1、地球物理学概论地球重力场,中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院,中国大陆地区布格重力异常,中国大陆地区自由空间重力异常,中国区域地质图,第一节 重力勘探理论基础,一、重力场（gravity field）（一）重力 （gravity）,地球质量对物体m的引力,惯性离心力，,重力,G万有引力常数质量为m的质点在自转的地球上所受的惯性离心力C为：C=mr ，方向垂直自转轴向外。,而引力 F 服从万有引力定律，即：,r,F,F,（二）重力场,1、重力场强度单位质量的物体在重力场中所受的力，称为重力场强度 P = mg g=P/m上式左边为重力场强度，右边为重力加速度由上式可见：重力场强度，无论在
2、数值上，还是量纲上都等于重力加速度，而且两者的方向也一致。在重力勘探中，凡是提到重力都是指重力加速度（或重力场强度）。,2、重力的单位（gravity unit),有时也用Gal（伽）作为重力单位，与其它单位关系如下：,在SI制中：g（重力加速度）的单位为1m/s2，规定1m/s2的百万分之一为国际通用重力单位（gravity unit)，简写为g.u，即：,重力场的性质除了用矢量g来描述外，还可以用重力位这一标量函数来描述,对该标量函数沿不同方向求导数，恰好等于重力场强度（ g ）在相应方向上的分量，这个标量函数就叫做重力位函数，简称重力位，即：,二、重力位,dW/dS=g.cos(g.s)
3、=gs,2、 当s方向与g的方向平行时,dW/dS=g.cos(g.s)=g,由此可见，重力g是重力位沿重力方向的导数,1、当s方向与g的方向垂直时,dW/dS=g.cos(g.s)=0,则 W(x,y,z)=c c常数,上式表示一个空间的曲面，该曲面上重力位处处都等于常数 c，故称此曲面为“重力等位面”，重力等位面处处与重力（ g ）正交，故又将重力等位面称为“水准面”；当 c 取某一定值的水准面与平均海平面重合时，则这个水准面称为“大地水准面”,地球是一个旋转椭球体（又称为参考椭球体）、表面光滑；,假定：,内部密度是均匀的，或者是呈同心层状分布，每层的密度是均匀的，并且椭球面的形状与大地水
4、准面的偏差最小,三、地球的重力场,（一）正常重力场,在重力勘探和大地测量学中，一般把大地水准面的形状作为地球的基本形状。 测量结果表明，大地水准面的形状不规则，它在南北两半球并不对称，北极略为突出，南极略平，呈“梨”型，见下图。,为计算点的纬度； ge为赤道重力值； gp为两极重力值；g0大地水准面上纬度为处的正常重力值；a为赤道半径；c为极半径,2、常用公式（ 1909年的赫尔默公式：,1、计算正常重力值的基本公式：,式中,3、地球表面正常重力场的基本特征,（1）正常重力值不是客观存在的，它是人们根据需要而提出来的；（2）正常重力值只与纬度有关，在赤道处最小（97803000g.u.），两极
5、处最大（9832087g.u.），相差约50000 g.u ；（3）正常重力值随纬度变化的变化率，在纬度45处最大，而在赤道和两极处为零；（4）正常重力值随高度增加而减小，其变化率为-3.086 g.u /m 。,（二）重力随时间的变化,1、长期变化原因：地壳内部的物质运动，如岩浆活动、构造运动、板块运动有关。特点：变化十分缓慢、幅度小，在短时间内变化很弱，故在重力勘探中不予考虑。2、短期变化（日变化）原因：地球与太阳、月亮之间的相互位置变化引起（即与天体运动有关）。特点：周期短（24小时）、变化幅度较大，可达23g.u.概念：固体潮,1976年7月9日10日北京重力日变曲线,（三）重力异常,
