重力勘探PPT课件

-,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，以查明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异常体。在石油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。,-,2,重力勘探,内容提要1.1重力勘探的理论基础1.2重力勘探的方法技术1.3重力资料的地质应用,-,3,1.1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重力和重力异常1.1.3岩（矿）石的密度1.1.4重力勘探的正、反问题,-,4,1.1.1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1.地球在太阳系中的位置2.地球的运动3.地球的形状4.地球的内部结构5.相关的基本参数,-,5,1.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，二者组成一个地月系统。,-,6,2.地球的运动,地球像一只陀螺，沿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，公转周期为365.25天，公转轨道是椭圆形。地球公转轨道面称为黄道面，地轴与地球轨道面的夹角为6633，因而黄道面与赤道面的夹角（黄赤夹角）为2327。,太阳,地球,月球,-,7,3.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。公元前6世纪，希腊人已经把大地看成球体；公元前4世纪，阿里士多德（Artistotle）在他的名著DeCaelo中明确指出大地是球形；东汉张衡(公元78-139年)在浑天仪图注里写道：“天体圆如弹丸，地如鸡中黄天之包地犹壳之裹黄”。可见，地球是圆的这个概念在远古就已模糊地存在了。实际上，地球的形状就体现在人类的感官中，视野的高与远之间的关系就包含了地球的形状含义。,-,8,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,-,9,地球的形状（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，与实测值非常接近。随着航天科技的发展，人类可以从遥远的宇宙空间给地球拍照或直接观测，证实了地球确实为球体。,-,10,地球表面起伏,地球表面约70%的面积被水覆盖，陆地约占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不可能的，也是没有必要的。但是由于各种实际的需要，又必须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。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。,-,11,大地水准面,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。大地水准面的形状可以有不同精度的近似。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极半径：Rp=6356.155km卫星观测资料表明：大地水准面并非标准的椭球面，在北极高出十余米，在南极凹进二十余米，因而近似为梨形体面。,-,12,4.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。,地球的层圈结构,-,13,地球的层圈结构,地壳：平原区一般3040km，山区和高原地区一般6070km，最厚可达8090km，海洋区约几十几km。上地壳：花岗岩类，硅铝层，2.7g/cm3下地壳：玄武岩类，硅镁层，2.9g/cm3上下地壳之间的界面为康拉德界面地壳底界面称为莫霍洛维奇界面地幔：地壳向下到约2900km，密度大于3.3g/cm3，并且随深度的加深而增大。认为上地幔平均为3.5g/cm3，下地幔平均为5.1g/cm3。地核：2900km深到地心，密度可能大于10.0g/cm3。,-,14,5.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=5.9761024kg太阳与地球质量比：MS/ME=332946.0地球公转轨道半径/地球半径：149600000/6376=23463149597000/6376=23462.5地球与月球质量比：ME/MM=81.3月球公转轨道半径/地球半径：384000/6376=60,-,15,1.1.2重力和重力异常,主要内容1.重力（场）2.重力的变化3.正常重力4.重力异常5.