重力勘探

地球物理方法在固体矿产资源勘探中的应用谭捍东中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院2006年3月2日于乌鲁木齐重力勘探•岩(矿)石的密度•重力野外测量•重力资料整理与异常的获得•重力异常转换处理•重力异常的地质解释与应用实例岩(矿)石的密度•重力场是地球内部物质质量分布、也就是物质密度分布特征的反映•地下物质、岩石、矿石的密度及其分布是重力场分析与解释时的基本数据和资料•在对重力测量的数据作布格改正(中间层改正)、地形改正时都要用到岩石、矿石及有关物质的密度资料•在地质、地球物理研究中解释重力异常时，岩石与矿石的密度又是解释的基础。一、决定岩(矿)石密度的主要因素决定岩石密度大小的主要因素是：1．岩石中各种矿物成分及其含量的多少2．岩石中的孔隙度大小及孔隙中的充填物多少3．岩石所受压力的大小火成岩的密度基本规律：从酸性岩向基性岩过渡时，其密度逐渐增大•同一种侵入岩体，侵入后的冷凝分异形成不同的岩相带，周围偏基性，向中心逐渐发育为偏酸性，边缘相的密度比过渡相和内相的密度大些•同类侵入岩体，不同时期侵入，其矿物成分相同，但因含量有所变化时密度不同•同源岩浆，成分一样，但成岩环境不同时，可形成不同的矿物和岩石，密度亦不同沉积岩的密度•沉积岩具有不同的孔隙度，密度往往有较大的变化范围。•一般，近地表的沉积岩孔隙度较大，则密度较小，随着埋深增加孔隙度相应减小，密度增大。•同一成分的沉积岩，时代较老的沉积岩要比时代新的同类岩石的密度要大些•同一时代同类岩性的沉积岩，由于地质作用条件不同，盆地边缘密度大，向盆地中心密度逐渐减小。变质岩的密度•其密度与矿物的成分、含量和孔隙度均有密切关系，这主要由变质性质和变质程度大小决定。一般区域变质作用的结果，使变质岩的密度比原岩的密度增大•动力变质作用使原岩结构遭破坏，矿物被压碎，其密度比原岩密度低。但有时动力变质作用使原岩发生硅化，碳酸盐化以及重结晶，则密度会比原岩大些名称密度值／(g/cm3)名称密度值／(g/cm3)流纹岩花岗岩安山岩闪长岩辉绿岩辉长岩玄武岩橄榄岩蛇纹岩片麻岩千枚岩白云岩大理岩2.4~2.52.5~2.92.5~2.82.7~3.02.7~3.22.9~3.12.7~3.22.9~3.42.5~2.82.7~2.92.7~2.82.4~2.92.6~2.9石英岩砂岩石灰岩页岩粘土砂土表土石膏盐岩赤铁岩磁铁岩黄铜矿黄铁矿2.6~2.92.2~2.82.5~2.82.4~2.61.8~2.21.8~2.21.1~2.02.2~2.43.1~3.24.5~5.34.9~5.24.1~4.44.9~5.2在金属矿区，矿体与围岩的密度差异，则可达0.5—2.5g／cm3。但是由于金属矿床一般只具有较小的规模，尽管它们和围岩之间的密度差很大，也往往难于产生足够大的重力异常。因此，在探测金属矿时，通常要采用高精度的重力勘探技术和方法。二、岩(矿)石标本密度的测定岩、矿石标本的采集1．系统地采集不同构造单元及不同岩性的标本；2．浅部、深部都要采集；3．每类标本的数量一般为10一50块，每块标本重量一般在100-200g左右；4．对所采集的标本登记，编号，并注明地点、名称、地质年代及深度等；5．考虑其它物性参数测定的要求三、地层平均密度的确定用重力试验剖面确定中间层密度在工区内或其附近，选择一个地形有一定起伏而无局部重力异常的地方，实测一条重力剖面，将重力观测结果进行纬度、地形校正后，用不同的中间层密度进行布格校正。这样可得出一簇不同的布格异常曲线，从诸条曲线中选出一条与地形起伏相关最小的曲线，该曲线所采用的密度就可以确定为在该区工作时中间层应采用的平均密度了。在图中密度定为2.3g／cm3较为适宜重力野外测量重力勘探全过程大致可划分成三个阶段：•首先是根据承担的地质任务进行现场踏勘和编写技术设计；•第二步是进行野外测量，采集有关的各种数据•最后是对实测数据进行各种处理和解释、编写报告。