普通物探第13节重力勘探的测量仪器
重力法在地下矿山勘探中的应用
重力法在地下矿山勘探中的应用在地下矿山勘探中，重力法是一种常用的地球物理勘探方法。
通过测量地球重力场的变化，可以获取有关地下岩层结构和矿藏分布的信息，为矿山的开发提供重要的参考依据。
本文将重点探讨重力法在地下矿山勘探中的应用，从理论原理到实际应用案例进行阐述。
1. 重力法原理重力法基于万有引力定律，利用地球上物体间的相互作用力来推断地下岩石密度的变化。
根据牛顿运动定律，物体所受重力的大小与其质量成正比，与距离的平方成反比。
在地球表面上，地球的引力场大致为9.8米/秒²。
然而，在地下岩层存在不均匀性的情况下，地球的引力场会发生微小的变化，通过测量这种变化，可以揭示地下岩层的情况。
2. 重力法仪器与方法重力法的测量仪器是重力计，它是一种测量物体质量、均匀状态下的地表或地下物质密度的仪器。
在地下矿山勘探中，重力法的测量方法通常有两种：单点重力法和重力梯度法。
2.1 单点重力法单点重力法是最简单、最常用的重力测量方法。
通过在地表或井下固定一点进行重力观测，可以得到该点的绝对重力值，并进一步计算出地下岩层的密度变化。
2.2 重力梯度法重力梯度法是一种相对于单点重力法而言更为精确的测量方法。
它通过同时测量多个位置的重力值，计算重力场的空间变化梯度，以获得更准确的地下岩层信息。
重力梯度法需要较复杂的仪器设备和数据处理方法，但其精度更高，适用于对矿床精细结构的研究。
3. 重力法在矿山勘探中的应用3.1 矿床探测重力法可以用于检测和勘探矿床，尤其是大型矿床。
矿床通常具有较高的密度，通过测量地下岩层密度的变化，可以确定潜在的矿产资源分布情况。
重力法还可以帮助确定矿床的延伸方向和形态，为矿山开发提供重要参考。
3.2 地质结构研究地下岩层的密度变化与地质结构密切相关。
重力法可以通过测量地下岩层的密度和密度梯度，帮助揭示地下构造和地质过程，如断层、褶皱等。
这对于矿区地质环境和岩层稳定性的研究非常重要，有助于评估矿区的地质风险。
地球物理勘探之重力勘探讲课文档
第三十五页，共111页。
常见的工作比例尺
第三十六页，共111页。
注意：1至少应有一条测线穿过异常，所以线距应不大于该异常 的 长度
由于重力g是矢量，从前面数学解析式看出它的计算是相当麻烦的， 为了方便而深入地研究重力的性质，引入重力位函数：
根据场论，必存在一个新的原函数，这个函数同样是研究点坐 标的单值连续函数，而且对这个函数沿不用的方向求导数，恰好等 于重力场强度在求导方向的分量。这个原函数就叫重力位函数，简 称重力位。
W (x,y,z)
第十四页，共111页。
计算公式：
（1）赫尔默特公式（多用于测绘部门）
g 9 .78 (1 0 0 .030s 52 i 3 n 0 0 .02 0s 02 i2 0 n )07
（2）1930年卡西尼国际正常重 力公式（多用于勘探部门）
g 9 .78(1 0 0 .0 40 95 si2 2 n 8 0 .0 80 40 si2 0 2 n 0 ) 59
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第二十七页，共111页。
一些常见的相对重力仪
陆地用重力仪
第二十八页，共111页。
G Meter w/Aliod 100x
Zero Length™ Metal Spring Reliable - Low Maintenance
Worldwide Range - No Resetting
（3）1979年国际地球物理及大地测量联合会推荐的正常重力公式（人 造卫星资料推算的，与赫尔默特在约80年前推算的公式相差很小）
重力勘探测量方法PPT课件
复杂地形地貌的影响
在山区、高原、沼泽等复杂地形地貌地区进行重力勘探测量时，需要克
服地形障碍，保证测量工作的顺利进行。
03
仪器设备的限制
目前重力勘探测量所使用的仪器设备比较昂贵，且操作复杂，需要进一
步提高设备的稳定性和可靠性，降低测量成本。
重力勘探测量的应用挑战
1 2
资源开发与环境保护的平衡
在资源开发过程中，需要平衡资源利用与环境保 护的关系，避免对环境造成破坏和污染。
精度。
数据插值
对缺失的数据进行插值处理， 填补数据空缺，提高数据完整
性。
异常分离与提取
异常识别
根据重力测量原理和地质特征 ，识别出异常数据。