重力探测的条件,-,16,1重力（场）,根据万有引力定律，地球作为一个有一定质量的球体，对其外部质量为m的物体有引力：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：物体所受重力应为地球的引力和惯性离心力的矢量和：,f=6.6710-8cm3/g.s2,重力示意图,-,17,重力（场）强度,重力概念中包含了试验质量m的因素，消除m的影响可得重力场强度：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（场）强度与重力方向一致，一般不指向地心。但由于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。,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。,-,18,重力勘探中的“重力”,重力勘探中，习惯将力场强度称为“力”，如引力场强度简称为引力，重力场强度简称为重力。厘米克秒制（CGS制）中，重力单位是cm/s2，称为伽利略（Galileo），简称伽，符号Gal。实际生产中常用其分数单位毫伽（mGal）和微伽（Gal）。1mGal=10-3Gal，1Gal=10-6Gal国际单位制（SI制）中，重力的单位是m/s2，通常取国际通用重力单位（gravityunit，符号g.u）做为实用单位：1g.u=10-6m/s2；1mGal=10g.u,-,19,2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。重力在空间上的变化主要表现为：地球是一个近似于两极压缩的扁球体，而且地表起伏不平，这将引起约6万g.u的重力变化（两极引力大，赤道引力小）；地球的自转也能使重力产生3.4万g.u的变化（两极离心力为零，赤道离心力最大）；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，来研究地质构造和达到勘探矿产资源的目的。,-,20,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。短周期变化主要指重力日变。由于地球的自转，地表各点与日月天体的相对位置不断改变，日月引力的变化引起重力的变化，这种变化的周期为一天，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。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。,-,21,重力日变曲线,1976年7月9日-10日北京重力日变,1976年7月9日-10日，农历为六月十三、十四；最大最小之差约为200微伽=2g.u；各点日变值还应考虑到季节、纬度和地轴倾斜的影响，春秋季节，赤道上的日变应该是幅度最大的。,-,22,3.正常重力,假设大地水准面为旋转椭球体，内部物质呈层状均匀分布，根据该椭球体的形状大小、密度分布、自转角速度等参数，可以得出计算表面各点重力值的正常重力公式。基本形式为：为计算点的地理纬度，为赤道重力，为两极重力。地球力学扁度，参数地球的几何扁度,-,23,正常重力计算式,确定正常重力公式的关键是求取，三个参数，具体的正常重力公式有：19011930年赫尔默特公式（多用于测绘部门）1930年卡西尼国际正常重力公式（多用于勘探部门）1979年国际地球物理与大地测量联合会八十年代以后，我国各行业统一使用19011930年赫尔默特公式。,-,24,对正常重力的认识,对正常重力应有如下认识：（1）正常重力公式是按一定条件推导出来的理论公式，而不是客观存在的；（2）正常重力值只与纬度有关，而与经度无关；（3）正常重力值在赤道最小，向两极逐渐变大，最大相差约5万g.u；（4）正常重力值随纬度变化的变化率与纬度有关，在纬度45处变化率最大；（5）正常重力值随高度增加而减小，在地表附近，其变化率约为-3.086g.u/m。,-,25,4.重力异常,地面测点的重力观测值与该点的正常重力值一般是不相同的，假定测量值是准确的，引起偏差的原因不外乎以下几个方面：第一，重力观测是在地球的自然表面上进行，自然表面与大地水准面的高差及二者之间的物质会引起测点重力的变化；第二，地壳内存在着密度异常体，既地球内部物质并不是呈同心层状均匀分布，这使得实测值与正常重力值之间出现差异；第三，重力随时间的变化。对于重力勘探而言，只有第二种因素引起的重力变化才是用于地质研究的重力异常。,-,26,设地下有一体积为V，密度为的球形密度异常体，A、B两点均在大地水准面上，如果两点的纬度不同，纬度的变化会引起正常重力值的变化。假设在足够大的范围内围岩密度是均匀的，值为，异常体相对于围岩的密度差称为剩余密度（），异常体与相同体积围岩之间的质量差称为剩余质量（）。,剩余密度与剩余质量,重力异常的图示,-,27,由于剩余质量的存在，与密度正常分布的情况相比，测点受到一个附加引力F，测点的实际重力为g=g0+F。严格地讲g和g0方向不同，但由于|F|0,-y+，dz2)，此时可以根据最小二乘原理确定未知系数，得出最佳的拟合式用以计算各点的界面深度。,-,54,5反问题的多解性,地球物理的正问题都是确定的、唯一的，即一种地球物理模型只能有一种场的分布与之对应。