包邮重力学与重力勘探

**章概述 **节重力学与重力勘探的研究对象与任务 一、重力学研究对象与任务 重力学是一门历史悠久且经典的地球科学重要分支学科，是研究重力场随空间、时间变化的变化规律，并将重力数据用于大地测量、地球内部构造、地球动力学、资源勘探、工程建设、灾害预防等方面的基础性科学和应用科学。在基础理论方面，重力学的研究对象与内容有以下几点：有引力、重力、引力位场及地球重力场的理论研究；重力场的空间、地球表面和内部的分布特征与规律，以及它们所反映的物质质量分布、密度分布的状态、性质、特征与规律的理论研究；重力场因天体运动和地球内部物质运动引起的周期性变化规律与非周期变化的性质、机理的理论研究。但是，这些理论研究的进展程度是参差不齐的，有些理论研究已相当成熟，并且被广泛应用；有些则是近些年来才取得重要的突破性进展，并在实际应用中得到证实和推广；还有一些则尚在探索之中。 为了获得理论研究的基础数据和资料，重力的测量原理、方法、技术和重力测量仪器的研制是重力学重要的、基本的研究对象与内容。在此基础上，建立国家重力基本网，一、二级重力网，重力数据库以及与国际联网等同样是重力学的组成部分。观测获得的重力数据必须归算到统一的、可对比的某种标准条件下，因此需要进行各种校正、改正、换算等处理，而这些处理的方法、技术研究与改进是必不可少的研究方向。采用经各项改正后的重力异常资料研究地壳内部的结构、构造，探查固体矿产和油气资源分布，查明大型建筑工程基底的稳定性等，都是重力学的重要的研究对象。作为实现这些研究的基础，建立地球内部结构、构造、固体矿产和油气赋存状态的地质模型，进而研究各种地质模型的正、反演问题，给出对应的正、反演理论和方法，以及与其他地质、地球物理资料结合的综合解释方法、联合反演方法等，已成为重力学研究的主要内容，并得到很好的发展。 地质灾害（如滑坡、天然地震、火山喷发等）是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产造成损失、对环境造成破坏的地质作用或地质现象。地质灾害发生前，常常伴随重力场的变化。因此，采用高精度重力仪监测重力非正常变化，预测地质灾害发生的时间和地点，也是重力学研究的重要内容。重力监测研究包括固体潮汐变化的长期连续监测、火山和地震等特定地质现象的动态重复监测，以及监测结果的解释理论、方法与技术等。 总之，重力学研究的对象与任务涉及地球表面及内部重力场的时间、空间变化及规律研究的各个方面，应用于资源探查、环境保护、灾害预防等与国民经济、国防建设相关的地球科学的各个领域。随着科学技术的发展以及应用任务的需要，重力学在新理论、新方法、新技术和新仪器等方面的研究任务是相当艰巨的，也是十分光荣的。 二、重力勘探研究对象与任务 根据重力测量或重力勘探所承担的地质任务及勘探对象的不同，大体上可以分为区域构造重力调查、能源重力勘探、矿产重力勘探、水文及工程重力测量、天然地震重力测量等。 （一）区域构造重力调查 区域构造重力调查是国土资源区域地质调查基础工作的一个组成部分，一般在以下几方面发挥重要作用。 （1）研究地球深部构造，如地壳厚度的变化（莫霍间断面的起伏）、深大断裂的可能部位及延伸情况、上地幔密度的不均匀性以及研究地壳的均衡状态等。 （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及其内部成分和构造；圈定沉积盆地范围，研究沉积岩系各密度界面的起伏和内部构造。 （3）探测、圈定与围岩有明显密度差异的隐伏岩体或岩层，追索两侧岩石密度有明显差异的断裂，进行覆盖区的基岩地质、构造填图。 （4）根据区域地质、构造及矿产分布规律，为划分成矿远景区提供重力场信息。区域重力调查的结果还对地球形状以及导弹、宇航器飞行研究提供极为重要的基础资料。 （二）能源重力勘探 重力测量可以在沉积覆盖区快速、经济地圈出对寻找石油、天然气或煤有远景的盆地；在圈定的盆地内研究沉积层的厚度及内部构造，寻找有利于储存油气或煤的各种局部构造，在条件有利时可以研究非构造油气藏（如岩性变化、地层的推覆、古潜山及生物礁块储油构造等），并直接探测与储油气层有关的低密度体。 （三）矿产重力勘探 矿产重力测量包括金属及非金属矿产的重力测量。它多与其他的物探方法配合，圈定成矿带；在条件有利时，可以探测并描述控矿构造，或圈定成矿岩体；或者直接发现埋藏较浅、体积较大的矿体，或对已知矿体进行追踪等。 （四）水文及工程重力测量 在水文及工程地质方面，重力勘探的主要任务是研究浮土下基岩面的起伏和有无隐伏断裂、空洞，以确保厂房或大坝等工程的安全；寻找水源，如利于储水的地下溶洞、破碎带、地下河道等；监测危岩、滑坡体；研究地面沉降；在地热田的勘测开发过程中，发现热源岩体，监测地下水的升降以及水蒸气的补给情况，以便合理、持久地开发地热田等。 （五）天然地震重力测量 天然地震重力测量可分为台站重力测量和流动重力测量两种形式。其主要任务是研究重力场在台站点上或在某一地震活动带、沿一条测线或一块面积的重力随时间的变化。在台站点上的观测结果是临震预报的依据之一；在固定测点之间进行的流动重力观测结果是中长期预报的依据之一。 不同的地质勘探阶段可以布置适当比例尺的重力测量工作，以完成相应的地质任务。随着重力仪器测量精度的提高、测量领域的扩大、各项校正方法的逐步完善，以及资料处理和解释方面新方法、新技术的发展，重力勘探所能完成地质任务的能力和勘探效果在日益提高，应用范围也在不断扩大。 第二节重力学与重力勘探发展现状及趋势 一、重力学与重力勘探国外发展 重力学是一门古老的学科，16世纪末至今，从重力测量开始，到重力场的理论研究，再拓展到应用重力资料研究地球的外表形状、地球的内部结构与构造运动，进而深入到资源环境、灾害和空间科学等研究领域，这些构成了现代重力学的基本内容及研究范围。 16世纪，意大利科学家伽利略（G.Galilei）在1590年通过从比萨斜塔上投掷铅球的实验和在斜面上滚落球体的实验，发现了物体受地球重力下落的加速度规律。该时期就粗略地求出地球重力加速度的数值为9.8m/s2。17世纪和18世纪是科学变革的兴盛时期，重力测量的理论基础是伴随着引力理论、刚体力学的发展而建立起来的。在伽利略发现自由落体以均匀加速度运动和摆的周期运动时间与摆的长度相关的这些认识基础上，惠更斯（C.Huygens）提出了数学摆和物理摆的理论，并研制出**架钟摆。在此后的200多年间，测定重力的唯一工具就是摆。 1672年，法国天文学家里歇尔（J.Richer）在南美洲赤道附近圭亚那的科学考察，揭示了重力随测点位置的变化。1687年，牛顿根据开普勒行星运动定律推导出万有引力定律，发表在《自然哲学的数学原理》，这一著名的定律为（1.1）式中，F为引力；G为引力常数；m1、m2为两个相互吸引物体的质量；r为物体之间的距离。 由于万有引力和离心运动的发现，牛顿提出了液态均质地球的均衡状态学说，认为地球是一个旋转的椭球体，指出了地球呈两极扁平的特征和重力是由赤道向两极增大的规律，从而解释了里歇尔的观测事实。布格（P.Bouguer）将均衡状态的研究扩展到按共焦层分布的旋转体的研究，引入了水准面的概念。克莱罗（A.C.Clairaut）在《地球形状原理》中提出了以他名字命名的“克莱罗定理”，这一定理适用于旋转椭球体，可以通过在不同纬度测定的两个重力值来确定椭球体扁率，进而确定椭球体的大小，这对地球物理学有重要的意义。1735～1744年，布格等通过一系列的观测证实了重力随纬度的变化；1749年又进行了重力随高度变化的观测，并研究了重力的海平面改正（又称高度改正）。 19世纪初的发展特点是开展新的测量方法研究和可移动仪器的研制，并进行较大区域的野外测量。