重力勘探—重力资料的解释

第五章重力资料的解释

经过各种校正的重力观测数据在进行必要的数据处理之后、便是局部重力异常(剩余重力异常)，它单一地反映了研究对象产生的重力异常场，通过对重力异常场特征的分析，研究引起异常的地质原因，就是重力异常的解释问题。

定性解释主要是推断引起异常的地质原因，确定异常源的形态、范围、大致埋藏深度。

定量解释是在定性解释的基础上，对异常源的深度、大小、产状等进行定量计算。

§5.1 重力异常解释的基本概念

重力观测资料校正、处理→局部异常：单一反映研究对象产

生的异常。

一、数学物理解释与地质解释

1、数学物理解释

根据异常分布特征和工区的地球物理条件来确定异常质量的形状、大小、埋深和在地面上的投影位置。有条件时进一步确定异常质量的产状要素、剩余质量等。

2、地质解释

结合工区的地质条件和特点，对质量异常作出地质上的判断。→→说明引起异常的地质原因和对异常作出地质结论。

二、正问题与反问题

为了正确地进行解释推断，就必须了解重力异常与各种地质因素(异常场源)之间的相互关系，包括数量关系。

1、正问题

根据已知异常源(地质体)的形状、大小、深度、产状和物性，用数学物理方法研究它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问题，简称正问题。

解正演问题，一般都把自然界中某些地质休简化为简单几何形体(例如把等轴状的地质体近似地抽象成球休，垂直断层近似为垂直台阶等)，这是为了研究问题方便。当地质体的形状和密度分布比较复杂时，技照场的叠加原理，可把它划分成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，这样简单几何形体的正演问题也就成了复杂形体正演问题的基础。此外，还往往把密度大致均匀的介质宏观上作为均匀介质来研究。由上述可见，当用某种简单形体的物理模型来代替真实的地质体时，总会产生一定的误差，只不过这种误差不致于影响对重力勘探的要求。

2、反问题

根据重力异常的形态、幅度大小和分布规律等特征，来确定异常源的形状、大小，位置和产状等参数，称为重力异常的反演问题，简称反问题。

目前使用的方法较多，如特征点法，切线法、选择法等。

三、重力反问题的多解性

1、场的等效性：如果不改变包含在引力等位面内物质的总质量，而重新分布其密度，只要使原来的等位面保持形状大小不变，则密度的重新分布与这一等位面和等位面外引力场的分布无关。（不同的物质密度和质量分布可能引起相同的异常场。）

例如，一个球形矿体，在地表引起的异常决定于它的剩余质量和观测点到球体中心的距离，进行反演计算，不能单独确定它的深度和密度值，从数学上讲，如果保持其剩余质量不变，中心深度也不变．则球体的剩余密度和半径大小可有无穷多个值，但它们产生的异常都是相同的。

2、观测数据总是离散的、有限的：重力测量只能观测到地表的异常值，而不是全部空间的场值；根据片面的场的分布，往往也不能唯一地确定场源的分布情况。

3、实测异常总是包含一定误差。小误差→模型参数大变化。

因此，有必要研究工作地区的地质资料、岩石的密度资料，以及掌握地质规律，从而减少多解性带来的困难。通过对各种资料的综合分析，解反演问题时就可以附加—些条件，以便对反问题的解有某些限制。例如球体的例子，如果密度值确

定了，则其半径大小就可以得到唯一解。在有条件的地方，选择有代表性的异常，

可进行钻探工作加以验证，以提高全区解释的质量。

四、解正演问题的基本公式

地下各种密度异常体在其质量分布区之外引起的重力异常（包括导数异常），都是根据相应的积分公式计算的。在计算中，一般取地面直角坐标系，把地面当成水平面，x 轴和y 轴位于该平面内，z 轴垂直向下，于是地球内部任一密度异常体（如图）

