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1、精品论文山区地形起伏对重力异常及其校正的影响分析班丽，刘展 中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，山东东营（257061） E-mail：摘要：山形异常通常表现为与地形起伏呈现相关性，会影响对重力资料的正确解释，应当 对其进行消除。本文通过正演模型试验，对起伏地形对山区重力异常及其校正的影响进行了 分析，认为：对山形异常进行准确校正后，可以消除地形起伏的影响；若仍然存在“山形异 常”，则应考虑是地下异常构造的反映，是重力反演解释的重要信息。不能简单的以是否消 除重力异常和地形起伏的相关性为判断标准。在复杂山区，很难通过单一勘探方法进行地质 解释，发展综合地球物理勘探是进行有效勘探的途径。 关
2、键词：山形异常；起伏地形；布格异常；正演模型1. 前言随着油气资源勘查领域向西部复杂山区扩展，地表条件和地下地质条件日趋复杂，如山 前高陡构造、继承性起伏构造等。地震勘探在这样复杂的地表地质条件下往往效率不高，发 展综合地球物理勘探是进行有效勘探的主要途径。其中，高精度重力勘探以其低成本、高效 率的特点在综合勘探中发挥了重要作用。在地形起伏大的地区进行重力测量时，重力异常和地表高程往往具有较强的相关性，重 力异常中不仅包含反映地下密度不均匀体产生的异常，还有由于重力资料处理中各种校正不 准引起的与地形相关的干扰部分，即山形异常1。山区重力测量的山形异常往往掩盖了真实 地质构造的重力异常信息，当
3、山形重力异常影响严重时，使得重力资料解释出现严重错误。 因此，山形异常的消除是提高重力测量地质效果至关重要的问题，如果能有效消除山形异常 的影响，必将大大提高山区高精度重力勘探技术解决油气构造的能力。一般认为，既然山形异常是重力异常和地形相关性的反映，就以是否消除重力异常和地 形的相关性来评价对山形异常影响的消除情况2-9。这种评价标准是否可靠？改正后的重力 异常是否能够真实反映目标地质体的重力异常？本文通过正演模型计算，揭示了山区复杂地 形起伏对重力异常的影响，分析了常规校正方法对山形异常校正效果。2. 重力异常校正的基本方法用于重力资料解释的布格重力异常是对实测重力异常进行地形校正、中间层
4、校正、高度 校正和纬度校正后获得的，反映了地壳内部各种不均匀体所引起的重力异常，是推断解释地 下地质构造的基础资料。地形校正是把各点重力值归算到统一的基准面上，把高于测点地形部分实际存在的物质 “铲平”，同时把低于测点的物质缺失部分用同一密度物质“填满”。采用数值积分计算的方法 计算相应的地改值。目前普遍采用圆域扇形或方域网格划分地形，模型地形起伏的准确性主 要依赖扇形或网格的大小8。实际应用中，近区多采用圆域的方式，中远区主要用方形或扇 形分区计算。中间层校正是为了消除测点所在的平面与总基点所在平面之间的物质层对测点重力值 的影响。对半径为 R，厚度为 h 的圆盘进行积分，可以得到：- 1
5、-g = 2G (R + h R 2 + h 2 )（1）当 Rh 时，分别取一级近似和二级近似，可以得到中间层的校正值为：g= 0.0419h（2）g= 2G (1 h )h = 0.0419h + 0.02095 h 22RR（3）式中， g 为中间层校正值，h 为测点与基准面的高差，单位为 m； 为中间层平均 密度，单位为 gcm3；R 为圆域地改半径，单位为 m。高度校正是为了消除高度变化的影响，当高度变化 h 时，g = dg h dR采用一次圆球和二次椭球近似时，高度校正值分别为：g h = 0.3086h（4）（5）g h式中 为测点地理纬度。= 0.3086(1 + 0.000
6、7 cos 2 )h 0.72 10 7 h 2（6）通常情况下，高度校正和中间层校正数量级较大，且都与高程有关，合在一起称为布格 校正。对于平缓地区，采用一次近似，布格校正值为：g b = (0.3086 0.0419 )h当测区面积较大、地形高度变化也较大，且 Rh 时，（7）gb= 0.3086(1 + 0.0007 cos 2 ) 0.72 107 h 0.419 + 0.02095 hhR（8）b式中：g 为布格改正值，单位为 10-5为中间层平均密度，单位为 gcm3。ms2；h 为测点与基准面的高差，单位为 m；由重力异常校正方法可知，不同的校正公式是在不同近似下得到的结果。校正
7、过程对各 种因素对重力异常的影响消除程度不同。而且，如果校正公式选取不当，还会引起虚假异常。 比如在高海拔地区进行地形校正时，近区地改对异常形态没有影响，仅对各测点的重力值有 影响，使异常产生高频扰动，而远区地改中如果高程选择不准，则极易造成连片的与地形有 关的异常 6；进行中间层校正时，采用一次近似公式可能因校正过度而形成与地形起伏呈 负相关的虚假异常，密度选择不合适，会使校正不足或过量，造成同向异常或镜像异常，给 推断解释造成极大困难，甚致得出错误结论。3. 山区复杂地形对重力异常校正的影响分析按照常规校正方法，布格重力异常可视作重力异常经地改“挖补”后校正至相对基准面 上，再经中间层校正