1811年，德国天文学家鲍年倍格（J.Bohnenlerger）阐明了可倒摆原理。1818年英国凯特（H.Kater）研制成**台可供野外观测的可倒摆仪器。试用结果表明，测量误差约为35mGal1Gal=1cm/s2。。贝塞尔（F.W.Bessel）研究了可倒摆的理论和误差源，并研制出线摆，并在1828年前后用其实施了绝对重力测量。这种仪器的误差已减到约为10mGal。拉普拉斯应用克莱罗定理计算一批重力点的重力值，给出地球扁率约为1/330。1873年，理斯廷将高斯（C.F.Gauss）给出的海平面上的等位面定名为大地水准面。英国数学家斯托克斯（G.G.Stokes）证明了位理论反演问题没有唯一解，位理论反演的目的在于从外部重力场来确定地球内部的物质分布，这是地球物理中十分重要的研究问题。 1854年英国的普拉特（F.Pratt）整理在喜马拉雅山附近用摆测量的垂线偏差记录时，发现实测值比预期的小，表明地下存在某种补偿作用抵消了一部分高山的影响，在1855年他提出一个假设，认为山脉是由地下物质从某一补偿深度起，向上膨胀而形成的，山越高，密度越小。但在补偿深度以上的各个岩石柱体的质量都相等。同年，英国天文学家艾里（G.B.Airy）提出另一个假设，认为山脉是较轻的岩石浮在较重的介质上。山越高，它的底部伸入介质中的深度越大，即所谓的“山根”。后人在普拉特和艾里的假说基础上又提出了改进和新的均衡、补偿的假说。 1889年，美国地质学家杜顿（C.E.Dutton）引进了均衡（isostasy）这一名称。根据均衡学说，可见的物质剩余（山地）和物质亏损（海洋）可通过地壳密度或者地壳厚度的变化而得到补偿，从而在某一补偿深度上达到静力平衡。 19世纪末，使用摆仪在每个测点上观测半日至一日，可使重力差的精确度从±10～±20mGal提高到±5mGal。此时已获得了大量可用的全球重力资料。为了便于重力资料的使用，就要求研究重力数据归算到海平面的问题。赫尔默特（F.R.Helment）在这方面做出了贡献，1901年，他使用经过空间改正后的1400个重力值，得到的地球扁率为1/298.3，大大提高了地球扁率精度，由此推出的正常重力公式在20世纪初得到世界各国广泛的应用。1898～1904年，库宁（F.Kühnen）和冯特万勒尔（P.Furtwüngler）在波茨坦（Potsdam）完成了绝对重力测量。其观测结果被确定为“波茨坦重力系统”的基础。在1909年该系统被采用为世界重力基准。 20世纪初，厄特沃什（R.von E？tv？s，对称厄缶）研制成适用于野外作业的扭秤，在匈牙利进行了持续的扭秤观测，结果表明扭秤可以反映地下区域的密度变化。在应用地球物理方法勘探石油之初，一个显著的特点就是使用了扭秤。1918年，施文达尔（W.Schweydar）对德国北部的一个盐丘进行了首次探测，并研究了地形影响的校正方法。他研制的可以照相记录的扭秤，由柏林的阿斯卡尼亚（Askania）公司于1922年生产，并被一些德国和美国的地球物理勘探公司用以勘探盐丘。1930年左右，美国使用这种仪器达125台。然而，使用摆仪和扭秤观测，每个点的观测时间需要1～6h，过于费时。并且扭秤对地形的不规则性反应灵敏，所以它只能在平原地区用来测定单一的构造。对于大区域的快速观测，它们就不能适应需要了，于是研制新型重力仪就被提到日程上来了。 早在1833年，赫斯切尔就提出应用弹簧秤测定重力的设想。但是，只有在材料科学和高精度的测量技术取得进展的条件下，才有可能研制成这种仪器。1934年拉科斯特（L.J.B.LaCoste）提出应用长周期地震仪原理研制高精度的弹簧重力仪。沃登（Sam P.Worden）研制了石英弹簧重力仪，这类仪器的测量精度达±0.05～0.2mGal；一个观测点的平均观测时间已缩短到10～30min。到1939年，在地球物理勘探中，这类重力仪几乎完全取代了扭秤。至此，一些