异常分离
将异常数据从原始数据中分离 出来，便于后续处理和分析。
异常提取
对分离出的异常数据进行提取 ，得到更精确的异常信息。
异常分类
根据异常的特征和性质，对异 常进行分类和标注。
地质解释与推断
地质资料整合
收集和研究相关地质资料，包括地质图、钻 孔资料等。
地质推断
根据解释的异常和地质资料，进行地质推断 和预测。
异常解释
根据地质资料和理论知识，对分离和提取的 异常进行解释。
可视化展示
将处理和分析的结果进行可视化展示，便于 理解和交流。
05 重力勘探测量实例分析
实例一：某地区矿产资源勘探
定义
相对重力测量是使用高精度的测量设 备，在地球上选定具有代表性的点， 测量两点间的重力加速度差值。
目的
方法
常用的相对重力测量方法包括拉科斯 特摆仪法和石英弹簧重力仪法等。
获取地球的重力场变化信息，为地质 勘探、地震监测等领域提供数据支持。
重力勘探名词解释
重力勘探名词解释1. 什么是重力勘探？重力勘探是一种地球物理勘探技术，通过测量地球表面上的重力场变化来研究地下的物质分布和结构。
重力场是由于地球质量分布不均匀而引起的，因此通过测量不同位置上的重力加速度变化可以推断出地下的密度分布情况。
2. 为什么要进行重力勘探？进行重力勘探可以帮助我们了解地下的岩石、矿产资源和构造特征等信息，对于石油、天然气、矿产资源等的勘探与开发具有重要意义。
此外，重力勘探还可以应用于地质灾害预测、环境监测和工程建设等领域。
3. 重力勘探常用的仪器设备3.1 重力计重力计是用来测量地球表面上某一点上的重力加速度的仪器。
常见的重力计有绝对式和相对式两种类型。
•绝对式重力计：通过比较被测点与参考点之间的绝对差异来得到精确的重力值。
常见的绝对式重力计有拉卡斯特式重力计和绝对重力仪等。
•相对式重力计：通过比较不同位置上的重力加速度差异来测量相对重力变化。
常见的相对式重力计有斯普林格式重力计和落体仪等。
3.2 野外测量设备在进行野外勘探时，除了使用重力计外，还需要配备一些辅助设备：•全站仪：用于测量勘探点的空间坐标，提供精确的位置信息。
•GPS定位系统：用于确定勘探点的地理坐标，提供全球定位服务。
•数据记录器：用于记录测量数据，如重力值、时间、位置等。
4. 重力勘探数据处理与解释在进行重力勘探后，需要对采集到的数据进行处理与解释，以获取地下结构和物质分布信息。
4.1 数据处理•数据去噪：由于外界因素干扰和仪器误差等原因，采集到的数据可能存在噪音。
需要通过滤波等方法去除噪音，保留有效信号。
•数据纠正：由于地球自转、离心力和海洋潮汐等因素的影响，采集到的重力数据可能存在一些系统性误差。
需要进行纠正，以得到准确的重力场数据。
4.2 数据解释•建立模型：根据采集到的重力数据，可以建立地下密度模型。
通过对模型进行分析和解释，可以推断出地下岩石、矿产资源等的分布情况。
•地质解释：根据地下密度模型和其他地质信息，可以进行地质解释。
第三讲 重力测量仪器
重力测量仪器根据测量的物理量的不同，重力测量可分为动力法和静力法两类；动力法观测的是物体的运动状态(时间与路径)，用以测定重力的全值(绝对重力值)静力法是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)一、绝对重力测量仪器原理是根据摆的原理或根据自由落体定律摆的原理：摆仪自由落体定律：自由下落法和对称自由运动法(又称上抛法)。
NIM-I型自由落体绝对重力仪国家计量科学院研制NIM-II型自由落体绝对重力仪国家计量科学院研制美国研制的自由落体绝对重力仪下落法测定g值是自由落体质心起始位置以下Z=2S 2/7处的数值，S 2为自由落体下落的全程。
上抛法测出的g 值是物体最高点以下Z=(H/2十H B )/3处的数值。
其中H B 为B点的高度。
二、相对重力测量仪器(一)工作原理按物体受力变化而产生位移方式的不同，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。
Δα(二)构造上的基本要求静力平衡系统——灵敏系统（心脏）测读机构——观察平衡体的移动情况和测量重力变化的部分灵敏系统，必须具有较高的灵敏度以便感受出微小的重力变化测读机构，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。
