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1、应用地球物理导论,第三章 重力,地球重力场,地球的形状,大地水准面是重力等位面,大地水准面,大地球体,参考椭球体,图13,赤道半径Re：6478.160km 两极半径Rp：6356.755km,大地水准面相对于椭球体面的偏差，变化幅度约在-105+75m之间。,地球重力场,重力 数学表达：P=F+C F为万有引力，C为惯性离心力 重力的单位：牛顿（SI制），达因（CGS制）,图110,地球重力场,地球内部及其附近存在重力作用的空间范围称为重力场。 重力场是保守场，在重力场中移动某一物体所做的功，与路径无关。,重力场,地球重力场,重力场,重力场强度等于重力加速度。 单位：伽（Gal）cm/s2,
2、野外重力测量使用的重力仪读数精度约为0.030.06mGal。,重力位,V称为重力位,重力等位面,与平静的海平面重合的等位面就是大地水准面 (Geoid)。,重力观测值可分为三部分：正常重力场、随时间变化的重力场和重力异常。,正常重力场和重力异常,正常重力场,假设地球为密度分层均匀、表面光滑的旋转椭球体：由下式 g0=ge(1+sin2-1sin22) 计算出来的重力称为正常重力值，相应的重力场称为正常重力场，其公式称为正常重力公式。,（1）长期变化 与地壳内物质缓慢运动和构造活动有关。 （2）短期变化 日变，变幅0.2-0.3mgal(2-3g.u)，表现为 海洋潮汐和地壳形变（固体潮），后
3、者 引起大地水准面位移，从而又导致重力 的变化。,随时间变化的重力场,日变曲线,图17,从重力观测值g中减去正常重力和随时间变化的重力，即得到的偏差部分称为重力异常。,重力异常,1.相对与地表光滑的椭球面而言，起伏的地表(高程）及其以下物质层的存在； 2.地球（壳）内部存在密度非均匀体；,引起重力异常的原因,重力异常的物理意义,重力异常的实质：重力异常是地质体的剩余质量对测区某点上单位质量所产生的附加引力在重力g方向的投影。,重力异常的实质,图18,1.探测对象与围岩之间要有密度差； 2.密度非均匀体的密度沿水平方向有 变化； 3剩余质量足够大； 4.探测对象的埋深不能过深； 5.其异常能从干
4、扰场中分辨提取出来。,重力勘探应用的条件,重力测量,重力测量,重力仪,重力测量的方法：动力法、静力法 动力法是观测某种与重力现象有关的运动来测定重力的方法。测定的物理量是时间。 静力法是观测某种与重力观测物体的平衡状态，用以确定两点间的重力差值(相对重力值),超导重力仪 激光重力仪(实验室),按结构分,按测量原理分,相对重力仪,电子式重力仪,机械式重力仪,绝对重力仪,石英弹簧重力仪 金属弹簧重力仪 振弦重力仪(海上),重力仪的分类,绝对重力测量,摆的原理：摆仪 自由落体定律：自由下落法,重力测量,振摆法,数学摆,凯 特 可 倒 摆,相对重力测量仪器,工作原理 按物体受力变化而产生位移方式的不同
5、，重力仪 可分为平移式系统和旋转式系统两大类 日常生活中使用的弹簧秤从原理上说就是一种平 移式重力仪,平移式,旋转式,构造上的基本要求,灵敏系统,测读机构,观察平衡体的移动情况和测量重力变化的部分应具备足够大的放大能力，测量重力变化的范围较大，读数与重力变化间的换算要简单,具有较高的灵敏度以便感受出微小的重力变化,重力仪,影响重力仪精度的因素,1.温度影响 2.气压影响 3.电磁力影响 4.安置状态不一致的影响 5.零点漂移,重力仪,国产ZSM-V型石英弹簧重力仪器,SCINTREX继CG-3型重力仪之后的改进型自动电子 读数重力仪，1微伽分辨率，5微伽精度，是当前基 于熔凝石英弹性系统的最好
