重力勘探及其應用

摘 要：重力勘探主要是通過測量由地下密度不均勻體引起的重力異常來推斷測區(qū)的地質構造或礦產(chǎn)分布情況等。重力數(shù)據(jù)通過整理、各項校正、異常分離等可以得到勘探目標的重力異常特征。通過解重力反演問題，可以確定地質體的埋深、大小等幾何參數(shù)、密度等物性參數(shù)以及密度分界面的起伏。實際應用中，要盡可能多的利用已有的信息約束反演過程，從而提高反演結果的質量。重力勘探在區(qū)域地質構造研究、尋找礦產(chǎn)、油、氣資源、工程地質調查、水文地質調查等領域中發(fā)揮著重要的作用。實例說明，不同的地質特征對應不同的重力異常特征，重力勘探正是利用獲得的異常特征分析、推斷測區(qū)的地質構造。

關鍵詞：重力異常 密度不均勻體 重力反演 地質構造 礦產(chǎn)分布

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-04

重力勘探主要是通過測量由地下密度不均勻體引起的重力異常來推斷測區(qū)的地質構造或礦產(chǎn)分布情況等，是地球物理勘探的重要方法之一。野外測量的重力數(shù)據(jù)通過整理和一系列校正可以得到需要的重力異常—布格重力異常或者自由空氣重力異常。校正后得到的重力異常是地下不同深度、規(guī)模的地質因素產(chǎn)生的疊加異常，異常分離可以將具有不同“頻率”特征的異常分離開，得到單純由勘探目標引起的異常。重力反演一般需要在異常分離的基礎上進行，反演存在著多解性問題，其主要原因是不同埋深、大小、組合的地質異常體可以引起相同的重力異常效應，以及重力數(shù)據(jù)的不完整性。因此，在反演過程中，需要盡可能利用已有的地質、鉆探和地球物理資料來對目標異常體進行約束，從而減少多解性，最后的模型實驗說明了反演過程中加約束條件的重要性。

重力勘探在很多領域發(fā)揮著重要的作用，可以利用它進行區(qū)域地質構造的研究、尋找礦產(chǎn)、油、氣等資源，也可以用在工程地質調查、水文地質調查中。重力勘探南海北部緣沉積盆地的實例說明，不同的重力異常特征對應著地下不同的地質構造特征，可以據(jù)此利用重力異常研究區(qū)域構造。

1 重力勘探的基本原理

重力勘探是一種利用重力場研究地球構造、尋找礦產(chǎn)及油氣資源的地球物理方法。重力勘探的物性前提是地下物質的密度分布的不均勻性，依據(jù)的物理基礎是萬有引力定律。

在重力勘探中，將野外使用重力儀測量的值經(jīng)過換算、校正、分離等，可以得到重力異常，特別是由單一密度分布不均勻因素如起伏密度界面、斷裂、礦體等引起的重力變化。然后利用不同的反演方法，計算出重力異常體的幾何參數(shù)和物性參數(shù)。最后，綜合地質知識，推斷地下地質構造、礦體、油藏資源等的分布，從而達到重力勘探的目的。

某個地質體引起的重力異常，就是地質體相對于圍巖的剩余質量產(chǎn)生的引力在鉛垂線方向上的投影[1]。當?shù)叵麓嬖诙鄠€異常體時，一個測點處的重力異常就是所有異常體產(chǎn)生的引力異常在重力方向的投影的疊加。

2 重力數(shù)據(jù)的整理與處理

根據(jù)重力測量的空間位置的不同，可以將重力測量分為地面重力測量、航空重力測量、海洋重力測量、井中重力測量。

在野外重力測量工作開始之前，首先要根據(jù)地質工作任務設計工作方案，確定工作比例尺、測線的布置、點線距、誤差的分配等。測量開始前要對儀器性能進行檢查，需要做靜態(tài)實驗、動態(tài)實驗、一致性實驗。實際測量要起于基點、終止于基點；檢查點觀測均勻地分布于普通點觀測中；對于周圍地形起伏比較大的觀測點要進行近地形測量，便于地形校正。