但反问题一般是不确定的，对同一异常分布通常可以给出几种不同的、但又都合理的解释，即反问题具有多解性。主要原因是：场的等效性，即不同的地球物理模型可以对应相同的地球物理场。观测数据的有限性和离散性。实际的测量都是在有限的范围内，在离散的测点上进行，有限的、离散的数据减少了地球物理场所包含的信息。误差的影响。实测数据都是包含误差的，这使得相差不超过误差限的不同场难以区分。,-,55,减少多解性的措施,多解性的存在降低了反问题的精度和可靠性，因此在实际工作中要设法加以克服。针对引起多解性的原因，可以采取的措施分别是：提高观测精度，如使用高精度的仪器、规范的操作方法、多次重复观测等减小误差；增加野外测量范围，加密测点，补充可能漏掉的有用信息；采用多种方法的综合应用，搜集相关资料，不同的物探方法相结合，必要时还可以采取物探、化探、测井、钻井、地质等多学科的联合应用。,-,56,思考题,在地表附近，正常重力随高度增加而减小，随深度增加如何变化？球心处的引力应该是多大？“引起重力变化的因素就是引起重力异常变化的因素”这种说法对吗？为什么？“一个背斜构造产生一个正的重力异常，一个向斜构造产生一个负的重力异常”。这种认识对吗？一个球形异常体，在非主测线上（不过球心在地面的投影点），异常形态会是什么样的？在与无限长水平圆柱体走向斜交的测线上，异常形态怎样？将其当作主测线异常解释有何影响？,-,57,1.2重力勘探的方法技术,采用重力观测仪器，即重力仪，在设计的观测点位置测量实际的重力（加速度）值，然后从实际观测结果中提取与研究目标密切相关的重力异常。主要内容1.2.1重力测量原理及仪器1.2.2重力勘探工作方法1.2.3重力观测数据的外部校正1.2.4重力异常的类型及意义1.2.5重力异常的数据处理,-,58,1.2.1重力测量原理及仪器,主要内容1.重力测量原理绝对重力测量：测量重力全值/真值相对重力测量：测量两点间重力差值2.重力测量仪器动力法重力仪器：绝对重力测量仪器石英弹簧重力仪：相对重力测量仪器金属弹簧重力仪：相对重力测量仪器超导重力仪：相对重力测量仪器,-,59,绝对重力测量,自由落体运动中，根据物体下落的距离h与所经历的时间t之间的关系，可以求出重力加速度：对于一个数学摆，根据摆动周期T与摆长l之间的关系，也可以求出重力加速度：上述方法应用的是物体的运动现象，这种方法称为动力法，用于测量重力全值，即绝对重力值，这种测量方法称为绝对重力测量。,-,60,相对重力测量,现代重力仪大多采用重力平衡原理，通过测量物体平衡位置因重力变化而产生的位移，进而测量重力变化，这种方法称为静力法，可以测量任意两点间的重力差值，即相对重力值，这种测量方法称为相对重力测量。已知弹簧的弹性系数为k，原长为l0，实验质量为m，在A点受重力伸长为lA：在B点受重力伸长为lB：可以求得A、B两点间的重力差值为：,-,61,重力仪,重力仪（gravimeter）是用来测量重力的仪器。重力仪类型很多，分别适用于不同的领域和环境，如：陆上重力仪、海洋重力仪、海底重力仪、航空重力仪、井中重力仪等。重力勘探所要研究的是重力值的微小变化，实际勘探中，通常要求在重力场为980Gal的基础上测量出0.01mGal的变化，即重力测量的相对精度要在10-8以上，由此可见对仪器的精度要求是非常高的。,-,62,FG5-LAbsoluteGravimeter,仪器参数测量精度：0.01mGal电源：100-240VDC,FG5-L重力仪实物照片,-,63,国产ZSM石英弹簧重力仪,ZSM-4型重力仪的主要技术指标,北京地质仪器厂制造,-,64,使用中的ZSM重力仪,物探实习：ZSM重力仪,-,65,Lacoste&Romberg金属弹簧重力仪,D,G,Lacoste&RombergCorpLtd,-,66,ZLS金属弹簧重力仪,测程：7000mGal温度：-15-+50数据分辨率：0.001mGal数据重复性：0.001-0.003mGal零点漂移：1.0-0.3mGal/month电源：10.5-14.0VDC尺度：19.0530.530.5cm重量：7.90.45kg,-,67,GWR超导重力仪,与机械式重力仪相比，超导重力仪具有较高的灵敏度（0.01微伽），和较高的零点稳定性，零点位移小于1微伽/天。超导重力仪需要液体氦做冷却剂，保存运输不便，一般在固定点上研究重力随时间的变化。但也不排除在野外观测中的应用。,-,68,1.2.2重力勘探工作方法,保质保量，经济高效地取得测区的重力观测数据，为后续工作提供原始资料。主要内容：1.工作任务2.工作比例尺3.重力基点网4.重力测网5.观测方式6.零点漂移校正,-,69,1.工作任务,重力勘探的工作任务大体上分为四个阶段。预查是在勘探空白区进行的大范围的，小比例尺的重力测量，其目的是在较短的时间获得有关大地构造基本轮廓的资料。（填补资料空白）普查是在具有进一步工作价值的地区开展的工作，其目的是划分区域地质构造，比较确切地指示成矿地带。（指示成矿区带）详查是在成矿地带研究重力场的规律和特点，提出构造和/或矿体的位置和产状。