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1、第一章重力勘探 重力勘探 gravityexploration 是以地壳中不同岩 矿 石之间的密度差异为基础 通过观测和研究天然重力场的变化规律 用以查明地下地质构造和寻找有用矿产的物探方法 应用领域 可以研究区域和深部地质构造 也可以研究局部地质 密度 异常体 在油气勘探中主要用于探查与油气生成 运移和聚集有关的各种地质构造 如沉积盆地的基底起伏 盖层内部的构造形态 盐丘 侵入体等局部地质现象 也可以直接研究油气藏 发展历程及现状 对重力现象的研究始于15世纪后半期 伽利略从大量的实验中总结出 物体坠落的路径与它所经历的时间的平方成正比 而与其重量无关 里歇在在利用摆钟进行天文观测时发现 重
2、力加速度在世界各地并非恒值 牛顿和惠更斯指出 这种现象与地球是旋转椭球体的推论相符 20世纪初 厄缶发明了测量重力变化率的扭秤 标志着重力勘探的诞生 我国的重力勘探始于20世纪50年代 现已将全国的地台区和海域的隆起 坳陷划分完毕 高精度重力勘探正在矿产资源勘探及其他应用领域发挥着重要的作用 重力勘探 内容提要 1 1重力勘探的理论基础 1 2重力异常的正 反问题 1 3重力仪 1 4野外重力测量及数据整理 1 5重力异常的数据处理 1 6重力异常的地质解释及应用 1 1重力勘探的理论基础 内容提要 1 1 1关于地球的基本知识 1 1 2引力 惯性离心力和重力 1 1 3引力位 离心力位和重
3、力位 1 1 4正常重力和重力异常 1 1 5岩 矿 石的密度 1 1 1关于地球的基本知识 重力勘探的研究内容是地球重力场 其影响因素包括内部质量 密度 分布 运动状态 相应的轨道几何参数 以及邻近的天体等 内容提要地球在太阳系中的位置地球的运动地球的形状地球的内部结构相关的基本参数 地球在太阳系中的位置 地球是太阳系九 八大行星之一 按离太阳由近及远的次序为第三颗 它有一个天然卫星 月球 二者组成一个天体系统 地月系统 地球的运动 地球就像一只陀螺 沿着自转轴自西向东不停地旋转 自转周期为23小时56分4秒 约等于24小时 同时 地球还围绕太阳公转 公转周期约为365 25天 公转轨道是椭
4、圆形 轨道的半长径 轴a 149 600 000km 半短径 轴b 149 580 000km 半焦距c 2 500 000km 扁率f a b a 1 7480 偏心率e c a 1 60 太阳 地球 月球 a b c 地球的运动 地球公转轨道面称为黄道面 地轴与地球轨道面的夹角为66 33 因而黄道面与赤道面的夹角 黄赤夹角 为23 27 这是地球上产生春夏秋冬四季的原因 春 夏 秋 冬 地球公转的轨道和速度 地球公转的角速度与其轨道半径有关 若半径长则角速度小 若半径短则角速度大 相同时间内的半径线扫过的面积相等 地球的形状 对于我们身处的世界 人类曾有过错误的认识 许多古老的民族都认为
5、大地是平的 而自己所处的位置是世界的中心 如中国古代神话中认为其东西南北均为海洋 希腊罗马神话中也描述天有四角 各有巨人 Atlas 以肩负天 直到19世纪 日心说的建立和 牛顿建立起精确的引力理论 人类的认识才走上科学的道路 认识到世界是一个球体 并称之为地球 实际上 地球的形状就体现在人类的感官中 在晴朗的日子里 站在海边或平坦的原野 人的视野不过4 5km 如果登高远眺 眼界就开阔许多 高与远之间的关系就包含了地球的形状含义 地球的形状 续 这里假定目击者视点与视野最远点的连线为地面的切线 根据几何关系 目击者高度h 最大视野r和地球半径R之间满足关系 1 1 1 r h R R 地球的