在其外部空间一点A （x,y,z ）的引力位为

（1） 式中 dm —密度异常体内部的剩余质量元，dV dm σ?=，其坐标为()ζηξ,,；

dV —质量元的体积，ζηξd d d dV =；

σ?—剩余密度，把它视为常数；

r —观测点()z y x A ,,到dm 的距离，

式（1）在积分号下对被积函数沿z 方向求偏导数，即得到该密度异常体在P 点产生的重力异常为

（2）

g ?跟不同坐标方向求偏导数，还可以得到重力位的高阶导数异常的基本公式。

将式（2）对η积分，积分区间由∞-到∞+，便可得到沿

y 轴方向无限延伸的二度体异常的正演公式，即

（3） 该积分在二度体的整个横截面S 上进行。

§5.2 简单规则形体的正、反问题

粗略估计或准确计算地质体的产状要素时，一些规则形体总是起着重要的作用，因为不仅自然界许多地质体可近似作为规则形体看待，而且任何复杂形体部可以分解为许多不同大小的规则形体。

为了简化讨论，我们假设形体孤立存在、密度均匀、地形平坦、所取剖面皆为中心，对于三维体，是指通过其几何中心的剖面，对于二维体，是指垂直于面。所谓中心剖面走向的横剖面。

一、球体（点质量）

自然界中一些等轴状地质体，例如盐丘、矿巢等，都可以近似当作球体来研究。

x

P (x,0)

若球的密度σ大于围岩密度0σ，则剩余质量M 将引起正异常 密度均匀分布的球体可作为剩余质量集中于球心的质点看待，球体在地面某点P 产生的附加引力为 2

222D y x M G r M G E ++==? (1) 式中r 为P 点到球心的距离，E ?的方向由P 指向球心。

如将P 点选在x 轴上，则y ＝0，代人(1)式．有

22D x M G

E +=?

(2)

设E ?与z 轴的夹角为θ，则有

(3)

分析：

1）当x =0时，g ?求得最大值 M （吨） D （米）

2）当x →∝时，0→?g

球体重力异常剖面曲线是一条以纵轴为对称的曲线。

重力异常等值线平面图，该等值线图由一系列以球心在地面的投影为中心、疏密不等的同心圆组成。在球心附近分布较稀，向外变密，然后又变稀。

3）半幅值点横坐标

D x 766.02/1±= (4)

4）当M 不变时，埋深D 增加，g ?异常迅速衰减，曲线变缓。

5）导数

二、水平圆柱体

自然界中横截面接近圆形的扁豆状矿体、长轴状背斜、向斜等，都可以当作水平圆柱体看待。沿走向无限延伸的水平圆柱体可视为剩余质显全部集中于其轴线的均匀物质线，无限长水平物质线可视为无穷多个质点(即球体，图中单个圆柱体元相当于一个球体)沿其走向排列而其重力异常应为所有质点的重力异常之和。

x

P (x ,0)

1）当x=0时

λ（吨/米） h （米）

2）当x →∝时，0→?g

重力异常剖面曲线是一条以纵轴为对称的曲线。但在平面图上，g ?异常等位线是一系列与圆柱体轴向平行而且疏密不一的直线。

3）半幅值点横坐标

D x ±=2/1 (4)