（发现目标矿产）细测是对已知矿体、储油气构造等目标进行详细研究，确定其产状、规模等要素。（研究已知矿体）,-,70,2.工作比例尺,重力勘探的工作比例尺一般要与工作任务相适应，也要考虑到探测对象所产生的重力异常的特点。比例尺愈大，单位面积内的测点就愈多，对重力异常的研究也就愈详细。,-,71,3.重力基点网,重力基点（gravitybasestation）：为了检查重力仪的零点位移、确定合适的零点改正系数、减少误差的积累和提高重力测量精度，在测量之前，要在工区内确定一定数量的控制点，称重力基点。重力基点网（gravitybasepointsnet）指工区内一系列基点所构成的控制网。各基点相对于总基点的重力差值是用一台或几台重力仪通过特定的基点连测准确测定的，其精度比一般测点高23倍。,-,72,4.重力测网,重力测网（gravimetricnetwork）又称重力普通网，是重力勘探野外观测中一系列测点所构成的普通网。重力测网的大小和形状由勘探任务及勘探对象的大小和形状来决定。当勘探对象有一定走向时，多采用矩形网，反之，多采用方格网。网格的大小，在普查时以不漏掉有意义的地质体为原则；在详查时以查明地质体产生的重力异常的变化细节为原则。,-,73,5.野外观测方式,重力观测方式图示,a:从基点出发，沿测线逐点观测，然后原路返回，逐点检查，比较简单；b:分段往返，及时复查，相对麻烦，特别是路程长；c:从一个基点出发，沿测线观测，到另一个基点结束，简单；d:从基点出发，沿测线逐点观测，然后返回基点重复观测，简单；e:从基点出发，沿测线逐点观测，返回途中检查部分测点；,-,74,6.零点漂移校正,在相对重力测量中，由于重力仪灵敏系统的弹性疲劳、温度补偿不完全等因素，仪器读数的零点值随时间而不断变化，该现象称为零点漂移。如果叠加上重力日变的影响，则称为混合零点漂移。针对这一影响因素而进行的数据校正称为零点漂移校正。为进行零点漂移校正，仪器每次从基点出发，观测一段时间之后，需回到原基点、或另一基点、或总基点上观测一次，测出零点漂移量。在较短的时间内，可以认为零点漂移是随时间线性变化的。,-,75,零点漂移校正（续）,零点漂移系数：零点漂移校正就是从观测值中减去漂移量。零漂校正值为：t1,t2为同一基点上两次观测时间，t为测点上观测时间。,重力仪的零点漂移曲线,-,76,1.2.3重力观测数据的外部校正,在得到测点准确的重力值之后，为提取地下地质异常体在测点上引起的重力异常，还应该消除各种影响因素的作用，需要对观测数据进行必要的校正，这部分校正称为重力观测数据的外部校正。校正方法就是分别计算出各因素的影响量，然后从观测值中减去。校正量与影响量大小相等，符号相反。即：,-,77,重力观测数据的组成,-,78,外部校正的内容,根据前面的分析，外部校正的内容应包括：1.正常场（纬度）校正：消除测点与基点间纬度差异而造成的重力变化；2.地形校正：消除测点附近地形起伏对重力观测结果数据的影响；3.中间层校正：消除测点基准面与基点基准面之间水平中间层的重力影响；4.高度校正：消除测点相对于基点的高程差而造成的重力数值变化。,-,79,1.正常场（纬度）校正,正常重力是纬度的函数，当测点与基点纬度不同时正常场的值是不同的。为消除正常重力因纬度不同而引起的重力变化，实现纬度一致性而进行的校正称为正常场（纬度）校正。由于测点与基点的纬度均是已知的，可以计算出正常重力值的变化量为：当测区不是很大时，可以认为正常场的纬度变化率不变，正常重力值的变化量为：式中为总基点所在的纬度，为测点与总基点的纬向距离（单位为km）。,-,80,2.地形校正,地形校正需要根据实际地形起伏，求出测点基准面以上质量盈余及以下的质量亏损对测点的影响：然后从观测重力差值中减去，测点附近的地形起伏使重力值比水平地形要小，因而校正值为正。,-,81,3.中间层校正,经过地形校正后，各测点附近的地形起伏的影响消除了，但各测点与基点的重力差值中仍然包含着通过测点的水准面和通过总基点的水准面之间存在的一个水平物质层厚度变化的影响，这一水平物质层通常称为中间层。消除中间层影响的校正叫做中间层校正。,-,82,中间层校正（续）,中间层的存在使测点重力观测值增大，影响量为：因而中间层校正值为：取h单位为m，密度单位为g/cm3，则中间层校正值为：测点高于基点时为正，反之为负。,-,83,4.高度校正,进行高度校正的目的是为了消除各测点海拔高程不同对重力观测值的影响。消除由于测点与基准面存在高差所造成的重力影响的校正称为高度校正。大地水准面附近，高度每增加1m，正常重力值减少0.3086mGal。当测点高出基准面h时，其高度校正值为：,-,84,布格重力异常,高度校正和中间层校正都与测点的高程大小有关系，通常把这两项合并起来称为布格（Bouguer）校正，即：观测重力差值经过正常场校正、地形校正和布格校正之后得到异常称为布格重力异常。可表示为：布格重力异常是重力勘探中最重要的概念之一，其典型特征是布格校正。,-,85,校正后的效果,外部校正仅仅消除了起伏地形上各测点与基准面之间均匀密度分布对测点重力值的影响，并没有改变局部密度不均匀体对各测点重力值的影响。