重力勘探理论基础

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1、重力勘探基础部分要求回答的问题: 什么是重力勘探？ 地球重力场组成和有什么特征? 重力场的场源是什么?与重力场的关系? 重力异常的概念与重力场的关系? 4. 地球重力场受哪些因素影响?遵循哪些规律?,第一章 重力勘探基础,一、重力勘探概述 二、地球的重力场 重力.重力加速度 重力场和重力位,第一章 重力勘探基础,重力勘探是利用地球内部各种岩(矿)石间因密度差异而引起的重力场变化来查明地质构造和寻找有用矿产的一种地球物理勘探方法。,1、定义,一、重力勘探概述,重力测量的应用范围十分广泛1）构造类 利用重力资料可以圈定具有油气远景的沉积岩内部构造、盐丘及煤田； 划分大地构造和区域构造单元； 研究地

2、球深部构造，评价其活动性等。2）矿产类由于电子计算技术的飞速发展，重力方法在寻找磁铁矿、铬铁矿、有色金属矿、以及钾盐等矿产方面部取得了良好的地质效果。,2、应用领域,一、重力勘探概述,3）其它类在研究地球形状（大地测量学），地震中长期预报（固体地球物理学），推算导弹、火箭、人造卫星及宇宙飞船的运行轨道等方面（国防、空间测控科学），地球层圈运动和位移等（地球动力学）重力数据也是不可缺少的重要资料。当前重力观测的范围主要是陆地和海洋，航空重力和井中重力测量发展相对滞后，还处于试应用阶段，而卫星重力测量则属于遥感物探的范畴。重力观测数据在自然科学和工程科学中有着广泛应用。自然科学中，地球表面的力学现

3、象都与重力相关，在计量学中将重力用于确定计量单位的依据。,2、应用领域,一、重力勘探概述,3）其它类例如：国际单位制中，牛作为力的单位1N=1kgm/s2 即1牛就是使1kg质量的物体产生1m/s2的加速度。 压力单位Pa： 1Pa=1N/m2 功或能的单位为J: 1J=1Nm 功率单位W: 1W=1J/s 以上各量均与重力值有关，因此，重力在计量上是一个很重要的基本参数。 在物理学中万有引力常数G更有基础地位，其绝对值在天文学和地球科学研究中具有特殊意义，可用于计算天体的质量和平均密度。,2、应用领域,一、重力勘探概述,中国近海平均海平面,中国近海及西北太平洋测高重力异常,联合多颗测高卫星资

4、料反演的中国近海海洋重力场（空间分辨率 22),西太平洋海域22重力异常,沿船测重力航线，测高重力异常与船测重力异常比较之标准偏差,测高重力异常与船测相对重力值（2005年测量）比较,南海船测重力航线,测高重力异常与32条船测重力航线的相对重力结果直接比较，平均标准偏差为1.63 mGal，最大为 2.92 mGal，最小为0.69 mGal。绝大部分测线标准偏差小于2.0 mGal，可以认为这个结果已经达到了目前的船测重力精度（1.0-2.0 mGal）。,已完成中国海及西北太平洋海域重力异常分辨率为22。收集到了船测重力航线四条共8000 多重力观测点，将22卫星测高重力异常与之比较，符合

5、程度非常好，中误差小于2.9 mGal，达到了目前国际上测高重力最好的精度（一般在深海为3-5mGal）。,反演测高重力异常与船测重力比较,响应函数法反演中国黄海、东海区域海底地形,反演海底地形,南中国海海底地形,反演结果与船测海深数据残差的标准偏差为183m ETOPO5模型数据与船测海深数据残差的标准偏差为252m,反演的海底地形与船测结果比较,珠江口盆地重力勘探试验,卫星测高重力场与船测重力航线比较,单位：mGal,珠江口盆地布格重力异常图,珠江口盆地区域重力异常图,由区域重力异常可以确定： 盆地边界、盆地内部二级构造单元、断裂分布及基底埋深形态等,珠江口盆地沉积基底深度图,试验工区局部