6、测点的重力观测值,测点的正常重力值,重力异常,1、定义： 在重力勘探中，由地下岩（矿）石密度分布不均匀所引起的重力变化称为重力异常。 广义的讲：,2、造成 g观 与 g0 之间差别的原因,（1）重力观测是在地球的自然表面上而不是在大地水准面上进行的（自然表面与大地水准面间的物质及测点与大地水准面间的高差会引起重力的变化）（2）地壳内物质密度的不均匀分布；（3）重力日变化,地表（观测面）,大地水准面,h,3、重力异常的物理意义,A,V,大地水准面,g,0, =0,m=V,g0,F,g,g = g观 g0 Fcos,F,观,4、引起重力异常的条件,1 2 3,0,10 20 3=0,g,0,-,+
7、,（例如，m=50万吨的球形矿体，当中心埋深为100米，可产生355Gal 的异常，当中心埋深为1000米； 则只能产生3.4Gal的异常，该强度的异常仪器不能观测到。）,（5）干扰场不能太强或具有明显的特征。,（1）探测对象与围岩要有一定的密度差。（2）岩层密度必须在横向上有变化，即岩层内有密度不同的地质体存在，或岩层有一定的构造形态。（3）剩余质量不能太小（即探测对象要有一定的规模）（4）探测对象不能埋藏过深,4、引起重力异常的条件,第二节 岩矿石密度、重力仪,三大岩类物质循环,三大岩类物质循环,一、岩（矿）石的密度及地球密度分布,（一）岩（矿）石的密度的一般规律,1、火成（岩浆）岩密度变
8、质岩密度沉积岩密度,根据长期研究的结果，认为决定岩、矿石密度的主要因素为：,组成岩石的各种矿物成分及其含量的多少；岩石中孔隙度大小及孔隙中的充填物成分；岩石所承受的压力等。,2、火成岩（2.53.6 g /cm）,（1）主要取决于矿物成分及其含量的百分比，由酸性基性超基性岩，随着密度大的铁镁暗色矿物含量增多密度逐渐加大。（2）成岩过程中的冷凝、结晶分异作用也会造成同一岩体不同岩相带，由边缘相到中心相， 密度逐渐增大；（3）不同成岩环境(如侵入与喷发)也会造成同一岩类的密度有较大差异，同一成分的火成岩密度，喷出岩小于侵入岩。（4）年代老的岩体的密度小于新岩体的密度。,喷出岩 2.52.6 g /
9、cm,侵入岩 2.72.9 g /cm,基性、超基性岩 3.0,火成岩成分和密度的关系,3、沉积岩（1.62.7 g /cm）,沉积作用与沉积岩,3、沉积岩（1.62.7 g /cm）,沉积岩的密度主要取决于岩石的孔隙度及岩石所处的构造部位：,1、沉积岩一般具有较大的孔隙度，如灰岩、页岩、砂岩等，这类岩石密度值主要取决于孔隙度大小，干燥的岩石随孔隙度减少密度呈线性增大；2、孔隙中如有充填物，充填物的成分(如水、油、气等)及充填孔隙的百分比也明显地影响着密度值；3、随着成岩时代的久远及埋深加大，上覆岩层对下伏岩层的压力加大，这种压实作用也会使密度值变大。,4、变质岩（2.62.8 g /cm）,
10、变质岩的密度一般大于原岩的密度；变质程度越深，密度越大；动力变质而使岩石破碎，则密度减小。,变质岩的密度与矿物成分、含量和孔隙度均有关，这主要由变质的性质和变质程度来决定；通常，由于重结晶等作用，区域变质作用将使变质岩比原岩密度值加大；经过变质的沉积岩，如大理岩、板岩和石英岩比原生石灰岩、页岩和砂岩更致密些。由于变质作用的复杂性，所以这类岩石的密度变化显得很不稳定，要具体情况具体分析,变质作用与变质岩,5、矿石,金属矿： 很大，一般大于岩石的平均密度（2.7 g /cm）非金属矿：其 小于岩石的平均密度（2.7 g /cm）,（二）地球内部的密度分布,软流圈,核幔边界,岩石圈,由于地震学等的发
11、展，发现了地球内部一系列的物理界面。有了这个基础才能了解固体地球的各种过程。1914年-地球内部纵波和横波速度分布；1940年-地震波走时表、地球分层模型、上地幔低速层；50年代-分层结构模型。,根据有关地球物理资料，推测地球内部物质密度变化如下图所示：,二、重力仪,机械式（弹簧、振弦）电子式（超导、激光）应用：地面、海洋、卫星、井下,The Gravity of the Situation!,In gravity prospecting, we measurevery small variations in the force ofgravity from rocks within the