6、重力仪,第二章 重力仪,LaCoste & Romberg Micro-g (LRS)公司研制的整装航空重力测量系统交钥匙系统（TAGS）是一套完整的，专门适配固定机翼飞引器的，包括航空重力实时数据处理在内的高精度航空重力测量系统。,重力仪,GWR超导重力仪是目前世界上最灵敏的重力仪，其测量精度可达0.01微伽。仪器采用液氦冷却，有不同尺寸的杜瓦瓶可供选择。长期观测的台站式安装可加装外部电制冷装置以减少液氦消耗。轻便的小型杜瓦瓶可构成便携式台站观测系统。,重力仪,LRS公司的Micro-G生产的高精度井中重力仪是世界上唯一投入工业应用的井中重力仪。用于井中微重力测井，为油气开发提供井下地层密度
7、的空间变化及孔隙度分布变化资料，也可为剩余油气分布调查提供信息。该仪器测井不受油井铁套管影响， 测量精度为0.04毫伽。,重力仪,勘探者200型重力仪 Sodin410系列重力仪具有精密准确、设计先进，灵敏度高，测量范围大，重量轻，体积小的特点。,重力仪,一、观测结果的整理 1. 基点、总基点间校正 2.仪器零点位移改正 3. 日变改正,重力校正与重力异常,(1) 高度改正和自由空气异常 (2) 布格改正和布格异常 (3) 均衡改正和均衡异常,二、重力校正,实际地形,图112,实际地形变化,图113,对观测值与正常重力之差只进行高度校正：,h,观测点,h,换算点,图115,对观测值与正常重力之
8、差只进行中间层校正：,图116 中间层校正示意,布格校正,高度校正与中间层校正都与高程有关，把两项校正合并在一起进行，称为布格校正。,在相对重力测量中，为了消除测点与总基点纬度不同而导致的正常重力的差值，就要进行正常场校正：,测区,30,32,34,104,106,x,图117,均衡模式,图118,图119,普拉特模式平衡原理,普拉特模式平衡原理,艾里模式平衡原理,艾里模式平衡原理,均衡校正分两步：1.将大地水准面以上多余的按正常地壳密度分布的物质全部移去，即遍布全球的地形校正；2. 将全部移去的质量填补到大地水准面以下至均衡补偿面之间（山根或反山根）的范围，计算填入的物质在测点所产生的引力的
9、铅垂分量，然后加到布格异常中即得到均衡异常：,各种异常的地质意义,图120,自由空间异常是将地球自然表面和大地水准面间的物质压缩到大地水准面上而得到的异常。相当于均衡面深度为零的均衡异常。它是均衡异常的极值。,自由空间异常,布格异常就是将重力观测值进行地形、高度以及中间层校正（经过质量横向调整与海平面以上正常质量的剔除）后与大地旋转椭球体的正常重力分布作比较，而得到的偏差。它反映了地壳、上地幔内剩余质量体的分布状况。,布格重力异常,均衡异常反映壳内质量偏离正常（平衡）状态的程度。,1.平面等值线图 2.剖面曲线图 3.平面剖面图 4.立体鱼网图,重力异常的图示,图121,布格重力异常图,图12
10、2,图123,剖面曲线图,平面剖面图,图124,立体图,图125,一、一般步骤 1. 定性、定量结合 2.正、反演结合 二、岩矿石的物性（密度） 1. 沉积岩 2. 岩浆岩 3. 变质岩,重力异常的解释,简单形体的正反演问题,（一）正演公式 （二）规则形体的重力异常特征 1. 球体 2. 水平圆柱体 3. 垂直台阶 （三）任意形体的正、反演 1.解析法-线元、面元法 2.选择法,设有任意形状的地质体，其体内任意一点dv的坐标为（x，h，z），在A点处的坐标为A（x，y，z），如图2-1所示。则单元dv对A点单位质量的引力为,式中dm为单元的剩余质量，r为dv到A之间的距离，b为引力与垂直方向之