提高灵敏度有两个途径：9加大上式中的分子要增大m和L，一般不采用9减少上式中的分母减小平衡系统稳定性，但又不使其达到不稳定状态，则灵敏度可达到任意需要的程度。
采用加助动装置的方法、倾斜观测法以及适当布置主弹簧位置等方法。
(四)测读机构与零点读数法测读机构包括放大部分(光学放大，光电放大或电容放大等)和测微部分(测微读数器或自动记录系统)。
现代重力仪都是采用补偿法进行观测、读数，即采用零点读数法。
零点读数法选取平衡体的某一平衡位置作为测量重力变化的起始位置(即零点位置)，重力变化后，第一步是通过放大装置观察平衡体对零点位置的偏离情况，第二步用另外的力去补偿重力的变化，即通过测微装置再将平衡体又调回到零点位置，通过测微器上读数的变化来记录重力的变化。
重力勘探仪器PPT课件
航空重力勘探仪器广泛应用于矿产资源勘探、城市规划、环境保护等 领域。
井中重力勘探仪器
01 02 03 04
井中重力勘探仪器是一种用于井中测量的重力勘探仪器，具有高精度 和高分辨率的特点。
它能够提供井筒周围的地质构造和地球重力场信息，为石油、天然气 等矿产资源的勘探和开发提供重要依据。
井中重力勘探仪器通常由井筒内重力加速度计、数据采集和处理系统 等组成，能够实现自动化测量和数据处理。
05 重力勘探仪器的技术发展 与挑战
技术发展现状与趋势
精度与灵敏度提升
随着材料科学和制造工艺的进步，重力勘探仪器的精度和灵敏度 得到了显著提高，能够更准确地探测地下结构和矿产资源。
智能化与自动化
现代重力勘探仪器趋向于智能化和自动化，能够自动进行数据采集、 处理和分析，减少人为误差和操作时间。
多功能集成
海洋重力勘探仪器在海洋地质 调查、海底资源勘探等领域具 有广泛的应用价值。
航空重力勘探仪器
01
航空重力勘探仪器是一种利用飞机进行重力测量的仪器，具有快速、 高效的特点。
02
它能够覆盖大面积区域，提供高精度的重力测量数据，为地质构造、 矿产资源分布等研究提供有力支持。
03
航空重力勘探仪器通常由重力加速度计、导航系统、数据采集和处理 系统等组成，能够实现自动化测量和数据处理。
井中重力勘探仪器在石油、天然气等矿产资源勘探领域具有广泛的应 用价值。
04 重力勘探仪器的应用领域Fra bibliotek地质勘探
01
02
03
寻找油气田
通过重力勘探可以确定地 下的岩性和构造，进而发 现可能存在的油气田。
地质构造研究
重力勘探可以揭示地壳的 起伏和断裂，帮助研究地 质构造的形成和演化。
重力勘探_精品文档
重力勘探重力异常：在重力勘探中，将由于地下岩石，矿物密度分布不均匀所引起的重力变化，或地质体与围岩密度差异引起的重力变化，成为重力异常。
引力位重力位关系：重力位等于引力位及离心力位之和，重力位处处连续而有限。
引起重力异常的原因地壳厚度的变化；结晶基岩内部成分、构造和基底顶面的起伏；沉积岩的成分和构造；金属矿及其它矿产的赋存；剩余密度：地质体密度与围岩密度的差称为地质体的剩余密度，即σ=σσ0，该地质体相对于围岩的剩余质量为σ第三章重力测量仪器绝对重力测定测量地球上特定点的绝对重力值，绝对重力测量测的是重力的全值。
原理：动力法，观测物体的运动状态（时间与路径），用以测量重力的全值。
相对重力测定测定地球上两点间的重力差值（即各点相对于其中一基准点的重力差）。
原理：静力法，观测物体的平衡状态，用以确定两点间的重力差值。
零点位置：选取平衡体的其中一平衡位置作为测量重力变化的起始位置。
影响重力仪精度因素：温度、气压、电磁力、安置状态不一致零点漂移：弹力重力仪中的弹性元件，在一个力（如重力）的长期作用下将会产生蠕变和弹性滞后（弹性疲劳）等现象，致使弹性元件随时间推移而产生极其微小的永久形变而导致仪器读数的零点值随时间而不断变化。
怎样克服零漂：制造仪器时，应选择适当材料和经过时效处理，尽量使零点漂移小并努力做到使它成为时间的线性函数。
零点读数法含义及意义（优点）：p37第四章重力测量重力测量分类（按空间位置）：地面重力测量、地下重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星重力测量重力测量分类（按地质任务）：区域重力调查、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。