6、形状 续 从中可以得出地球半径的估算式 1 1 2 取h 1 65m r 4 6km 可得地球半径的估计值R 6412km 与实测值 6376km 非常接近 随着航天科技的发展 人类可以从宇宙空间给地球拍照或直接观测 证实了地球确实为球体 太空中的地球 幽暗太空中的一个蓝色为主的球形天体 蓝色为海洋 湖泊等水体 占多数 绿色 土黄色为陆地 占少数 外部还有大气圈和磁层 形成外套 地球表面起伏 地球表面约70 的面积被水覆盖 陆地面积大约占30 无论陆地还是海底 地形都有高低起伏 十分复杂 且处于不断变化之中 精确地描述地球的形状是根本不可能的 也是完全没有必要的 但是由于各种实际的需要 又必须
7、对地球的形状加以描述 所有对地球形状的规则性的描述都是对实际形状的近似 大地水准面 虽然地球表面最高点 珠穆朗玛峰 海拔8848m 最深处 马里亚那海沟 在水下10830m 相对高差近20km 但与整个地球半径的尺寸相比仍是很小的 只有不到1 300 因而在宏观上将地球近似为表面光滑的规则形体还是很有实际意义的 大地测量学中规定 以平静海平面的趋势延伸到各大陆之下所构成的封闭曲面 即大地水准面的形状作为地球的基本形状 大地水准面的近似形状 大地水准面的形状也是不规则的 可以有不同程度的近似 一级近似 正球体平均半径 Rav 6376km二级近似 旋转椭球体赤道半径 Re 6378 160km极
8、半径 Rp 6356 155km几何扁度 Re Rp Re 1 290卫星观测资料表明大地水准面并非标准的椭球面 而是在北极高出十余米 而在南极凹进二十余米 南北两半球并不对称 因而更精确一步 大地水准面近似为梨形体面 大地水准面的高程异常 在度量某一点的高度时不是以大地水准面为标准 而是从某一个参考椭球面起算 并将大地水准面到此参考椭球面的法线距离称为大地水准面的高程异常 该高程异常反映了地球的形状 也可用于研究地球内部物质的分布 大地水准面与参考椭球面的高程异常 地球的内部结构 根据天然地震和人工地震的研究成果 地球内部物质基本上是呈同心层状分布 由地表到地心可分为地壳 地幔和地核三部分
9、地球的层圈结构 1 地壳 世界各地地壳厚度变化较大 陆地平原区一般约为30 40km 山区和高原地区一般约60 70km 最厚可达80 90km 海洋区约几 十几km 地壳可分为上下两层 上层主要为富含硅铝质的花岗岩类 也称硅铝层 平均密度约为2 7g cm3 下层主要为富含硅镁质的玄武岩类 也称硅镁层 平均密度约为2 9g cm3 硅铝层和硅镁层之间有约0 2g cm3的密度差 是地壳中主要的密度分界面之一 称为康拉德 V Conrad 界面 简称康氏面 该界面在大陆区不能连续追踪 在大洋区则随花岗岩层的消失而消失 地震学家已怀疑该界面的广泛存在 2 地幔 自地壳底界向下至约2900km深的
10、范围内为地幔 地幔也可分为两层 地幔的上层 上地幔 主要是辉长岩 玄武岩类和橄榄岩 苦橄岩类 地幔的下层 下地幔 主要是铁镍等金属氧化物 地幔各处的密度均大于3 3g cm3 并且随深度的加深而增大 一般认为上地幔平均密度为3 5g cm3 下地幔平均密度为5 1g cm3 地壳和地幔的密度差大于0 4g cm3 是全球最主要的密度分界面 称为莫霍洛维奇 A Mohorovicic 界面 简称莫霍面或莫氏面 3 地核 自2900km深到地心为地核 可分为液态外核 过渡带和固态内核 目前地核的物质成分尚不清楚 根据陨石成分推测可能主要为铁镍金属 又称铁镍核 地核的密度可能大于10 0g cm3
11、且随深度增加而增大 关于地核的进一步研究有赖 寄希望于中微子技术的发展 中微子直线运行穿过地心 带来地球深部物质成分和结构方面的信息 相关的基本参数 地球的平均密度 E 5 515g cm3地球的平均半径 RE 6376km地球的总质量约为 ME 5 976 1024kg太阳与地球质量比 MS ME 332946 0地球公转轨道半径 地球半径 152 100 000 6 376 23855 1147 100 000 6 376 23070 9地球与月球质量比 ME MM 81 3月球公转轨道半径 地球半径 384 000 6376 60 2 1 1 2引力 惯性离心力和重力 主要内容1 引力2