6、重力异常图,试验工区局部隆起构造图,重力勘探是在重力测量学基础上发展起来的. 重力测量学时一门古老的学科。 伽利略(1564-1642)首次测量了重力加速度g； 惠更斯(1629-1695)研究了摆，并于1655年制造了钟，为重力加速度g的测量奠定了基础；法国地球物理学家李歇偶然发现了，在巴黎和南美的时钟走时存在差异，直到1687年牛顿(1643-1723)才在“自然哲学的数学原理”一书中正确阐明了这一现象，从此用重力加速度g来研究地球重力正式开始了。,3、发展历程,一、重力勘探概述,以研究对象与围岩存在的密度差异为前提条件的重力勘探方法，最早起源于20世纪初，当时以寻找盐丘等储油构造为目的的

7、扭秤测量为主。20世纪30年代中期，精密、快速和轻便的地面重力仪问世，迅速取代了扭秤测量，并且应用领域也逐渐扩大；60年代发展起来的海洋重力测量，使地球表面70%以上的海洋区成为重力测量的主要场所，配合同期发展的人造卫星资源的分析，使重力测量法在研究全球板块构造、地球深部构造、区域地质构造、圈定含油气远景区及含煤盆地，以及寻找部分固体矿产资源等多个领域起到了重要作用。,3、发展历程,一、重力勘探概述,我国的重力勘探始于1945年，到解放前只有2支队伍，在20世纪50-60年代的第一轮石油普查中立下显赫战功。 到60年代，北京地质仪器厂制造出第一台重力仪，于是重力勘探得到了巨大发展。现在已配备了

8、航空重力测量等先进设备。 20世纪70年代末，我国开始了全国范围的区域重力调查，是一项基础性地球物理调查，是综合开发国土资源与矿产资源的基础资料，具有长期利用的价值。 现在，我国已能开展航空、陆地、海洋和井中的重力测量。,3、发展历程,一、重力勘探概述,4. 重力勘探学习的内容 地球重力场及其组成 重力位、正常重力和重力异常 如何获得重力异常；重力勘探仪器和野外工作方法 典型模型重力异常特征 数据处理、正反演 解释方法和应用,一、重力勘探概述,重力勘探的任务测量值: 重力异常,局部重力异常,区域重力异常研究目标:地下地质目标(矿体,地质构造等)最终目的:根据重力异常进行地质解释 研究手段: 正

9、演和反演问题的研究,5.重力勘探的任务与目标,一、重力勘探概述,6. 重力勘探的工作过程野外数据采集野外数据整理影响因素校正重力异常的提取正反演模拟和地质模型建立地质解释,一、重力勘探概述,1. 地球的一些基本知识回顾 地球形状参数a=6378.16km，c=6356.76km 地球扁度: =(a-c)/a=1/298.05 一级近似为球面；二级近似为旋转椭球面； 三级近似为梨形体面，北极高出十几米，南极凹进二十几米，南北两极不对称。 大地水准面：人们将平均海水面顺势延伸到陆地下所构成的封闭曲面视为地球的基本形状，称其为大地水准面。,二、地球的重力场,地球内部结构:三层(?)地壳:最厚80-9

10、0km,最薄10-15km,平均30-40km. 地壳:花岗岩层(硅铝层,2.7g/cm3)玄武岩层(硅镁层,3.1g/cm3) 硅铝层和硅镁层的分界面:康拉德界面(主要的密度分界面),二、地球的重力场,1. 地球的一些基本知识回顾,地幔:地壳底界-2900km 上地幔:基性和超基性岩; 下地幔:铁,镍等金属氧化物 地幔密度3.4-5g/cm3 地幔与地壳的分解面:莫霍洛维奇面(简称莫霍面),上下密度差约0.3g/cm3 地核:2900km到地心(内核,过度带,外核)具体物质组分还未知据陨石成分推测为铁镍核,二、地球的重力场,1. 地球的一些基本知识回顾,重力勘探的基础是万有引力定律。地面上的

11、各点的重力值主要决定与各点上的引力和离心力。 2. 重力与重力加速度由于物体受重力作用的结果，地球表面及附近空间的一切物体都有重量。物体的质量是表示物质运动的惯性及存在引力的属性。 重量和质量的区别与联系？G=mg 重力物体所有的重力是除该物体之外的地球质量及其它天体质量对物体产生的引力和该物体随着地球自转而引起的惯性离心力的合力。重力引力惯性离心力G=F+C,二、地球的重力场,重力地球质量产生的引力 方向大致指向地心; 太阳/月亮的引力暂时 忽略; 物体随地球自转的惯性离心力,方向垂直于地心轴向外,二、地球的重力场,2. 重力加速度 重力场强度物体受到的重力作用的大小还与其本身的质量大小有关