4）当λ不变时，埋深D 增加，g ?异常曲线变缓。

三、垂直台阶

断层或不同岩层的接触带都可以作为台阶处理。台阶相当于定向无限延伸的一个无限物质层。

1）当x=0时

2）当x →+∞时

)(2max h H G g -=?σπ

3）当x →-∞时

0→?g

4）当H-h 不变，埋深增大时，min g ?、)0(g ?、m ax g ?不变，曲线变缓。

5）V 的导数曲线特征（V xz >0）

§5.3 进行地质解释时应注意的问题

1、分析检查重力异常是否满足在允许的误差范围内按需要的

详细程度测得所研究的地质因素产生的异常。

————前提条件

2、研究分析测区内不同研究对象及与非研究对象的异常之间

是否存在具有反映其特征的差异。

————处理：得到较为单一地质因素引起的有效异常

3、解释：从“读图”或异常识别开始，由全局深入到局部。

4、从已知到未知的原则：

①钻井资料（点），地震剖面（线）作控制解释，然后推广；

②从露头区异常特征推断相邻覆盖区。

5、多种数据处理方法的试验应用，确定参数。

6、收集相应的地质、钻探、物性、其他物化探资料，增加已知

条件，克服多解性。

7、验证工作，总结经验。

§5.4 异常的识别

一、异常特征的描述

平面等值线图:异常特征主要是指区域性异常的走向及其变化，从东到西(或从南到北)异常变化的幅度有多大。

区域性重力梯级带的方向、延伸长度、平均水平梯度和最大水平梯度值等。

对局部异常来说主要指的是异常的弯曲和圈闭情况，对圈闭状异常应描述其基本形状，如等轴状、长轴状或狭长带状；是重

力高还是重力低；重力高、低的分布特点；异常的走向(指长轴方向)及其变化；异常的幅值大小及其变化等。

在综合分析区域异常与局部异常基本特征后，有可能根据异常特征的不同将工区划分成若干小区，以供下一步作较深人的分析研究。

重力异常剖面图:应注意异常曲线上升或下降的规律，异常曲线

幅值的大小，区域异常的大致形态与平均变化率，局部异常极大值或极小值的幅度、所在位置等。

二、典型重力局部异常的解释

ZZZ ZZ XZ V V V g →?

由于不同的地质因素往往会在重力异常平面等值线图上或剖面图上引起相似的异常特征，因此根据某一局部异常来判定它是由什么地质因素引起的，常常是不容易的。为此，有必要结合地质资料或其他物探解释成果进行综合解释。

1）等轴状重力高

基本特征：重力异常等值线圈闭成圆形或接近圆形，异常值中心部分高，四周低，有极大值点。

相对应的规则几何形体：剩余密度为正值的均匀球体，铅直圆柱体，水平截面接近正多边形的铅直棱柱体等。

可能反映的地质因素：囊状、巢状、透镜体状的致密金属矿体，如铬铁矿、铁矿、铜矿等；中基性岩浆(密度较高)的侵入体，形成岩株状，穿插在较低密度的岩体或地层中；高密度岩层形成

的穹窿、短轴背斜等；松散沉积物下面的基岩(密度较高)局部隆起；低密度岩层形成的向斜或凹陷内充填了高密度的岩体，如砾石等。

2）等轴状重力低

基本特征：重力异常等值线圈闭成圆形或近于圆形，异常值中心低，四周高，有极值点。

相对应的规则几何形体：剩余密度为负的均匀球体，铅直圆柱体，水平截面接近正多边形的铅直棱柱体等。

可能反映的地质因素：盐丘构造或盐盆地中盐层加厚的地段；酸性岩浆(密度较低)侵人体，侵入在密度较高的地层中；高密度岩层形成的短轴向斜；古老岩系地层中存在巨大的溶洞；新生界松散沉积物的局部加厚地段。

3）条带状重力高(重力高带)

基本特征：重力异常等值线延伸很大或闭合成条带状，等值线的值中心高，两侧低，存在极大值线。

相对应的规则几何形体：剩余密度为正的水平圆柱体、棱柱体和脉状体等。

可能反映的地质因素：高密度岩性带或金属矿带；中基性侵入岩形成的岩墙或岩脉穿插在较低密度的岩石或地层中；高密度岩层形成的长轴背斜、长垣、地下的古潜山带、地垒等；地下的古河道为高密度的砾石所充填等。

4）条带状重力低(重力低带)

基本特征：重力异常等值线延伸很大，或闭合成条带状，等值线的值中心低，两侧高，存在极小值线。

相对应的规则几何形体：剩余密度为负的水平圆柱体，棱柱体和脉状体等。

可能反映的地质因素：低密度的岩性带，或非金属矿带；酸性侵入体形成的岩墙或岩脉穿插在较高密度的岩石或地层中；高

密度岩层形成的长轴向斜、地堑等；充填新生界松散沉积物的地下河床。

5）重力梯级带

基本特征：重力异常等值线分布密集，异常值向某个方向单调上升或下降。

相对应的规则几何形体：垂直或倾斜台阶。

可能反映的地质因素：垂直或倾斜断层、断裂带、破碎带；具有不同密度的岩体的陡直接触带；地层的拗曲。