物理勘探的基本原理与方法综述.doc

1、地球物理勘探方法综述1地球物理勘探方法综述一、 重力勘探重力勘探是地球物理勘探方法之一，它主要研究地球表面及其周围空间重力变化现象。地表及其周围空间重力变化原因之一是由于地球内部各种岩石密度的不同而引起的，而岩石密度不均往往与地下地质构造、矿产分布等地质因素有关。由于某种地质原因或矿产赋存而引起的重力变化称重力异常。通过研究重力异常的变化特征，从而得到地下地质构造、岩石分布和矿产赋存的地球物理信息，这就是重力勘探的实质和任务。1 重力勘探的理论基础1.1 重力场重力是经典物理学中的基本概念。当地球表面及其周围空间存在有质量的物体时，就要受到地球质量对它的引力作用，以及地球自转而使它产生的离心力

2、的作用，两者的合力就是这一物体所受的重力。如图，F 表示地球引力，C 表示离心力，P 表示重力，则 P=F+C。显然，重力场是引力场和离心力场的叠加。物体所受重力的大小不仅和物体在重力场的位置有关，而且和其质量 m 小有关。按照场强定义，重力场强度（P/m ）即单位质量所受的重力大小。重力场强度和重力加速度概念不同，但其数值和量纲完全相同，方向也一致。地球物理勘探中所谓的重力测量，也就是重力加速度或者重力场强度的测量。一般的，将地球的大地水准面作为一个理想的椭球面，根据地球的大小，质量、扁度、自转角速度计算出大地水准面上不同位置的重力值，把这种重力值的分布称为正常重力场。1979 年国际地球物

3、理及大地测量学会确定推荐的国际正常重力公式：g0=978032.7（1+0.0053024sin 2-0.0000075sin22） （10 -5m/s2）1.2 重力异常地表重力值是随着地点和时间不同而变化的。根据地表重力变化来进行地质构造和矿产勘查是重力勘探的基本内容。影响地表重力变化的因素主要包括：纬度、海拔、地形、地球的潮汐以及地球内部密度不均。其中地球密度的非均一和各种地质构造、矿产分布有地球物理勘探方法综述2密切联系。重力的变化我们称之为重力异常，分为绝对重力异常和相对重力异常。绝对重力测量是指测量重力的全值，相对重力测量是指测量点与某一基准点之间的重力差值。从地面某点的实际观测重

4、力值中减去改点的正常重力值和地形起伏不平的影响值后所得到的差值，即重力异常，一般用g 来表示。通常用两种图来表示：一种是重力异常平面图或重力异常等值线图；另一种是重力异常剖面图。重力勘探的正问题和反问题。根据重力异常和重力场的其他异常来推断引起异常的地质体的埋深、大小和形状等产状要素的解释问题，叫重力勘探的反问题，即反演问题；给定地下某一深度，某种形状和大小的地质体，求其在地面上所引起的重力异常，称为重力勘探的正问题。1.3 岩石和矿石密度各种岩（矿）石的密度差异是引起重力异常的必要条件，因此岩（矿）石的密度参数是重力勘探中非常重要的物性参数。它是部署重力勘探工作的前提，也是重力异常进行地质解

5、释的基本依据。大量测定结果和研究表明，岩（矿）石密度大小有以下规律：沉积岩密度主要取决于岩石的孔隙度，孔隙度增加，密度会减小。从岩性看，白云岩、石灰岩密度最大，其次是页岩、砂岩、粘土。同一岩石年代越老，埋藏越深，孔隙度越小，密度就越大。岩浆岩密度主要取决于其物质成分，由酸性岩到基性岩，超基性岩随着铁镁含量增加，岩石密度越来越大，火山岩尤其是熔岩，密度较低，而侵入岩密度较高。变质岩的密度往往和原岩有关，由于变质作用岩石以更改的形式再结晶，因此密度往往随着变质程度增加而增加，一般比原生岩石的密度要高。石油、煤、盐等非金属矿物的密度一般低于围岩密度而金属的密度则比较高。2 重力资料校正2.1 地形校