因此，校正后局部密度不均匀体引起的重力异常并不是对应于测点在基准面上的投影点，而是仍然对应于自然表面上的各测点。,-,86,1.2.4重力异常的类型及其意义,布格重力异常仅仅是重力异常的一种，经过不同的校正，可以得到不同类型的重力异常。由于在进行各项校正的过程中对地球的质量分布做了不同程度的调整，因而相应的重力异常具有各不相同的地质-地球物理意义。异常类型：1.布格重力异常2.均衡异常3.自由空间异常,-,87,1.布格重力异常,布格重力异常是应用最为广泛的一种重力异常。经过各项校正后，消除了观测面以下正常密度分布的重力作用，但是对于异常/剩余密度分布的重力作用未作任何调整。因而布格重力异常包含了从浅到深各个深度上剩余密度分布对测点的重力作用，既有各种局部矿体和构造的影响，也包含了大范围内地壳下界面起伏而在横向上相对于上地幔质量的巨大亏损（陆地）或盈余（海区）的影响。实际应用中，布格重力异常又分为绝对布格重力异常和相对布格重力异常。,-,88,相对布格重力异常,相对布格重力异常的计算如前所述，取测区内总基点所在的水准面作为比较各测点异常值大小的基准面，重力观测值为测点相对于总基点的重力差值，布格校正所用的高程是测点相对于总基点的相对高程，密度用当地地表实测的平均密度值，正常场校正可用纬度校正代替。相对布格重力异常多用于小面积、大比例尺的测量中，便于对局部的异常做较深入的分析。,-,89,绝对布格重力异常,绝对布格重力异常的计算是以大地水准面为比较各测点重力异常大小的基准面，布格校正用的高程是测点的海拔高度，密度用统一规定的2.67g/cm3。绝对布格重力异常用在中、小比例尺中，便于大面积的拼图和统一解释。大的范围内，布格重力异常除局部的起伏变化外，总的规律是在陆地区特别是在山区表现大面积的负值区，山越高，异常负值越大；而在海洋区，则属于大面积的正值区。,-,90,中国大陆地区布格重力异常,-,91,中国近海及邻区布格重力异常,异常特征大陆布格重力异常负值带（北区、中区和南区）布格重力异常正高值与负值的过渡带（三个过渡区）布格重力异常正高值带,-,92,布格重力异常的复杂性,布格重力异常是地球内部所有密度不均匀体引起的叠加异常，是一种体积效应。叠加异常中的一部分，主要是由分布较广的中、深部地质因素的重力效应；一部分是浅层和局部的密度体的重力效应；还包含各种干扰因素。不同地质因素引起的异常在幅度大小、分布范围、变化快慢等特征方面都不尽相同，因而所包含的信息量是很大的。但是，不同因素引起的异常叠加在一起，又给异常的识别、区分和研究都带来了相当大的困难。,-,93,布格重力异常的均衡意义,如果地形起伏仅仅是在密度基本上正常分布的地球表面造成局部的质量亏损或盈余，经过布格校正后的重力异常应该不大且无系统偏差。但是，布格重力异常在山区表现为大范围的负值，山越高负值越大，说明山底下应有某种形式的物质亏损以补偿山体质量相对于周围地区造成的盈余。这体现（隐含）了质量均衡的思想。,-,94,2.均衡重力异常,地壳均衡是基于流体静力平衡原理对地壳构造进行解释的理论。该理论认为：密度较小的地壳由密度较大的深部岩浆支撑着，高山和大陆漂浮在地幔岩浆之上，并处于平衡状态，地壳的各个地块在一定的深度压力相等。地壳均衡理论是19世纪中期为解释喜马拉雅山南麓的铅垂线偏差而首次提出来的观点，它能较正确地解释地壳结构的基本规律，并已被越来越多的地球物理(如重力、地震等)资料所证实。均衡重力异常是指根据地壳均衡理论，对布格重力异常进行均衡校正后得到的重力异常。,-,95,普拉特-海福特模型/假说,普拉特模型认为：在地下某一深处存在等压面，即均衡面，均衡面的海拔深度大致相等，该面以上地壳介质的密度是横向变化的，但相同面积承载的质量相等,即。在山区柱体密度要小些，而平原和海洋，柱体密度要大些。,地壳均衡的普拉特模型,-,96,艾礼-海斯坎宁模型/假说,艾礼模型认为：地壳介质的密度横向变化不大（平均约2.67g/cm3），但其厚度变化是明显的，地形的凸起和陷入深部岩浆的下凹相对应，地形越高，莫霍面越深，同样。地壳质量的过剩和不足由其下面较重的岩浆面位置的高低来补偿。通过最深柱体的底面就是等压力均衡面。,地壳均衡的艾礼模型,-,97,维宁.梅涅斯模型/假说,弹性板模型认为：地壳物质的补偿是以区域性的规模进行的，由于地壳的弹性弯曲，其密度和厚度是横向渐变的。地壳的底界面即莫霍面的起伏影响着地壳均衡力。在地壳均衡的情况下，莫霍面基本上与地形起伏成镜像对应关系。,地壳均衡的弹性板模型,-,98,不同均衡模型的对比,考虑到地壳形成过程中凝聚力的影响和密度变化的客观情况，三种均衡模型/假说中，弹性板模型/假说应该是最为合理。对比研究表明，三种均衡模型产生的均衡效应几乎相同，普拉特模型与实际的地壳底界面起伏有明显的矛盾，弹性板模型计算相对复杂，因而简单实用的是艾礼模型。,地壳均衡的三种模型,-,99,均衡校正,均衡校正就是消除地形起伏及由此而在大地水准面与均衡补偿面之间引起的密度变化对测点重力值的影响。均衡重力异常反映的是在经过均衡调整后的地球密度分布与正常椭球体之间的偏差，均衡异常为正，表示补偿过剩，为负表示补偿不足，接近为零表示近于均衡状态。