一、重力测量的地质任务与技术设计重力测量的地质任务区域重力调查1．研究地壳深部构造。地壳厚度(莫霍面的起伏)，深大断裂的可能部位及延伸情况，上地幔密度的不均匀性及研究地壳的均衡状态2．研究大地及区域地质构造，划分构造单元，研究结晶基底的起伏，圈定沉积盆地范围；3．追索、圈定隐伏岩体或岩层，追索断裂，进行覆盖区的基岩地质、构造填图；4.为划分成矿远景区提供重力场的信息。矿产重力测量包括金属矿产及非金属矿产有关的重力测量。它多与其它的物探方法配合，圈定成矿带，在条件有利时，可以确定控矿构造或圈定成矿岩体，直接发现埋藏较浅，体积较大的矿体或对已知矿体进行追踪等重力测量的技术设计技术设计的指导思想是以尽可能少的工作量来圆满地完成所承担的地质任务。技术设计中主要解决的问题是：工作比例尺的确定；精度要求及各项误差的分配和野外工作方法的选择等。工作比例尺的确定•区域重力调查，比例尺有1:l00万、1:50万、1:20万和1:10万四种，前两种主要用于重力调查空白地区，后两种主要用于能源普查或经区域调查已确定的成矿远景区。•沉积盆地较深入的研究，如研究基底断裂分布、寻找古潜山等局部构造，可采用1:5万或1:2.5万的比例尺•在金属矿、非金属矿区工作比例尺应根据地质任务，探测对象的大小及其异常特征来确定关于测网的形状，在小比例尺测量中，没有严格要求，可以沿一些交通路线布置，并使测点均匀分布全区，在图上每平方厘米内能有0.5—3个测点。在详查或更大比例尺测量中，则要建立比较规则的测网。对于走向不明或近于等轴状的勘探对象，宜采用方形网，即点线距相等，对于在地表投影有明显走向的勘探对象，应用矩形网，测线方向与其走向相垂直。精度要求及误差分配重力异常的精度用异常的均方误差来衡量，它包括重力观测值的均方误差和对重力观测值进行校正时各项校正值的均方误差。重力异常的均方误差应根据地质任务和工作比例尺来确定。例如，在金属矿重力普查时，通常是取最小的有意义的异常幅值的1／2—1／3来作为异常的均方误差对于不同比例尺的重力测量，有关规范或手册均给出了可供选择的精度要求及误差分配值，施工前可参照来编写技术设计书在满足重力异常精度要求的前提下，可以根据仪器性能、工区地形情况、测地工作技术条件等合理地分配重力观测值均方误差与各校正项的均方误差。误差分配合理，可以使野外施工提高工效，降低生产费用重力测量的方式路线测量剖面测量面积测量在下述条件下重力测量将得到良好的地质效果：1．研究对象与其围岩之间有明显的密度差。而在围岩内部没有明显的密度变化；2．研究对象的地质构造密度分界面的深度有显著的变化，而其界面深度又不太深；3．在工区内非研究对象引起的重力变化小，或通过校正能给以消除；4．地表地形平坦或较为平坦。重力测量基点网的布置与观测由于重力仪本身存在着无法消除的零点漂移，随着观测时间的延长，零漂积累愈大，且往往不是与时间呈线性关系。因此，用重力仪在测点上进行观测时，需要有一些精度更高、重力值已知的点来控制。这些点称为基点。重力基点在观测时都要联成封闭的网络，叫做基点网。任一测段的重力普通点观测均应从基点开始，并终止于基点。基点网的作用在于：控制重力普通点的观测精度；避免误差的积累；检查重力仪在某一段工作时间内的零点漂移；确定零点漂移校正系数；推算全区重力测点上的相对重力值或绝对重力值。基点网的布置:均匀分布全区;一台或多台精度高的仪器观测；快速交通工具；闭合环路;多个环路时，每个环路中必须包含相邻环路中两个以上基点作为公共基点;在交通干线上，地物地貌标志明显，周围无震源，稳固，并按规定统一编号和建立永久或半永久性标记。普通点，检查点的布置与观测采用单次观测,必须在规定时间内(即最大线性时间间隔)起止于基点上。检查点的布置与观测:仪器不同，操作人员不同、观测路线不同检查点应占普通点总数的5-10％，在大面积的区域调查中也应不少于3%测地工作是野外重力测量的先行环节，在施工时常占去l／3-2／3的人力和投资。