12、 惯性离心力3 重力4 重力的变化 1 引力 根据万有引力定律 任意两个物体之间都存在相互吸引力 质量为m1的物体对质量m2为的物体的引力为 1 1 3 式中R12为从质心m1到质心m2的矢径 R12 R12 SI制中F的单位为牛顿 N 引力常数 f 6 67 10 8cm3 g s2 6 67 10 11m3 kg s2 地球的引力 地球作为一个有一定质量的球体 对其外部试验质量为m的物体有引力 1 1 4 引力的方向指向地心 如果将地球视为正球体 地球表面引力处处相等 地球质量 ME 5 976 1024kg在地球表面上 RE 6376km f 6 67 10 8cm3 g s2 6 67
13、 10 11m3 kg s2 2 惯性离心力 由动力学知道 转动系统存在惯性离心力 由于地球的自转 地球上的物体都要受到惯性离心力的作用 1 1 5 式中r为从自转轴到场点的垂直矢径 地球自转的角速度 2 86164 SI制中C的单位也为牛顿 N v r 惯性离心力 地球上 各点的转动角速度是相同的 而转动半径是不同的 地球表面各点的转动半径是其所处纬度圈的半径 即 式中为纬度 由于纬度的变化 同样质量的物体 在赤道上所受的离心力最大 随纬度升高而逐渐减小 到两极减小为零 惯性离心力 3 重力 物体所受重力应为地球的引力和惯性离心力的矢量和 即 1 1 6 由于离心力的存在 重力一般不指向地心
14、 重力示意图 重力场强度 重力概念中包含了试验质量m的因素 消除m的影响 得到重力场强度 1 1 7 根据牛顿第二定律 重力场强度等于物体受重力产生的重力加速度 其中第一项为引力加速度 第二项为离心力加速度 SI制中重力场强度的单位是m s2 重力示意图 同重力一样 重力场强度一般也不指向地心 但是和引力加速度相比 离心力加速度很小 地球平均引力加速度值约为9 8048m s2 赤道上的离心力加速度最大 约为0 0339m s2 离心力最大只占引力的1 289 因此 可以认为重力 场强度 的方向近似指向地心 重力示意图 重力勘探中的 重力 在重力勘探中 习惯上将力场强度称为 力 如将引力场强度
15、简称为引力 重力场强度简称为重力 如无特别说明 以后所提到的引力和重力均指引力场强度和重力场强度 重力的单位 高斯单位 CGS 制中 重力的标准单位是伽利略 Galileo 简称伽 符号Gal 1Gal 1cm s2 实际生产中常用其分数单位 毫伽 mGal 1mGal 10 3Gal微伽 Gal 1 Gal 10 6Gal国际单位 SI 制中 重力的标准单位是m s2 重力勘探中 取其百万分之一做为国际通用的重力单位 gravityunit 符号g u 1g u 10 6m s2 换算关系 1mGal 10g u 4 重力的变化 重力的变化可以分为在空间上的变化和在时间上的变化 重力在空间上
16、的变化主要表现为 地球不是一个正球体 而是一个近似于两极压缩的扁球体 且地表面起伏不平 这将引起约6万g u的重力变化 两极引力大 赤道引力小 地球的自转使重力产生3 4万g u的变化 两极离心力小 赤道离心力大 地下物质密度分布不均匀可产生几千g u的重力变化 重力勘探正是利用地下物质分布不均匀这一因素所引起的重力变化 来研究地质构造和实现勘探矿产资源的目的 重力的变化 续 重力在时间上的变化可以分为短周期变化和长周期变化两种 长周期变化与地壳内部物质变动及构造运动有关 也可以认为是非周期性的 这种变化在短时期内十分微弱 重力勘探中可以不考虑 重力的变化 续 短周期变化主要指重力日变 地面上的一点受到太阳 月亮的引力作用 由于地球的自转 地表各点与日月的相对位置不断改变 日月对这些点的引力的变化引起重力的变化 这种变化不仅可以造成海洋潮汐 还可以引起地壳形变 既所谓的 固体潮 固体潮使大地水准面发生位移 这种位移也造成重力的变化 上述两种变化的周期均为一天 其总和称为重力日变 日变的幅度一般在2 3g u左右 在高精度重力测量中是不可忽视的 必须做相应的日变校正 固体潮 示意图 在地