從野外測量獲得的重力資料不能直接用于地質解釋，需要經(jīng)過整理、處理，得到需要的重力異常。具體的過程包括以下幾個方面：

對原始測量值進行零點漂移校正、基點網(wǎng)平差，初步整理得到各測點相對于基點的相對重力值；

對相對重力值進行地形校正、中間層校正、高度校正、緯度校正等得到重力異常；

對重力異常進行處理從而消除偶然誤差或者與勘探目標無關的某些近地表小型異常體的干擾；從疊加異常中分離出由研究對象引起的異常；將實測重力異常轉換為其他位場要素。

對分離后的重力異常通過不同的反演方法，求得異常體的位置、埋深等幾何參數(shù)和剩余密度、密度分界面的深度及起伏、或者地下密度的分布等。

2.1 重力資料的整理

野外測量時從儀器上得到的讀數(shù)并不是重力值，需要按照儀器的換算公式轉換為重力值。初步整理重力資料時需要進行基點網(wǎng)平差。對于普通點來說需要進行固體潮校正、零點漂移校正。

經(jīng)過零漂校正后得到的是各測點相對于總基點的相對重力值，要想獲得重力異常還需要進行地形、中間層、高度、緯度等校正。

地形校正是為了消除周圍起伏地形對觀測點重力值的影響。在陸地上，當?shù)乇砥鸱容^大時，無論是周圍地形比觀測點高還是低，都會使觀測點的重力值減小，因而地形校正值為正；在海洋重力數(shù)據(jù)整理以及考慮大范圍水準面彎曲時，地形校正值有正有負。

2.2 重力異常的分離

經(jīng)過上述校正后得到的重力異常包含有深部、淺部多個地質異常體或多種地質因素的影響，從疊加的重力異常中分離出由單個勘探目標引起的重力異常，是重力數(shù)據(jù)處理中非常重要的一步。異常分離可以將不同尺度的、多個異常體引起的重力異常分離開，從而研究不同深度、大小的地質異常體的特征；利用重力異常反演研究目標的幾何參數(shù)和物性參數(shù)，需要的是分離出的重力異常，而不是疊加異常。

經(jīng)過各種校正得到布格重力異常后，進行重力異常分離前，一般需要經(jīng)過平滑處理消除異常數(shù)據(jù)中由觀測引起的偶然誤差以及由地表附近密度不均勻引起的雜亂無章的重力效應，從而得到有意義的地質體引起的重力異常。然而，大點距的數(shù)據(jù)平滑具有壓制淺部干擾的作用，平滑后的結果可以用來表示區(qū)域場。平滑的方法包括徒手平滑法、最小二乘平滑法等。

傳統(tǒng)的重力異常分離的方法有圖解法、平均場法、高次導數(shù)法、解析延拓法、趨勢分析法、調和分析法，比較新的方法有頻率域濾波法[1-2]。

2.3 重力異常反演

重力異常的反演是為了研究地質構造或者尋找金屬、非金屬礦體。通過解反演問題，可以確定地質模型體的埋深、大小等幾何參數(shù)；確定研究區(qū)密度的分布；確定地下物性分界面的深度和起

伏等。

重力異常的反演必須采用分離后的由研究目標引起的重力異常，而不能使用疊加異常。另外，由于不同埋深、大小、組合的地質異常體可以引起相同的重力異常效應，以及重力數(shù)據(jù)的不完整性，反演問題存在著多解性。為了減少多解性，要根據(jù)已有的地質、地球物理和鉆探資料建立初始的、合理的地質模型，反演過程中盡可能利用已有的信息對反演參數(shù)進行約束。

常用的對地質模型體參數(shù)的反演方法有直接法、特征點法、選擇法、人機交互的反演法等[1]。對密度分界面的起伏的反演的方法有線性回歸法、壓縮質面法、迭代反演法和頻率域反演法[1]。另外一種重要的反演方法是重力歸一化總梯度法。

3 模型試驗及應用實例

重力勘探利用的是地下物質密度分布的不均勻性，因此研究目標與周圍巖石的密度差異使重力勘探在很多領域發(fā)揮著重要作用。因為銅、鐵等金屬或其賦存體的密度明顯高于圍巖，可以直接利用重力勘探找金屬礦，或者通過研究金屬礦賦存的巖石或構造間接找礦；鹽礦、煤礦的密度比圍巖低，當鹽礦或煤礦形成一定規(guī)模時，也可以使用重力測量法進行勘探；在油氣勘探中，可以使用小比例尺的重力異常尋找有利于油氣藏形成的地段，也可以使用高精度的重力測量直接尋找與油氣藏有關的低密度體；在鐵路路基鋪設等工程建設中，可以使用重力測量探測地下巖溶及地表溶洞等對工程建設不利的地區(qū)，從而避開這些區(qū)域或者采取相應的措施；水文地質調查也需要用到重力勘探，可以使用重力測量來尋找地下水資源；大區(qū)域的重力異常往往與地球的深部構造有關，因此重力勘探在地球深部構造及地殼結構研究、劃分大地構造單元等方面發(fā)揮著重要的作用。