11、间的夹角。,把dm=sdV（s为剩余密度，即地质体与周围介质的密度之差），cosb=（z-z）/r代入上式，则整个地质体引起在A点重力异常Dg对物体全部体积V的积分为,式中，,因此有,球体重力异常剖面、平面图,图127,球体重力异常剖面、平面图,反演 D=1.305x1/2,圆柱体体重力异常剖面、平面图,图128,垂直台阶重力异常剖面,图129,重力异常的识别与划分,一、决定重力异常特征的主要 地质因素 1. 地壳厚度的变化 2. 结晶基岩成分、构造与起伏 3. 沉积岩的成分与构造 4. 矿产赋存,剖面上曲线圆滑划分区域异常,重力异常的划分,图135,高阶导数,图146,a.解析延拓 向上延拓
12、; 向下延拓 b.高阶导数 c.方向导数,重力异常的变换,重力资料的应用,一、在深部构造研究中的应用 1.由布格重力异常反演地壳厚度 2.由均衡重力异常推测现代地壳运动 3.利用卫星重力反演岩石圈的结构 4.利用卫星重力探索反演地幔对流 格局,根据布格重力异常反演地壳厚度,南北构造带地区地壳厚度,42,50,46,根据均衡重力研究现代地壳运动,地壳的均衡补偿是广泛存在的。如果某些局部地区出现了明显的均衡异常，说明这些地区的地壳运动造成了均衡失调，正在处在强烈的垂直运动之中。,根据均衡重力研究现代地壳运动,如珠穆朗玛峰一带用艾利均衡模式计算得到的均衡异常很大，其值为+1200g.u.，表明喜马拉
13、雅山主峰还缺乏山根，一直处于快速上升的势头。 又如北欧斯堪的纳维亚，出现了很大的负的均衡异常，最大达-500 g.u.，那是因为该地区冰川融化后盖层压力减少，陆地上升，但是盖层下面的地幔物质还来不及充填回来，使得该地区出现明显的均衡异常。,根据均衡重力研究现代地壳运动,+,+,0,0,-40,卫星重力反演岩石圈厚度,塔里木 | 天山 卫星重力解释图,卫星重力反演地幔对流格局,重力资料的应用,二、在地质构造研究中的应用 1. 划分构造单元，圈定板块边界； 2. 研究结晶基底面的起伏和内部构造； 3. 在沉积盆地中确定基岩面的构造起伏； 4.确定断层位置及其分布规模； 5.圈定火成岩体。,布格重力
14、异常是反映以区域场为主的复杂场,，对埋深较深、规模较大的地质体， 如基底构造或深大断裂反映较好， 因此g 异常适用于进行构造区划、成矿预测。,重力异常中断裂的主要表现形式,重力等异常线的密集带 异常曲线的扭曲带 水平梯度带曲线 pp226,有些矿床受构造控制, 在两组以上构造断裂的交叉部位(或隆凹构造的接合部) 往往是含矿岩浆上升的主要通道， 它们在g 区域场图上以两组以上重力g 梯度带交叉形态表现出来。,重力异常图中断裂的表现,图156,1. 勘探油气储集层 2. 金属非金属矿产勘探 3.圈定岩体隐伏边界 4.寻找地热田,在能源资源勘探研究中的应用,重力异常和矿产分布（黄宗理）,在剩余重力异
15、常平面图上, 金属矿床的分布特征有两种类型: 一种是沿条带状异常分布, 一种是沿面状异常分布。 条带状分布类型是指以明显的条带状重力高,以及与之相伴生的条带状重力低为标志, 矿床基本沿该条带分布。面状分布类型则是以条带状重力异常为边界, 所包围的一个区域。在该区域内, 矿床大体均匀分布。,重力异常和矿产分布（黄宗理）,编号1: 兴蒙地区条带状异常 编号2: 华北地区条带状异常。 编号3: 中南地区条带状异常。 编号4: 新疆地区天山异常带。,重力异常和矿产分布（黄宗理）,编号V: 辽吉黑东部异常区。 编号VI: 山东异常区体相当。 编号VII: 华东和华南异常区。 编号VIII: 柴达木异常区。 编号IX: 西藏和云南异常区。,