6、正地形校正的目的就是将测点所在的水准面以上多余物质的影响除掉，把该水准面以下物质缺失部分补平。经过地形改正之后的重力值，就相当于测点周围完全平坦情况下的重力值。测点周围地形起伏不管高低，都造成重力值减小，因此地形校正值总是正值。地形对重力测点观测值影响最大是在测点附近，随着距离增大而影响越来越小。2.2 中间层校正进行地形校正之后，测点所在平面与基准面之间存在有中间层质量，要消除这部分质量对测点的影响，需要进行中间层校正。校正公式为地球物理勘探方法综述3gh=0.0419h式中 为中间层密度（一般取 2.67g/cm3） ，h 为高程，当测点高程低于起算点时，改为正。2.3 高程校正把测点换算

7、到基准面(或大地水准面）消除高程引起的重力效应，称为高程校正。近似计算：即gh=0.3086h(10-5m/s2)中间层校正和高程校正与测量一点高程有关，在进行改正时往往合并起来进行，称为“布格校正” ，其数学式为gh=（0.3086-0.0419 ）h(10 -5m/s2)2.4 纬度校正当基点与测点处于不同纬度时，实测重力值也包括了正常重力值随纬度变化的影响。所以必须进行纬度改正。其公式为g=-0.814sin2D (10-5m/s2)式中 为测区平均纬度，D 为测点与基点纬向距离，单位为 Km。一般直接用正常重力公式计算。2.5 布格重力异常经过各项校正后得到的重力异常，把经过地形校正、

8、中间层校正和高度校正后，所得的结果称为布格重力异常g=g-g0+gb+gT式中 g 为实测重力值，g 0为正常重力值， gb为布格校正值， gT为地形校正值。重力勘探研究的是布格重力异常。2.6 自由空间重力异常经过高度校正后的重力异常称为自由空间重力异常g F 即：gF=g-g0+gh3 重力异常的地质解释及其应用3.1 重力异常解释的基本概念经过各项校正的重力观测值在进行必要的数据处理后，便得到了局部重力异常（剩余地球物理勘探方法综述4重力异常）和区域重力异常。通过对重力异常场特征的分析，研究引起异常的地质原因，这就是重力异常的解释。重力异常解释分为定性和定量解释两种。定性解释值主要是推断

9、引起异常的地质原因，确定异常源的形态、范围、大致埋深；定量解释是在定性的基础上对异常源深度、大小、产状等进行定量计算。最后根据工作区域地质、地球物理条件和已有的地质及物探资料得出明确的地质结论，这就是重力异常进行解释推断的目的。为了正确进行解释推断，就必须了解重力异常与各种地质因素之间的关系，包括数量关系。根据已知地质体的形状、大小、产状和物性，用数学物理方法研究引起重力异常的分布规律，幅度大小和形态特征等，称为重力异常的正演。反之，根据异常形态、幅度和分布特征等来确定地质体的形态、大小、产状等，称之为重力异常的反演。正演是反演的基础。正演一般是把自然界中地质体简化为简单几何体，这样研究起来比

10、较方便。当地质体形状和密度分布较复杂时，按照场的叠加原理，可以把它划分为若干简单形态的地质体，然后计算每一部分的重力异常，并把它们累加起来，这样简单几何形态的正演也就成了复杂形体正演的基础。反演方法比较多，但存在着解的非单一性，即多解问题，这是由于不同物质密度和质量分布可能引起相同的异常。例如一个球形矿体，在地表引起的重力异常决定了它的剩余质量和观测点到球体中心的距离，反演时，不能单独确定它的深度和密度值，因为如果保持剩余质量和球体中心深度不变，则球体的密度和半径大小有无穷多个值，它们产生的重力异常都是相同的。因此，在反演时，一定要对工区地质资料和物性（密度值）进行分析。3.2 重力异常解释基

11、本方法和步骤重力异常的解释是完成重力勘探任务的关键。因此在进行解释之前吗，必须仔细研究重力勘探的目的任务和开展重力工作的地质和地球物理依据，明确重力异常解释的中心任务。解释工作首先应该从识别异常开始。在重力异常平面图上，等值线的圈闭和弯曲，重力异常等直线轴向的改变，等值线间距的疏密，平行排列等等，都是值得注意的异常现象。在重力剖面图上，异常曲线上升或下降的规律、幅值大小、极值的出现等。在定性解释中，一般说，幅值和范围小而水平梯度大的异常，反映的是近地表的小异常体（如小型岩体，地球物理勘探方法综述5浮土下的基岩起伏等） ；幅值和范围大，水平梯度小的异常，一般多反映体积较大。而埋藏较深的地质体（如