它的工作效率和质量直接影响重力测量的效率和异常精度。测地工作的内容包括：1．布设重力测网、重力测点；2．确定测点的坐标；3．确定重力测点的高程；4．当测区内地形起伏较大，地形影响不能忽略时，需作相应比例尺的近区地形测量。重力观测资料的整理分为初步整理与异常计算两部分。从野外观测所获得的资料，需经过一系列的整理才能获得相对重力变化，整理包括：基点网平差、零点校正。相对重力变化需要经过一系列校正才能获得重力异常，校正包括：高度校正及正常场校正等。不同内容的校正可以获得具有不同地质——地球物理含义的重力异常重力资料整理与异常的获得重力异常值的计算相对重力值，包括了因地下密度不均匀的地质体产生的异常，也包含了因各测点周围地形不同、所处纬度不同等因素的影响，为了单纯获得并比较各测点处重力异常及其大小，必须将各测点的相对重力值按照同一个标准进行一些相应的校正，不同内容的校正可获得具有不同地质-地球物理含义的重力异常地形校正高于A点的地形质量对A点产生的引力其铅垂分力会使A点的重力值减小，低于A点的地形，如果也填满同样密度的物质，则其引力的铅垂分力会使A点重力值加大，而事实上没有这部分物质存在。所以，不管A点周围地形是高还是低，相对于A点周围是平坦的情况下，其地形影响值都将使A点的重力值变小，故地形校正值总是正的。中间层校正中间层校正值应为:ughgmcmg}{}{419.03/自由空间(高度)校正高度校正值为：Δgh=3.086(1+0.0007cos2φ)h-7.2×10-7h2gu．当测区较小，高程变化不大时，上式可简化为Δgh=3.086hgu．通常都是将中间层校正与高度校正合并进行，称为“布格校正”:Δgb=(3.086-0.419）{σ}g/cm3{h}mg．u．正常场(纬度)校正在大面积的测量中引入正常场校正，其方法是根据测点的纬度φ值，代入式中计算出正常重力值，再从观测值中减掉它即可。在小面积的重力测量中，常常是求相对于总基点纬度变化所带来的重力正常值的变化，并予以校正，称为纬度校正2sin2.51855gg各种异常的地质-地球物理含义自由空间重力异常:ΔgFI＝gk+Δgh一gφΔgFⅡ＝gk+Δgh+ΔgT一gφ绝对布格重力异常:ΔgB＝gk+Δgh+ΔgT+Δgσ一gφ各种异常的地质地球物理含义区域异常和局部异常区域异常是叠加异常中的一部分，主要是由分布较广的中、深部地质因素所引起的重力异常。这种异常特征量异常幅值较大，异常范围也较大，但异常梯度小。局部异常也是叠加异常中的一部分，主要是指相对区域因素而言范围有限的研究对象(如构造、矿产)引起的范围和幅度较小的异常，但异常梯度相对较大。由于局部异常是从布格异常中去掉区域异常后的剩余部分，故局部异常也称为剩余异常。重力异常转换处理重力异常的解析延拓人们把由观测平面或剖面上的已知重力异常Δg值换算出高于它的平面上的异常值的过程称为向上延拓，反之则称为向下延拓。由于重力场值是与场源到测点距离的平方成反比，因此对于深度相差较大的两个场源体来说，进行同一个高（深）度的延拓，它们各自的异常减弱或增大的速度是不同的，因此上延计算有利于突出深部异常特征，而下延计算则主要是突出了浅部异常。关于延拓的说明1．上延计算在理论上是严密而且可以实现的，其误差主要是积分范围有限所致。当范围一定时，延拓高度越高则误差越大。此外就是取值点密度及插值误差的影响，2.下延属于不适定问题,理论上未能解决其计算方法,只能近似外推或计算,另外,下延属于高通滤波,局部干扰和误差会被放大,因此,在实际应用中,每次下延要对结果进行平滑处理,而且下延深度不能太大.3.向上延拓的主要作用是使异常更为光滑,突出区域异常的基本特征;向下延拓则是向上延拓的逆过程，其作用是突出局部异常，分解在水平方向叠加的异常，定性确定场源的深度，以及由于下延，使延拓面更接近场源，异常等值线圈闭的形状与场源体水平截面形状更为接近，因而可用来了解复杂异常源的平面轮廓。重力异常的导数换算在重力异常数据处理中，有时需要将布