12、earth.Different types of rocks havedifferent densities, and the denserocks have the greater gravitationalattraction.To the left is a “gravimeter”which measures the force ofgravity in the earth.,（一）重力仪分类：,按结构分,机械式重力仪,电子式重力仪,石英弹簧重力仪,振弦重力仪（海上）,超导重力仪,金属弹簧重力仪,激光重力仪,按测量原理分,相对重力测量仪,绝对重力测量仪,（实验室）,从原理上说，凡是与重
13、力磁力有关的物理现象都可以用于设计制造重力仪与磁力仪，并用它们来测定重力值和磁力值。但是重力勘查要求能测量重力场和磁场的微弱变化，在重力测量中要求能测量出重力全值10-710-9量级变化，在磁力测量中，要求能测量出0.11nT的磁场变化，它相当于平均地磁场值的1/50万1/5万。因此要求重力仪与磁力仪要有高灵敏度、高精度等良好的性能。,重磁勘查的仪器及野外工作方法,仪器及野外工作方法,mg,m,h,测定重力绝对值,测定重力相对值,（二）重力测量原理,绝对重力测量仪器,绝对重力测量的简单原理是利用自由落体的运动规律，在固定或移动点上测量时，有单程下落和上抛下落两种行程。自由落体为一光学棱镜，利用
14、稳定的氦氖激光束的波长作为迈克尔逊(Michelson)干涉仪的光学尺，直接测量空间距离；时间标准是采用高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。观测时，仍然还有许多干扰因素影响重力值的精确测定，如大地脉动、真空度、落体下落偏摆等等，对此必须加以分析、控制和校正。,1、自由下落单程观测 自由落体在真空中的下落，其质心在时刻t、t、t相应经过的位置分别为h、h、 h ，时间间隔为T、T ，经过距离为S、S，则由自由落体运动方程式最后可导出重力值的公式为,精确测定S、S是采用迈克尔逊干涉仪的原理，当落体光心在光线方向上移动半波长(/2)时，干涉条纹就产生一次明暗变化，显示干涉条纹，下落行程所产生
15、的干涉条纹数目直接代表下落距离(即S=N/，N为干涉条纹数)。这些干涉信号由光电倍增管接收，转换成电信号，放大后与来自石英振荡器的标准频率信号同时送入高精度的电子系统，以便计算时间间隔与干涉条纹数目，从而精确得到S、S2、S3、 S4 。,绝对重力测量仪器,2、上抛下落双程观测 上抛下落对称观测可避免残存空气阻力、时间测定、电磁等影响带来的误差，物体被铅垂上抛后，其质量中心所走的路程先铅垂向上而后下，其时间与距离的关系如图所示。图中C和C、B和B、A和A在空间都是一点。从运动学公式可以导出,式中T-，B,绝对重力测量仪器,工作原理,相对重力测量仪器,系数C称为格值，因此测得重物的位移量就可以换
16、算出重力差。现代重力仪的测读都是采用补偿法进行的，也称零点读数法,一个恒定的质量 m 在重力场内的重量随 g 的变化而变化，如果用另外一种力（弹力、电磁力等）来平衡这种重量或重力矩的变化，则通过对该物体平衡状态的观测，就有可能测量出两点间的重力差值。,LCR重力仪弹性系统结构原理图1. 平衡体2. 减震弹簧3. 主弹簧4、6. 水平杠杆7、9. 垂直杠杆5. 测微器8. 气压补偿器10. 重荷11. 电容板12. 指示丝13. 外壳,减震弹簧连接示意图,电容放大装置,1、温度影响采用电热恒温2、气压影响真空封闭和气压补偿3、电磁力影响消磁和定向测量4、安置状态不一致的影响调平5、零点漂移影响零