12、古潜山、区域性背、向斜、沉积基底表面起伏等） ；幅值和范围不大的中等异常可能反映具有一定规模而埋藏深度不大的局部地质体。3.3 重力勘探的应用3.3.1 研究地壳深部构造从我国 1：500 万布格重力图中可以看到我国布格重力异常分布的基本特征。布格重力异常变化总趋势从东往西逐渐变小，南海海域及琉球群岛布格重力异常值最高达40010-5m/s2，进入大陆为 010-5m/s2，青藏高原最低达-58010 -5m/s2。布格重力异常值的减小，地壳厚度逐渐增加。根据地震及大地电磁测深等地球物理资料证明，沿海大陆架地壳厚度为 24 至 28Km，而在青藏高原地壳厚度达 70 至 80Km。在区域性重力

13、异常背景上，有三组巨大的重力梯度带（我们通常把等值线密集且重力变化大的线性异常称之为梯度带） 。它们是海域的钓鱼岛梯级带，大兴安岭太行山武陵山梯级带和青藏高原周边梯级带。重力梯级带反映了陡倾的密度分界面，往往是莫霍面陡变带及各种类型的断裂带，造山带的综合反映。这三条巨大梯级带与我国主要构造体系有密切关系。除研究深部构造外，重力异常还可以用于研究大地构造分区，划分地质构造单元等。3.3.2 重力勘探在寻找石油、天然气构造方面的应用应用重力方法直接寻找储存石油和天然气构造的可能性与效果已被大量实践所证明。如上世纪五十年代大庆油田就是重力勘探发现的，以后的大港、胜利、塔北、长庆、江汉、南阳等油田均是

14、首先应用重力勘探手段寻找储油构造、结合地震资料，圈定含油气盆地继而进行铝探证实的。3.3.3 重力勘探在研究煤田地质构造方面的应用重力勘探可以圈定含煤盆地边界，确定含煤盆地的基底深度，在一定条件下，研究含煤层系的构造（断裂） ，确定含煤层系或煤层厚度。由于煤系地层密度值较其围岩低（煤系地层密度值 1.5 到 2.2g/cm3之间）密度较高，形成了明显的密度界面。加之煤系地层多为层状，这就给应用重力勘探提供了良好的前提条件。重力勘探在我国煤田普查中被广泛应用，并取得了良好效果。3.3.4 重力在地热勘探中的应用重力在地热勘探中的主要作用:一是根据沉积盆地基岩起伏与地温存在相关关系，应用地球物理勘

15、探方法综述6重力确定基岩隆起和埋深，间接寻找地热田，如京津地区的古潜山热储层与布格异常密切相关；二是根据重力低与壳内熔融岩浆房的关系圈定热源位置，如西藏羊八井热田与重力负异常吻合；三是地热与局部异常的对应关系，由于岩石的热变质作用和高孔隙率，可以引起正的和负的局部异常.东南沿海还应用重力圈出火成岩体，确定其形态和埋深，计算放射性生热率和热流，进行地热远景评价。3.4 重力勘探与其它物探方法相结合的应用重力勘探方法应用不限于前述几个方面，它还可以与其它物探方法相结合，寻找磁铁矿体、铬铁矿、硫化矿床、铜镍矿床等。这些矿床主要与岩体有关，而利用重力异常来圈定隐伏、半隐伏岩体是重力勘探基本任务及有效的

16、方法。另外，利用重力异常来划分断裂构造，圈定盆地等。在覆盖地区还可以利用重力资料来进行基岩地质、构造填图。除此之外，重力资料还可以应用在军事、测绘、地质灾害、水文工程环境、地震等方面。二 磁法勘探磁法勘探是地球物理勘探方法之一。自然界的岩石和矿石具有不同磁性,可以产生各不相同的磁场,它使地球磁场在局部地区发生变化,出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常,进而寻找磁性矿体和研究地质构造的方法称为磁法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产(如铁矿、铅锌矿、铜锦矿等)；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造及大地

17、构造等问题。我国建国以来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁法勘探工作,取得了良好的效果。1 磁法勘探的的基本理论在磁法勘探中，主要观测的是磁性体在空中、地面或地下的稳定磁场的磁感应强度，通常称为磁性体的磁异常。近代物理学理论表明：物质分子电流的实际存在，构成了分子磁矩，这是物质磁性的本质。所有磁性体均是无数基本分子磁体的总和。稳定磁场的基本理论阐述了分子磁体的磁性和磁场的特征及基本规律。1.1 磁现象和磁的理论1.1.1 磁矩Coulomb 提出“分子磁偶极子”假说，即假设磁介质的每个分子相当于荷质相等，符号相反，相距极小的一对所谓“磁荷”组成的“分子磁偶极子” 。也就是说，任