12、。单位质量的物体在重力场域中所受的重力称为重力场强度。 重力加速度当物体只受重力作用而不受其它作用时，就会自由下落，自由下落的加速度称为重力加速度。 重力加速度与重力的关系：G=mg 重力加速度的单位：m/s2,重力的单位是N；若m=1,G=g 因此,实际测量时测量的是g.,二、地球的重力场,重力的法定计量单位N,重力加速度的单位m/s2 规定10-6 m/s2为国际通用重力单位g.u.(gravity unit): 1m/s2106g.u. 为纪念物理学家伽里略,重力加速度的CGS单位称为”伽” 1cm/s21Gal,1mGal=10-3Gal 重力加速度的C.G.S单位： 1Gal=104

13、g.u.=10-2m/s2, 1mGal=10g.u.=10-5m/s2 1Gal=10-2g.u.=10-8m/s2, 美国等常用mGal，Gal 重力加速度在数值上等于单位质量所受的重力,其方向也与重力相同.,二、地球的重力场,3. 重力的计算关系 由于重力G与试探质量m有关,不易反映客观的重力变化,在重力测量学和重力勘探中,总是研究重力场强度与重力加速度g. 所以,若没有特别说明,以后凡提到重力都是指重力加速度和重力场强度. 重力的数学表达 表达式建立的坐标系-原点：地心；Z轴与地球自旋轴重合；X,Y轴在赤道内；地球内部单位指点在外部任何一点的引力,二、地球的重力场,随地球自转引起的惯性

14、离心力：为了便于分析,通常将引力和惯性离心力用直角坐标系中的三个分量表示:故引力和惯性离心力在三个坐标轴的分量为:,二、地球的重力场,二、地球的重力场,通常情况下,惯性离心力可以忽略. 例1-1：下边以球体地球模型为例说明引力与惯性离心力的大小关系:,二、地球的重力场,二、地球的重力场,复习思考题,名词：大地水准面，重力勘探，重力，惯性离心力 重力的计算关系和地球上各点重力的计算 重力与离心力的大小对比,三、岩矿石和储层的密度,1. 岩矿石的密度 多数沉积岩的密度: 2.5-3g/cm3 岩盐密度:2.12-2.22 碳酸盐岩密度:灰岩2.71,白云岩2.76-2.88 硬石膏2.92-3.0

15、 泥质粉砂2.58-2.78 火山岩和变质岩的密度变化较大; 决定因素:岩矿石的矿物成分;孔隙体积和孔隙中的流体成分,（1）油气层的密度是由储油气层岩石的密度决定的，后者的密度是与它们的孔隙度关系密切，而与矿物成分的关系较小。由于油气层孔隙度的变化范围较大，固相、液相和气相的密度差别相当大，从而造成储油气层密度变化较大。 （2）由于石油和天然气的密度小于层间水的密度。所以，油气层内比储集层其余部分的密度低。,三、岩矿石和储层的密度,2、石油、天然气储层的密度,2、石油、天然气储层的密度,（3）一般来说，含气地层的有效密度变化可达到0.10.25gcm3，甚至更大，而含油地层则在0.10.15g

16、cm3左右。（4）有效密度可以用作找油准则利用，但是，此时必须了解地质断面结构特点，因为储集层的顶部和底部岩层常常被共生因素的影响所复杂化。在特定的构造范围内，岩石的岩性、岩相变化能引起密度变化，在大多数情况下、从构造的翼部至背料构造的顶部，岩石的密度减少或背斜构造顶部变得疏松。,三、岩矿石和储层的密度,1）岩石密度单位,2）如何获得岩石密度,三、岩矿石和储层的密度,3）常见岩（矿）石密度,4）岩石密度的影响因素,（1）沉积岩,取决于岩石颗粒、孔隙充填物、孔隙度,4）岩石密度的影响因素,（2）岩浆岩与变质岩,5）岩石密度的变化规律,（1）密度界面与地质界面石油物探的首要任务是解决石油地质构造问题，其前提条件就是构造层之间存在物性差异，事实也常如此，这是物性变化的主要规律之一。由于每个构造层有不同的构造沉积特征，在岩 性、岩相上常有较大差异，所以往往成为明显 的物性界面。 盆地的基底常常是重要的物性界面。,