,-,100,3.自由空间（气）异常,对实测重力值只做正常场和高度校正而不做其他校正，所得的重力异常称为自由空间（气）异常：由于只做了高度校正，因而自然表面与大地水准面之间物质的影响仍然存在；减去正常重力就是将实际的地球密度分布与正常密度分布的旋转椭球体做比较，因而它反映的是实际地球的形状和质量分布相对于正常旋转椭球体的偏差。在地形高差不太大（小于2000m）的情况下，自由空间异常可以较好地代替均衡重力异常。,-,101,1.2.5重力异常的数据处理,重力异常是自浅到深各种地质因素在测点引起的重力作用的总和，属叠加异常，而不是单一因素的响应；各种误差的存在也使异常变得复杂。因此，在地质解释之前需要对重力异常做必要的处理。重力数据处理的目的是：1.消除因重力测量和对测量结果进行各项校正所引入的各种误差，或与勘探目的无关的近地表小型密度异常体的干扰；2.从叠加异常中提取由勘探目标引起的目标异常；3.进行位场转换，如解析延拓、导数换算等，以满足对异常进行解释的需要。,-,102,1.异常数据的圆滑,由于各种误差的存在以及近地表密度不均匀体的干扰，重力异常图上常常出现“突变点”，严重地影响后续处理及解释，此时要根据具体情况对数据进行圆滑（或称平滑）处理。,剖面数据的圆滑,平面数据的圆滑,-,103,2.区域场分离,在重力勘探中，由目标构造、矿体等因素引起的重力效应是目标异常。通过数据圆滑，叠加异常中浅层不均匀因素引起的干扰基本被消除，但是深层和区域地质因素的重力效应仍然存在，严重影响异常的形态。,区域异常对局部异常的影响示意图,-,104,区域异常与局部异常的概念,在叠加异常中，由深部或区域性地质因素引起的成分往往具有范围大、幅度大、变化平稳的特征，这样的异常称为区域异常。相比之下，研究对象引起的异常一般具有范围小、幅度小、变化比较明显的特征，这样的异常称为局部异常。由于局部异常是从叠加异常中去除区域异常后剩余的部分，因此也称为剩余异常。,-,105,区域异常与局部异常的叠加,1.球体剩余密度为正，埋深大，异常水平梯度小于区域异常梯度，平面异常等值线向低值方向扭曲，不能形成闭合；2.埋深小，异常水平梯度大于区域异常梯度，在中心附近可以形成小的高值闭合；3.球体剩余密度为负时，平面异常等值线向高值方向扭曲，或形成小的低值闭合。,球体异常与单斜异常的叠加,-,106,区域异常与局部异常的区分,区域异常与局部异常的概念是相对的，随研究任务而定，没有截然的标准。如：在沉积盆地内研究盖层构造时，盖层构造引起的异常为局部异常，盆地基底起伏同更深、更大范围的地质因素所引起的异常统统视为区域异常；在研究盆地基底起伏时，基底起伏引起的异常就成为局部异常，而更深、更大范围的地质因素（如莫霍面起伏）引起的异常才是区域异常。,-,107,图解法,该方法根据叠加异常的形态，利用区域异常和局部异常特征上的差异，参照具体地质情况，凭借估算的区域异常梯度大小及变化趋势，徒手画出区域异常的形态，然后从叠加异常重将其减去，从而得到局部异常（亦称剩余异常）。,-,108,区域场分离实例：东营凹陷,区域异常,剩余异常,布格异常,构造形态,-,109,3.解析延拓,野外重力测量一般都是在地表进行的，但场是全空间分布的，有时地面观测资料不能充分体现异常的特征，需要在另外的高度平面上加以研究。由观测平面上的重力异常，通过数学计算得出另外一个高度平面上的异常值，这种变换方法称为解析延拓。换算平面在观测平面以上称为向上延拓，反之，换算平面在观测平面以下则称为向下延拓。,-,110,重力异常向上延拓实例,向上延拓使异常曲线变得平滑、平缓，有效地衰减了浅部和局部地质体的异常，相对突出了深部和区域地质因素的重力效应。,喀什到福州的重力剖面延拓效果,-,111,重力异常向上延拓实例,向上延拓使异常曲线变得平滑、平缓，有效地衰减了浅部和局部地质体的异常，相对突出了深部和区域地质因素的重力效应。,-,112,重力异常向上延拓实例：东营凹陷,向上延拓使异常曲线变得平滑、平缓，有效地衰减了浅部和局部地质体的异常，相对突出了深部和区域地质因素的重力效应。,上延5km,地面异常,-,113,重力异常向下延拓实例：东营凹陷,与向上延拓相反，向下延拓使异常变化更加明显，有效地突出了浅部和局部异常，相对压制了深部和区域异常。,地面异常,下延1km,-,114,重力异常向下延拓实例：莺歌海盆地,向下延拓使异常变化更加明显，有效地突出了浅部和局部异常，相对压制了深部和区域异常。,-,115,4.导数换算,在重力资料的处理解释中，有时需要计算异常的导数，如、等，目的是：异常的导数在不同形状的地质体上有不同的特征，有助于异常的解释和分类；异常的导数可以压制深部和区域性异常，突出浅部地质因素，提高分辨能力。,用导数区分叠加异常,-,116,中国大陆布格重力异常及其水平梯度对比,布格重力异常,异常水平梯度,-,117,垂向二次导数换算实例：美国西门德油田,导数换算可以有效地突出次级异常，分离叠加异常，提高横向分辨能力。,-,118,垂向二次导数换算实例_洛杉矶盆地西北部,导数换算可以有效地突出次级异常，分离叠加异常，提高横向分辨能力。