8、，去除相对基准面和大地水准面之间部分的影响10。由于山区地表情 况复杂，不仅高度变化大，地表密度也不均匀，这种相当于把大地水准面之上的部分“夷为 平地”的校正方法能否消除地形起伏带来的影响？下面通过正演模型分析山区地形起伏高度 和地表密度不均匀对异常体重力异常常规校正的影响。3.1 地形起伏高度对重力异常及其校正的影响如图 1 是地下异常体在起伏地形下产生的重力异常（实线为起伏地形下的重力异常，虚 线为水平地形下的重力异常）。密度体 M 顶部埋深 1000m，边长 1000m，剩余密度 0.5g/cm3。 褶皱 F 厚度均匀，为 500m，上层最小埋深 1000m，最大埋深 2000m，下层最
9、小埋深 1500m，最大埋深 2500m，剩余密度 0.5g/cm3。设计地形起伏为线性变化，最大高程 1000m，最小高 程 0m，平均高程 500m。(a)地质体 M 位于地形 S 隆起下方(b)地质体 M 位于地形 S 低凹下方(c)构造 F 与地形 S 同像(d)构造 F 与地形 S 镜像 图 1 异常体在起伏地形下产生的重力异常由图 1 可以看出：对于单一异常体，在起伏地形下的重力异常与地形呈现明显的相关性， 即可以看到明显的山形异常。这是由于与水平地形相比，山区地形隆起使异常体与测点的距 离变大，根据万有引力定律，重力异常值变小，出现亏损。地形起伏与地质体埋深相当的情 况下（均为
10、1000m），地质体 M 在地表引起的异常值最大亏损 1.76mgal，仅为水平地形条件 下的 60.17%；构造 F 在地表引起的异常值最大亏损 1.42mgal，为水平地形条件下的 82.85%。实际中的山前高陡构造往往地表起伏变化剧烈，为说明地形起伏程度对异常的影响，设 计不同的地形起伏，参数如表 1：表 1 地形参数地形最大高程 Hmax (m)最小高程 Hmin (m)平均高程 Havg (m)S15000250S210000500S3200001000图 2 为不同起伏程度下的地形产生的重力异常值比较。g1、g2、g3 分别为地形模型 S1、S2、S3 产生的重力异常。4mga l
11、g1 g2 g 320m02 00 04 00 060 0080 001 00 00(a) M 在 S 隆起下方g1 g2 g3mg al420m02 00 04 00 06 00 08 00 010 00 0(b) M 在 S 低凹下方g18m galg2 g3642m02 00040006000800 01000 0(c) F 与 S 同像10mgalg1 g28g3642m020 00400060 008 00010000(d) F 与 S 镜像图 2 不同地形起伏下的重力异常值比较由图 2 可以看出，地形起伏越大，重力异常亏损就越大，呈现负相关。由于异常值与异 常体和测点的间距是非线性
12、关系，因此，随着地形起伏的线性变化，异常值的变化是非线性 的，而不是随地形的线性变化。在水平地形下，地下褶皱产生的重力异常与褶皱起伏呈正相关。在起伏地形下，当异常体起伏和地形起伏同像时，随着地形起伏，这种正相关性减弱，地形起伏达到一定数值时，正相关变为负相关，地形起伏越大，负相关越明显；当异常体起 伏和地形起伏镜像时，随着地形起伏，这种正相关性增强。因此，如果不对山形异常进行校 正，就会产生虚假异常，造成错误解释。按照常规校正方法，相当于把 0m 之上的部分“削平”，由于地表密度均匀，与地下围岩 无密度差，因此，理论上可以将地形起伏对异常体的重力异常带来的影响消除掉。进行准确 校正后，单一地质
13、体的山形异常消失，校正后的异常是目标地质体产生的；起伏构造的异常 仍显示与地形呈相关性，然而这种异常特征不是由于地表地形起伏引起的，而是地下目标异 常体的真实异常反映，是对目标异常体进行反演解释的重要信息源。在实际中进行校正时， 校正效果会受到地改高程的选取和数值近似计算的精度以及中间层校正密度的选取等非地 质因素的影响。3.2 地表密度变化对重力异常及其校正的影响如图 3 是地下异常构造在不均匀起伏地形下产生的重力异常（实线为起伏地表不均匀下 的异常值，虚线为起伏地表与地下围岩无密度差情况下的异常值），模拟地表起伏为继承性 构造的情况。异常构造参数同上。设计地表为三个低密度地层出露，地形起伏仍为线性变化， 上层最大起伏高度为 1000m，最小高度 200m，各地层厚度均匀，均为 200m，由上自下的 剩余密度依次为-0.4g/cm3、-0.3g/cm3、-0.2g/cm3。(a) F 与 S 同像(b)F 与 S 镜像 图 3 异常体在不均匀起伏地形下产生的重力异常图 4 地表不均匀密度层产生的重力异常由图 3 可以看出，地下构造在不均匀起伏地表下的异常与地形呈现负相关，显示出明显的山形异常。这是由于此时地表的实测异常不仅包含目标构造产生的异常，还叠加了地表低 密度地层的负异常。地表低密度层的异常与地形呈负相关，如图 4，这就使构造异常数值减 小的同