17、漂校正6、震动的影响减震材料，轻拿轻放,影响重力仪精度的因素, 地面重力仪石英弹簧金属弹簧超导重力仪 井中重力仪 海洋重力仪 航空重力仪 卫星重力仪 ,重力仪,金属弹簧重力仪,海底重力仪, Gh当台阶面向台阶内侧倾斜时：g(0) Gh,3、断层的重力异常理论曲线,规则形体的正、反演问题,正断层,逆断层,3、断层的重力异常理论曲线,规则形体的正、反演问题,正断层,逆断层,线性重力高与重力低之间的过渡带,异常轴线明显错动的部位,4、半无限水平物质面,h1,h2,h0,当h 3.3g/cm3),Moho面,康拉德面,莫霍面和康腊德面的起伏及各层物质密度的横向变化(包括上地幔内岩性和岩相的变化)等深部
18、因素对重力场背景起着决定性的影响。,地壳与地幔的密度差0.3g/cm3,硅铝层和硅镁层的密度差达0.2g/cm3,1982年中科院应用亚洲大陆地区平均布格重力异常的数据，选择均质单层地壳模型，假定莫霍面以上地壳平均密度为2.84g/cm3，以下的上地幔密度为3.27g/cm3，反演得到了亚洲大陆地壳厚度分布图（莫霍面深度图）。所得结果与已知的地壳测深剖面和天然地震资料获得的地壳厚度进行了对比，平均误差都小于2km。根据地壳厚度变化，划分了亚洲大陆地壳构造轮廓，这一结果与我国大地构造学家划分的中国构造单元也基本吻合。,中国大陆地区布格重力异常,华北平原北部莫霍面深度图,右图是前苏联东部莫霍面与构
19、造成矿带的对比。莫霍面有巨大落差的地带恰好与重要的金属成矿带在位置上吻合。该区位于大洋地壳和大陆地壳转换带的一个中生代褶皱带中，金矿和铜矿与较深的地壳有关，而锡矿则与较厚的地壳有关。,莫霍面起伏与矿产生成的关系,地槽区：地壳上活动性最强，构造复杂的单元，以强烈的褶皱，变质作用和火成岩活动为主要特征。地台区：比较稳定、刚性较强的均一构造单元，沉积相稳定，一般较薄，褶皱作用和火成岩活动也较弱。,二、在区域地质构造研究中的应用,地槽区：重力异常呈条带状重力低平行排列，延伸可达数百至数千公里，布格重力异常与地形起伏有镜像关系，即地形越高，重力异常越低,地台区：布格重力异常变化平缓、稳定、相对幅度变化较
20、小方向性不明显。且因为地壳厚度较薄，平均异常值较地槽高,根据重力资料划分地槽区和地台区,过渡带：地槽区和地台区的过渡带，呈现出巨大的重力梯级带，深大断裂的反映,三、在寻找金属矿与非金属矿中的应用 自然界中大多数金属矿的密度都比围岩密度大。某些非金属矿，如岩盐、煤等，情况恰好相反，它们的密度一般都比围岩密度小得多。因此，当这些矿床具有一定的规模，且埋藏较浅时，能在地面上产生明显的重力异常。,1、在寻找金属矿中的应用,1、在寻找金属矿中的应用,吉林省某矿区布格重力异常图（等值线距10g.u.；1-重力异常等值线图；2-重力发现的含铜硫铁矿范围及钻井位置）,这个实例说明，应用重力资料或重力磁法资料的
21、综合解释，对于寻找在磁铁矿附近无磁性的高密度矿体，效果较好,2、在寻找非金属矿中的应用,某地区岩盐产于白垩，其密度比下伏侏罗、白垩系地层密度低（0.420.52)g/cm3布格异常为一幅度达-70g.u.，近于等轴状的重力低。北侧重力梯度大，推测北侧含盐盆地陡，异常外围向西南和东南方向突出，反映矿体由中心向四周变薄。,四、在工程勘察中的应用实例,国外某发电厂的配电站附近发现了一个直径为2m的洞穴，它延伸到距地面仅0.6m的范围内。由于洞穴会直接影响到配电站的稳定，请查找是否还有类似的洞穴。,五、石油天然气勘探重力勘探在石油及天然气的普查和勘探阶段具有重要的作用。针对油气普查、勘探和开发的不同阶
22、段，重力勘探有如下应用：首先利用小比例尺（1：100万1：50万）重力异常图研究区域地质构造，划分构造单元，圈定沉积盆地的范围，预测含油、气远景区；其次根据中等比例尺（1：20万1：10万）的重力异常图划分沉积盆地内的次一级构造，进一步圈定出有利于油、气藏形成的地段，寻找局部构造，如地层构造、古潜山、盐丘、地层尖灭、断层封闭等有利于油、气藏储藏的地段；特别是由于重力仪测量精度的提高与数据处理和解释方法的发展，还可利用大比例尺高精度重力测量查明于油、气藏有关的局部构造的细节，直接寻找与油、气藏有关的低密度体，为钻井布置提供依据；在油气开发过程中，根据重力异常随时间变化，可以监测油气藏的开发过程。,