,-,119,垂向二次导数换算实例：东营凹陷,导数换算可以有效地突出次级异常，分离叠加异常，提高横向分辨能力。,布格重力异常,垂向二次导数,-,120,思考题,在地面岩石密度变化不明显的情况下，由山脚往山上做重力测量，读数会有什么样的变化规律？原因是什么？如果要完成一条长剖面，连续几天沿测线进行测量，几天后回到出发点对基点，这种工作方式是否可行？理解重力观测数据的校正及实现的效果。重力数据处理的目的是什么？重力数据的圆滑有何意义？有哪些方法？如何理解区域异常和局部异常？重力异常资料解析延拓的目的意义及效果如何？重力异常的导数换算有何意义及效果？,-,121,1.3重力资料的地质应用,重力资料的地质解释就是根据异常的分布特征，结合工区的地质条件和岩（矿）石的物性参数，说明引起异常的地质原因，做出地质结论。地质解释可分为定性解释和定量解释两个阶段：定性解释的任务侧重于确定引起异常的原因，并粗略地判断产生异常的地质体的埋深、产状特征。定量解释是根据重力异常估计地质体的形状，定量计算地质体的埋深、大小及产状等。主要内容：1.3.1在研究深部构造中的应用1.3.2在区域地质调查中的应用1.3.3在油气田勘查中的应用,-,122,1.3.1在研究深部构造中的应用,利用重力资料研究地壳深部构造，主要是确定各密度界面（康氏面、莫霍面等）的起伏和提供有关地壳活动性的资料。这不仅可以研究地壳的演化和大陆与海洋的形成等基础理论问题，而且对划分大地构造单元、分析和预报天然地震的活动性、研究火山活动和各种矿产的成矿规律也具有重要的意义。所用资料主要是大区域、小比例尺的布格重力异常图和均衡异常图。由于重力反问题的多解性，需要借助于较为精确的地震测深资料作为控制。由于大面积计算均衡校正相当费事，因此常用自由空气（间）异常代替均衡异常。,-,123,1.研究莫霍面深度变化,大量的实际资料表明，布格重力异常在广阔的地区内与地面高程有良好的相关性，通常在地势高的地区表现为重力低，而在地势低的地区，尤其是海洋区则呈现为重力高。根据均衡理论，地形海拔越高，地壳越厚，布格重力异常值越低。这表明地表质量的过剩（地形隆起）由地壳深处质量的亏损所补偿。因此，布格重力异常与地壳厚度（莫霍面深度）和地形起伏有明显的对应关系。,-,124,地壳厚度与地形高度和重力异常的关系,可以看出，布格重力异常的总体趋势与地形起伏呈镜像关系，与莫霍面的起伏呈线性关系。,喜马拉雅山和青藏高原的重力异常、地壳厚度和地形剖面,-,125,地壳厚度与地形高度和重力异常的关系,布格重力异常的总体趋势与地形起伏呈镜像关系，与莫霍面的起伏呈线性关系，这种现象可由均衡理论进行解释。在地壳基本均衡的状态下，均衡异常（自由空气异常）接近于零，与地形的关系不大。,-,126,布格重力异常与地壳厚度的相关性,统计结果表明，布格重力异常与地壳厚度之间存在相关性，这种关系可以近似地用线性公式表示：式中H为地壳厚度，为异常平均值，H0是布格异常平均值为零的地方的地壳厚度，为相关系数。就一个较大的地区而言，这种关系及系数H0和可能也各不相同。1980年，中国地质科学院物探所提出了我国的重力异常与地壳厚度相关公式：并应用此式计算了全国的莫霍面深度。,-,127,重力异常与地形和莫霍面深度的对比,对比分析：三者形态特征是相似的；重力异常与地形负相似；莫霍深度与地形负相似；莫霍深度与重力正相似。,莫霍面深度,-,128,2.研究地壳的均衡状态,均衡异常的意义为偏离于均衡状态的成分变化和与之有关的构造的反映。均衡异常的存在表示现阶段还没有达到均衡状态，均衡负异常表示地下物质亏损，正异常表示地下物质盈余。研究均衡异常可以了解地壳的物质结构、构造和厚度，更可以反映各地区构造的近期活动性。,地壳均衡的三种模型,-,129,全球范围内的均衡重力异常,-,130,研究地壳的均衡状态,大范围内的均衡异常平均值有三种情况：异常近于零，区域补偿近于均衡状态；异常大于零，区域补偿过剩，局部质量偏多；异常小于零，区域补偿不足，局部质量偏少。,大陆和大洋均衡补偿现象示意图,-,131,研究地壳的均衡状态,有时在造山带地区也会出现均衡正异常，这是由于地壳下横向的挤压力使较轻的地壳上升，而在深海沟出处如出现负均衡异常，则是由于较轻的岩石圈向下俯冲插入地幔所致。推测喜玛拉雅山地区大范围的均衡正异常正是由于印度板块向北挤压俯冲造成的。,被动大陆边缘模式,-,132,3.重力异常与天然地震,地震是地壳岩层能量突然释放导致周围物质运动的一种形式。地震一般源于板块边界的相对运动，局部地壳发生弹性形变，从而产生应力的累积，当应力超过摩擦阻力时，就会出现突然的错动，导致地震。,-,133,重力异常与天然地震的关系,全球范围内，地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动带。如环太平洋带，阿尔卑斯-喜马拉雅带，大西洋中脊和印度洋中脊等。这些地震活动带在布格/均衡重力异常图上对应于巨大的重力梯级带。,-,134,汶川地震区重力异常图,2008年5月12日汶川7.8级地震发生在著名的龙门山断裂带上。