18、何一个磁性地球物理勘探方法综述7体都是由磁偶极子组成的分子磁体。当分子磁偶极子以正磁荷“+m ”和负磁荷“-m ”相距 l 而存在时，按电偶极子类推，把 m 和 l 的乘积定义为分子磁偶极子的磁矩，简称分子磁矩，以 Pm 表示，则有：Pm=ml在国际单位制中，磁矩的单位为 Am2。安培解释了磁现象的本质，即电荷运动是引起磁现象的根本原因。将分子电流等效为一微小的闭合电流圈，则此微小的封闭电流的磁矩（即分子电流磁矩） ，可以表示为Pm=I0sn式中 I0 为分子电流强度，S 为电流圈所围平面面积，n 为电流圈所在平面的法向单位矢量。每一个分子都形成一个分子磁矩。磁性体中所有分子磁矩的矢量和构成磁

19、性体的总磁矩。磁性体总磁矩决定磁性体宏观磁性的强弱。1.1.2 磁介质的磁化和磁化强度凡具有和磁场相互作用特性的物质称为磁介质，由磁介质组成的有限体称为磁介质体。在通常状态下，磁介质体内分子电流的方向杂乱无章，或者说分子磁偶极子排列紊乱。磁介质体内的总磁矩为零，而不显示宏观磁性。当磁介质体受到外磁场作用时，其内的分子磁矩在一定程度上按外磁场作用方向成定向排列，因此磁介质体的总磁矩发生变化，其总磁矩不等于零，使原来不显宏观磁性的磁介质体显示出宏观磁性，这种现象称之为磁介质体的磁化。磁性体是被磁化后的磁介质体。地球物理勘探方法综述8磁性体被磁化的程度，用磁化强度矢量 J 表示，它定义为单位体积的磁

20、性体所具有的磁矩。令物理无穷小体积V 中的总磁矩为P m=M ，则磁化强度为：J=M/V磁化强度的单位为 A/m。磁介质体被磁化后，其分子电流在磁性体内沿一定方向流动谓之磁化电流。我们定义通过与磁化电流方向垂直的单位面积的磁化电流强度为体磁化电流密度，以 jm 表示。当磁介质被均匀磁化时，在体内由于其分子电流存在，只在其表面（或磁介质分界面）上的电流未被抵消，而形成所谓面磁化电流。定义通过与磁化电流方向垂直的磁介质体表面上单位长度线段的磁化电流强度为面磁化电流度，以 im 表示。磁化电流密度同样反映磁介质体被磁化的程度。根据电磁学理论，可以求得磁化电流密度和磁化强度之间的关系：jm=Jim=(

21、J1-J2) n12式中 J1和 J2 分别表示磁介质分界面两侧的磁介质 1 和磁介质 2 的磁化强度；n 12为有介质 1 指向介质 2 的分界面法向单位矢量。如果 磁介质体周围是非磁介质（如空气） ，则 J2=0，此时面磁化电流密度为im=Jn式中 J 为磁介质体的磁化强度；n 为磁介质体表面的外法向单位矢量。由上可知，磁性体被磁化的程度，可以根据磁化电流密度，也可以根据磁化强度大小来判断。应指出，磁性体的磁化电流密度是很难直接测出的。而磁性体的磁化强度却可以直接精确测定。因此，通常用磁化强度矢量表示磁性体被磁化的程度，即用磁化强度矢量描述此磁性体磁性强弱。地球物理勘探方法综述91.2 地

22、磁场要素及其基本磁场地球相当于一个大磁体，在它的内部，表面以及周围空间存在着磁场，这就是地磁场。地磁场是一个矢量场，表示其特征的物理量是地磁场感应强度。地球上某一点地磁场总强度为，表示 T 的大小和方向，通常是选取直角坐标系，由在直角坐标系上的分量和方向角表示改点地磁场的大小和方向。坐标轴的轴沿地理子午线方向，正向指北；轴沿纬圈向，正指向东；轴垂直向下为正。平面为地平面，坐标原点取在研究点上。在平面上的投影为水平分量，在垂直轴上的投影为垂直分量，在 X、轴上的投影分别是背向分量、东向分量。矢量 T 所在的铅锤面称之为磁子午面，而地理子午面与磁子午面的夹角称为磁偏角 ，T 与水平面的夹角称磁倾角

