、深部都要采集； 3 3每类标本的数量一般为每类标本的数量一般为1010一一5050块，每块，每 块标本重量一般在块标本重量一般在100-200g100-200g左右；左右； 4 4对所采集的标本登记，编号，并注明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；地

14、点、名称、地质年代及深度等； 5 5考虑其它物性参数测定的要求考虑其它物性参数测定的要求 标本密度测定方法标本密度测定方法 天平测定法天平测定法 标本质量用标本质量用mm表示，体积为表示，体积为V V，其密度，其密度: : =m/V =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 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9.78

15、9.832m/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 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 FG5FG5型绝对重力仪型绝对重力仪（ 采用激光干涉系统）采用激光干涉系统） 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 在自由下落的过程中在自由下落的过程中 光程差光程差不断改变，在不断改变，在 空间叠加，形成明暗空间叠加，形成明暗 交替的干涉条纹，记交替的干涉条纹，记 录干涉条纹数，下落录干涉条纹数，下落 距离：距离： S=NS=N /2/2 ,N ,N干涉条纹干涉条纹 数，数， 激光波长激光波长 2 2 相对重力测量仪器相对重力