该断裂带是成都平原与川西高原的结合部，重力异常图上表现为显著的梯度带，两侧地块的基底深度和厚度都有数10公里的差异。,汶川地震区重力异常图,-,135,重力变化与地震预报,地震孕育过程中的地壳形变、质量迁移、断层蠕动等现象可以引起重力变化，通过观测这种变化可以对地震进行研究和预报。,2002年9月3日太原5.0级地震前后的重力变化,-,136,1.3.2在区域地质调查中的应用,不同比例尺的区域地质调查中，重力资料能够和可能解决的地质问题可概括为：划分地质构造单元，确定深大断裂，研究能源和金属矿产的分布规律；进行地质填图，如确定接触带，断裂带，破碎带，圈定侵入体，喷出岩，沉积岩和变质岩；划分成矿带，确定成矿远景区，指出找矿方向；大比例尺的重力测量还具有直接或间接找矿的作用。,-,137,1.划分大地构造单元,大地构造单元是指按地壳结构的特点及构造发展史而划分的不同区域。通常所说的大地构造单元是指地槽区（也称褶皱区）和地台区。由于地质特征的不同，它们的重力异常特征也不同。,不同大地构造单元的重力异常特征,-,138,地槽区的重力异常特征,在典型的地槽区，布格重力异常的主要特点是：有巨大的负异常背景，区域异常等值线多沿一定方向伸展，正负异常线性排列，异常幅度较大；异常的趋势常随地形的升高而降低，反映了地壳加厚；局部异常变化剧烈，可能反映岩性和构造的复杂性。,地槽区,地台区,过渡,-,139,地台区的重力异常特征,在典型的地台区，布格重力异常的主要特点是：异常等值线方向性不明显，其幅度和梯度也比较小；在较为平缓的背景上呈现出一些幅度不大，较为开阔，线性分布不明显的次一级异常，这与地台区基底结构和起伏，以及沉积岩系分布特点有关。,地台区,地槽区,-,140,2.确定断裂构造,断层（裂）是广泛存在的一种构造现象，不同级别的断裂往往是相应级别构造单元的分界线，某些矿产的分布也与断裂构造密切相关。利用重力资料确定断裂常常是有效的。,-,141,断裂构造的表现形式,断裂（层）在布格重力异常图上的表现形式为：沿一定方向延伸的梯级带；异常梯级带发生同形扭曲或方向变化；串珠状正或负异常；封闭异常突然变宽、变窄或轴线明显错动的部位；不同特征异常区域的分界线。,布格重力异常图上断裂(层)的表现形式,-,142,3.研究盆地基底的起伏和岩性,基底起伏及内部岩性变化是盆地研究的重要内容，研究基底起伏可推断沉积岩系的分布范围和厚度变化，对划分构造单元，指出含油气远景区均有重要意义。在基岩密度较均匀的情况下，重力异常主要反映基底顶面的起伏。在基底起伏较平缓，且埋藏深度不大的情况下，基底内部结构和岩性变化是决定重力异常特征的主要因素，根据重力资料可以研究基底构造的走向、基底构造的某些特点，甚至组成基底的岩石类型。,-,143,结晶基底顶面的起伏,沉积盆地的结晶基底与上覆沉积岩系之间通常都存在一定/较大的密度差，在基底内部岩性较均匀的情况下，基岩顶面的起伏能形成较大范围内的重力高低变化，据此可以成功地圈定那些范围较大的、有较大幅度的隆起或凹陷的构造单元。,密度界面起伏与相应的重力异常,-,144,川东北地区布格重力异常实例,布格重力异常图上，中部的通江-万源-城口-镇坪为规模宏大的低值区，东西走向；而巴中-仪陇南部和宣汉-达县为两个北东向重力高组成的异常带，北部的旺苍-南江-镇巴-紫阳-旬阳为近东西向的重力高异常带。,中上元古界浅变质岩系与上覆地层有0.15g/cm3的密度差，帕克法界面反演的结果主要反映了前寒武纪基底构造，是一个显著的盆地基底凹陷区，深度大于10km，有两个凹陷中心，河口场-毛坝、城口-狮坪-文峰北。,-,145,结晶基岩内部的密度变化,由于经历长期地壳运动及岩浆作用，结晶基底内部的构造和成分变得复杂，密度横向变化明显，在沉积岩不太厚甚至基底出露的地区，基底内部的密度变化，会在地表产生最大达数百g.u的重力异常。,重力异常与岩层密度变化1-太古代花岗片麻岩；2-混合岩；3-博特金后期花岗岩；4-石英岩和砂岩5-页岩、白云岩、辉绿岩；6-千枚岩；7-岩石密度曲线；8-重力异常曲线,-,146,1.3.3在油气田勘查中的应用,利用重力资料可以研究区域地质构造、圈定沉积盆地范围、划分次级构造单元、指出含油气远景区，有时还可以研究沉积构造甚至油气藏。1.研究区域地质构造，预测油气远景区2.研究沉积盖层内部构造3.油气储集层的重力效应4.油气藏开发微重力监测,-,147,1.研究区域地质构造，预测油气远景区,研究含油气盆地的区域地质构造是一项综合的地质任务，它包括：研究结晶基底成分和内部构造；确定基底顶面的起伏；圈定沉积岩系的分布范围和寻找构造；确定区域性断裂及盆地与周围构造单元的关系等。目的是在盆地内部进行构造分区，判断深凹陷的存在，预测生油岩系的分布范围以及圈定进一步找油的远景区。,-,148,华北盆地布格重力异常图,区域异常走向以北东向为主；其总趋势是由东向西逐渐降低；重力低带与重力高带相间出现，从东到西依次为：无棣重力高带、黄骅重力低带、沧县重力高带、冀中重力低带；在这些异常之间和盆地边缘分布着许多重力梯级带，如新城-石家庄梯级带，固安-宝坻梯级带和沧县梯级带等。,-,149,华北盆地早期油气勘探,结合其他资料，对华北盆地布格重力异