這部分首先用模型實驗說明了重力反演的實現(xiàn)過程和反演中加約束的重要性，然后以南海北部緣盆地為例，說明重力勘探在區(qū)域構造研究中的應用。

3.1 重力反演的模型實驗

如圖2所示，建立一個2.5D的傾斜板狀體組合重力異常模型。模型橫向為X方向，坐標范圍為0～4000 m，縱向為Z方向，坐標范圍為1～1000 m，Y方向的坐標范圍為0～2000 m，紅色部分表示場源體，藍色部分表示圍巖，場源體與圍巖的密度差為1 g/cm3。

圖3為該模型中間切的一個東西向豎直剖面，圖4是對圖2所示模型進行正演的數(shù)據(jù)加上標準差為0.1 mGal的高斯噪聲后所得的結果。利用加噪聲后的正演數(shù)據(jù)反演圖3所示的剖面。圖5是不加任何約束時得到的反演結果。圖6是在反演過程中加上了物性上下界約束、地表約束、三維延伸比例約束、雙鉆井約束后得到的反演結果。

對比兩種反演結果，不加約束的反演結果中左邊小場源體反映很微弱，右邊為一對正負場源體，反演結果形態(tài)與實際模型相差甚遠。加入約束后，反演結果分辨率明顯提高，出現(xiàn)了分離的場源體，并且與真實模型形態(tài)更加接近。因此，在實際數(shù)據(jù)的重力反演中，也要盡可能多的利用已有的信息對反演過程進行約束，從而得到高質量的反演結果。

3.2 區(qū)域構造應用實例

圖7是南海北部緣的布格重力異常[3]。布格重力異常的變化與該地區(qū)的構造分布具有對應關系，主要反映了地殼內部物質的密度變化及殼幔邊界起伏的變化。布格重力異常整體上自西向東逐漸增大，局部地區(qū)存在異常圈閉。不同盆地區(qū)域重力異常特征各不相同，說明各個區(qū)域的地殼物質密度不均勻，構造特征也不相同。鶯歌海盆地呈長菱形，布格重力異常以低值負異常為主，為走滑—伸展型盆地。

瓊東南盆地以正值布格重力異常為主，總體呈北東走向，局部有細小的圈閉，其主要受北東—北東東走向和東西走向的斷裂控制。珠江口盆地地區(qū)布格重力異常北部以負值為主，中南部以正值為主，推測其地殼應具有過渡殼特征，南部地殼為洋殼，東南部的島弧區(qū)為殘存古老地殼[3]。臺西南盆地以正值布格異常為主，由西南向東北逐漸升高，在西面與珠江口盆地連在一起，說明其基底與珠江口盆地東南有密切的關系。北部灣盆地的布格重力異常以局部圈閉異常為特征，無明顯走向的背景異常，這正與該盆地平面上為等軸狀分布相一致[3]。

4 結語

重力勘探利用的是地下物質密度分布的不均勻性。野外采集的重力數(shù)據(jù)需要經(jīng)過整理、校正、分離等，從而得到需要的重力異常，然后根據(jù)重力異常特征分析研究區(qū)的地質構造或者地下礦產(chǎn)分布情況。通過重力反演可以得到地質模型的幾何參數(shù)或物性參數(shù)，或者密度分界面的起伏情況，反演過程中要盡可能多的利用已有的地質地球物理信息和鉆井信息，提高反演結果的質量。最后的模型實驗說明了約束條件對高質量的反演結果的重要性；南海北部緣盆地布格重力異常的實例說明，地下不同的密度分布特征或構造特征對應著不同的重力異常特征，可以依據(jù)這些異常特征推測地下的構造特征。

參考文獻

[1]曾華霖.重力場與重力勘探[M].北京：地質出版社，2005.

[2]郭武林.國外分離重力異常的方法[J].物探與化探.1982（3）：157-166.

[3]武粵，孟小紅，劉國峰.南海北部緣重力異常的多尺度分析及其構造討論[J].現(xiàn)代地質[J].2012，26（6）：1162-1167.

[4]宋海斌，郝天珧，江為為，等.南海地球物理場特征與基底斷裂體系研究[J].地球物理學進展，2002，17（1）：24-34.