各自解决的地质问题见p53-p54、比例尺的确定：重力概查：1:100万，1:50万，用于区域构造和壳慢深部构造重力普查：1:20万，1:10万，用于能源普查和成矿远景区重力详查：1:5万，1:2、5万，盆地内或成矿区，基底构造，局部构造，岩体，小断裂等重力细测：1:1万以上，浅部小构造，小局部地质体测网的大小布设规律：1、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，在图上每平方厘米能有0。
重力勘探的原理及应用
重力勘探的原理及应用前言重力勘探是一种常用的地球物理勘探方法，广泛应用于矿产资源勘探、地下水资源调查、地质构造与沉降研究等领域。
本文将介绍重力勘探的原理、仪器及数据处理方法，并探讨其在实际应用中的优缺点。
1. 原理重力勘探利用地球的重力场对地下物质进行探测和研究。
地球的重力场是由地球质量在空间中产生的，其大小和方向会受到地下物质分布的影响。
重力勘探利用测量地球重力场的变化，以推断地下物质的分布和性质。
2. 仪器重力勘探的仪器主要包括重力仪和支架。
重力仪是测量地球重力场变化的设备，通常由重力感应仪和重力测量仪组成。
重力感应仪用来测量地球重力场的总强度，而重力测量仪用来测量地球重力场的沿着特定方向的分量。
支架则用于稳定仪器的位置和方向。
3. 数据处理方法重力勘探的数据处理包括数据采集、数据质量控制、数据处理和解释等步骤。
3.1 数据采集数据采集是重力勘探的第一步，需要在研究区域内选择一定数量和布设形式的测量点来获取地球重力场的变化数据。
通常，采集数据的密度越高，获得的信息就越精确。
3.2 数据质量控制数据质量控制是保证重力勘探数据准确性和可靠性的关键步骤。
在数据采集过程中，需要定期检查和校准重力仪，排除仪器故障和外界干扰等因素对数据的影响。
3.3 数据处理数据处理是将原始测量数据进行预处理和分析的过程。
常见的数据处理方法包括数据滤波、数据平差和数据插值等，用于消除数据中的噪声和误差，提取有用的地下信息。
3.4 数据解释数据解释是根据已处理的数据结果，进行地质结构解释和地下物质分布推断的过程。
通过比对重力数据与地质地球物理模型，可以推断地下的岩石密度、构造特征等信息。
4. 应用重力勘探在许多领域都有广泛的应用，下面列举几个典型的应用案例：•矿产资源勘探：重力勘探可以用于找矿。
矿床一般密度较高，因此在地下与周围岩石形成的重力异常可以被重力勘探方法探测到，从而指导矿产资源勘探工作。
•地下水资源调查：重力勘探可以用于地下水资源的调查和评价。
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（华东）
1. 绝对重力测量
绝对重力测量就是在一点通过测量得到测点的重力 全值。二百多年前，最早出现的测量重力的摆仪就 是绝对重力测量仪器。当前，绝对重力测量主要应 用的是物体在重力作用下的运动现象。
l J ma
A O1
a1
O
l
a2
O2 B
可倒摆示意图
（华东）
折合摆长的推导
• 假设以两个转轴的摆动周期分别为：
T1 2
J1 mga1
T2 2
J2 mga2
• 设 J0 为对应于质心水平轴的转动惯量，根据平行 轴定理，J1 J0 ma12 ，J2 J0 ma22，所以，
T1 2
J0 ma12 mga1
§1.3 重力仪
• 重力仪是用来进行重力测量的仪器（gravimeter）。 自诞生以来，重力仪经历了多次更新换代，随着技 术水平的提高，测量精度从毫伽级提高到微伽级， 甚至更高，测量效率越来越高，体积越来越小，现 在已制成了高精度的井中重力仪。
• 主要内容
– §1.3.1 重力测量原理 – §1.3.2 不同类型重力仪介绍 – §1.3.3 海洋重力测量 – §1.3.4 航空重力测量
•Hale Waihona Puke ？计算重力值的位置： 起始高度以下 z=2(h3-h1)/7 的位置。
• 通过测量物体平衡位置因重力变化而产生的位移， 进而测量重力的变化，这种方法称为静力法，测量 结果为两点间的重力差值，也称相对重力值，这种 测量方法称为相对重力测量。
（华东）
重力测量的精度要求
• 重力勘探所要研究的是重力值的微小变化，现在用 一例子说明重力值测定的精度要求。