23、 。如图由北向东偏时 为正，T 指向地平面以下时，I 为正。D ，和 Z，X，Y 两组六个要素已知，其他要素或地磁场总强度 T 的大小和方向就可求出。以上各量的关系为地球的中心偶极子场和大陆磁场占地磁场的绝大部分，是地磁场的最基本的成分。通常将中心偶极子场和大陆磁场合称基本磁场。应用磁法解决地质问题时，常是以能反映所研究的地质对象引起的磁场的背景场为正常场。如研究对像是一个具有磁性的岩层，则正常场一般选在无磁性的围岩上。两者之间的磁场变化即为研究对象的磁异常。. 岩石和矿物的磁性研究岩石矿物的磁性有着极其重要的意义，它是确定在某地区投入磁法勘探的地球物理前提，是进行磁测成果的地质解释的基础。有

24、关岩石磁性方面的研究成果又直接被用来解决广泛领域的地质问题和地球物理问题。如：大陆漂移、磁场迁移和反转、各地层之间的对比、构造研究及考古等。一切物质都有磁性，因为一切原子都具有一定的磁矩。不同的物质由于电子壳中电子的数量及其相互作用的不同，使其有不同的宏观磁性，可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性三大类物质。岩石磁性主要由所含铁磁性矿物的成分、含量、颗粒大小等因素决定。此外还和温度、地球物理勘探方法综述10磁化磁场的大小等因素有关。岩石形成以后所受的变质、蚀变、风化作用会改变岩石的矿物组分和岩石的结构，因而也会改变岩石磁性。岩石所受应力对磁性也有影响，但其值较小，雷击可明显改变岩石磁化强度的大小和方

25、向，但主要是对地表-深的岩石有影响。岩石中磁性矿物的含量对岩石磁性有决定性的影响。一般说，火成岩磁性最强，变质岩次之，沉积岩最弱。 磁异常的反演解释方法物探数据取得以后，要进行解释这是大家所公认的，但对解释的含义都有不同的认识。我们往往把磁异常的解释只看作是对磁测结果的分析、判断。其实，在磁测工作设计、测区选择，布置工作时，解释工作就已经开始了，因为要对地质情况先做出某些判断，才能布置磁法勘探工作，包括野外参数的选择，方法的选择，野外装置系统，观测方式的选择，所有这些选择都是为了获得所需要的地质资料。2.1 解释步骤及内容磁测数据取得后，第一步往往是对数据进行各种校正，如进行日变、正常场、地形

26、校正等，通过这些校正后，做出各种成果图件。对经过校正的磁异常，便可进行数学物理解释，即根据磁场的空间分布特征，判断地质体的走向、长度、宽度、埋深、形态、产状等；结合有关的物性参数和已知的地质资料，确定引起异常的性质，在定性和定量分析的基础上，对区内地质构造、岩体和岩层的分布、矿产的赋存以及其他问题做出地质解释。我们对磁异常的解释中如何提取更多的信息。要解决这个问题，往往要解决异常的划分问题，哪些是区域异常，哪些是局部异常？由于划分异常的问题及其复杂，只能根据现有的技术水平，按照需要的精度，去解释划分。这是因为，我们有时所需要解释的不是整个场，而只是场的某一部分，而这一部分也即是所谓的局部异常。为了解释的需要，有时需要经过各种数据处理，如延拓、导数及频率域内的各种数据处理，然后做出判断。并要和正演模拟相结合。最后我们需要注意的是，场源体的非均匀性问题和反演的多解性问题。对于非均匀的磁性体，一般采取两种处理方法：一是对只有一定埋深的场源在反演解释中假设其为均匀磁化；二是对一些非均匀磁化场源进行分割处理，对每一块视为相对均匀磁化，并且彼此间互不磁化。磁异常的多解性问题比重力勘探更为复杂。因此决定磁异常特征的两个主要因素不仅与磁化场的大小、方向有关，还与场源体的形态有关。因此，在磁法勘探法的反演解释中，要遵循磁异常解释的步骤，并充分利用地质资料及其他地球物理资料进行综合推断解释。