• 假设有一个密度为2.6g/cm3的花岗岩球体，其半径 为70m，埋藏深度为100m，球体的围岩密度为 2.1g/cm3的砂砾岩，那么，球体的剩余密度为 0.5g/cm3，在球体正上方引起的最大重力异常约为：
T 2 l g
由此也可以求出重力加速度：
g
4 2l
T2
（华东）
振摆法测量原理
• 纯粹的数学摆只具有理论意义，不能实际应用。物 理摆的摆动周期 T 与重力 g 之间的关系式为：
T 2 J
mga
式中 m 是物理摆的质量，a是重心与摆轴之间的距 离，J 是摆对轴的转动惯量。
• 可以得出重力的计算式为：
g
4 2 J
maT 2
需要测量 J、m、a、T 四个量，且 J 和 a 都很难精 确测定。
（华东）
可倒摆
• 可倒摆是一种可分别绕两个对立的旋转轴摆动的复 摆，一般由长度约1.5m的金属杆或木杆，在相距约 1m的两处安置两个对立的刃口组成，可分别以两 个刃口为轴摆动。
• 通过调节摆杆上的重锤 A 和 B ， 可以调节以O1和O2为转轴的摆动 周期，当可倒摆分别绕两个刃口 摆动的周期相等时，两刃口间的 距离便相当于数学摆的摆长，即
（华东）
自由下落法测量原理
• 第二、三式分别减去第一式，得到：
h2
h1
v0 (t2
t1)
1 2
g (t22
t12 )
h3
h1
v0 (t3
t1)
1 2
g (t32
t12 )
• 消去初始速度v0，得到重力场 强度的计算式：
h3 h1 h2 h1 g 2 t3 t1 t2 t1
t3 t2
T2 2
J0 ma22 mga2
• 从式中消去 J0 和 m ，得到
•
4 2
g
a12 a22
T12a1 T22a2
如果 T1=T2=T，则有
g
4
2
a1
T2
a2
4 2l
T2
（华东）
振摆仪
• 利用可倒摆测量绝对重力值的要求条件很高，因而 工作效率低。其后又设计出了作相对重力测量的振 摆仪，它根据某点的已知重力值来测定其它点的重 力值。
• 设已知参考点的重力值为 g0 ，用同一个摆先在该 点观测得到周期 T0 ，然后到待测点观测得到周期 Ti ，根据公式
T0 2
l g0
Ti 2
l gi
•
消去摆长，得到待测点重力计算式
gi
g0
T02 Ti 2
（华东）
振摆法测量的影响因素
• 在振摆法测量重力的过程中，有多种因素对测量结 果有影响，如：
gmax
f
M D2
6.67108
4 70003 0.5
3 100002
0.0005Gal
即0.5mGal，是重力全值的200万分之一。
（华东）
重力测量的精度要求
• 要发现可靠的异常，要求仪器的观测精度为重力异 常的2.5倍，即误差必须小于其2.5分之一 。对于上 述0.5mGal的异常，要求仪器精度为0.2mGal。
• 由于这种方法需要精确测定时间和长度两个量，同 时又受到空气阻力的影响，因而难度较大。
• 尽管如此，精确测量绝对重力值还是非常有意义的。
（华东）
绝对重力测量
• 自由落体运动中，物体下落的距离 h 与所经历的时 间 t 满足关系式：
h 1 gt 2
2
由此可求出重力加速度：g
2h t2
• 对于一个数学摆，摆动周期 T 与摆长 l 之间满足关 系式：
① 空气阻力对振动周期的影响； ② 温度变化对摆长的影响； ③ 刃口不足够锋利的影响； ④ 振幅大小的影响； ⑤ 摆架摇动的影响； ⑥ 周期测量误差的影响等。
用于重力测量的振摆仪一般由四个摆组成，分为两 组，在铅垂面摆动的相位差为180度，这种结构可 以减轻摆架摇动，同时也可以根据各摆的周期是否 一致来判断摆长是否有变化。
（华东）
自由下落法测量原理
• 任意时刻，自由落体的运动方程式为：
h
h0
v0t
1 2
gt
2
• 其中包含三个未知数h0、v0、g，
需要测定三组 hi 和 ti 才能解出重 力加速度 g。
h0
h1,t1
h1
h0
v0t1
1 2
gt12
h2
h0
v0t2
1 2
gt22
h2,t2
h3
h0
v0t3
1 2
gt32
h3,t2 下落法测量原理示意图
（华东）
§1.3.1 重力测量原理
• 进行重力测量必须要利用与重力有关的物理现象， 如物体在重力作用下的运动、摆的摆动、弹簧在重 荷作用下的伸长、液体的静压力等等。但实际只有 少数原理被用于制造实用的重力仪。
• 应用物体的运动状态进行重力测量的方法称为动力 法，测量结果为重力全值，也称绝对重力值，这种 测量方法称为绝对重力测量。