勘查地球物理概论重力勘探重力勘探是利用地壳内部各种岩（矿）石间因密度差异而引起的重力场变化来查明地质构造和寻找有用矿产的一种地球物理勘探方法。

重力场地球上任何物体都要受到重力作用，物体的重量和自由落体运动都是重力作用的表现。

地面上一切物体都要受到两种力的作用，其一是地球的全部质量对物体的引力，其二是物体在自转的地球上受到的惯性离心力C，重力P就是它们的矢量和(图2-1-1)。

地球对物体的引力遵从万有引力定律。

按照这个定律，质量分别为m1和m2的两个质点间的引力F，与它们质量的乘积成正比，与它们之间的距离r的平方成反比，其模量为：（2-1-1）式中G为万有引力常数，在SI制(国际单位制)中，G=6.67×10-11m3/（kg•ｓ2）(米３／千克•秒2)。

F的方向沿着两质点的连线，单位为N(牛顿)。

地球对某一质点的引力，就是地球内所有质点对该质点引力的合成。

如果知道地球的形状、大小和密度分布，原则上可以通过积分算出这个合力，它的方向近似地指向地心。

(图2-1-1) 重力作用质量为m的质点在自转的地球上要受到惯性离心力C的作用，C的大小与地球自转角速度ω的平方和该质点到自转轴的距离R成正比，其模量为：（2-1-2）C的方向垂直于地球自转轴，并沿着R指向球外。

显然，惯性离心力是由赤道向两极逐渐减小的。

事实上，惯性离心力是相当小的，其最大值也仅为平均重力值的三百分之一，因此重力基本上是由地球的引力确定，其方向大致指向地心。

地球周围具有重力作用的空间称为重力场。

根据牛顿第二定律，作用于质量为m0的质点上的重力P的模值可表示为P=m0g式中g为重力加速度。

显然（2-1-3）上式左端表示单位质量所受的重力，即重力场强度。

由此可见，空间某点的重力场强度，无论在数值或量纲上都等于该点的重力加速度，且二者的方向也一致。

为叙述方便，今后如无特殊说明，我们提到的重力即是指重力加速度或重力场强度。

【重力位】从场力做功的观点出发，重力场的特征还可以用重力位来表示，重力场中某点的重力位W等于单位质量的质点由无穷远移至该点时场力所做的功。

等重力位面称水准面，不同的重力位值可得到一簇水准面。

当重力位为某一定值的水准面与平均海平面重合，这个面称大地水准面。

人们把与平均海洋面顺势延伸到大陆所形成的封闭曲面（即大地水准面）的形状作为地球的基本形状。

其形状相当于一个梨形体面，与椭球面相比，在北极要高出十来米，南极凹进去二十多米，南北两极半球不对称。

重力场中某点的重力位W等于单位质量的质点由无穷远移至该点时场力所做的功。

垂直于重力g的方向上的重力位没有变化，此时重力位W可以表示为一个曲面方程W（x，y，z）=C（常数）。

【单位制】SI制中重力的单位为m/s2，常用10-5m/s2表示。

它的百万分之一称为重力单位(gravity unit)，简写为g.u.，即：在CGS制(厘米•克•秒制)中，重力的单位为Gal(伽)，它的千分之一的为mGal(毫伽)，百万分之一称为μGal(微伽)，即：两种单位的换算关系为：地球的重力场地球的重力场可分为正常重力场、重力随时间的变化及重力异常三部分。

【正常重力场】大地测量和人造卫星轨道测量的成果都表明，地球的形状实际上并不规则，其北极略为突出，南极略平，呈梨状。

为便于计算正常重力值，我们选择一个内部物质呈均匀同心层分布，且与大地水准面偏差最小的旋转椭球体作为地球的形状，这个椭球体称为参考椭球体。

其赤道半径约6378.160km，两极半径约6356.755km。

我国采用计算正常重力值的公式为1909年的赫尔默特公式：（2-1-4）式中φ为地理纬度。

上式表明，地球的正常重力是由赤道向两极逐渐增加的。

赤道处为9780300g.u.，两极处为9832087g.u.，相差51787g.u.。

【重力场随时间的变化】图2-1-3 1976年7月9日—10日北京重力日变曲线重力场随时间的变化包括长期变化和短期变化两类。

长期变化:主要与地壳内部的物质变动，如岩浆活动、构造运动、板块运动等有关。

重力的长期变化是地球物理研究的重要内容。

短期变化:指重力的日变，它与太阳、月亮和地球之间的相互位置有关。

由于地球的自转，地表各点与日、月的相对位置不断发生变化，使得日、月对这些点的引力也不断改变，从而造成了重力的变化。

地球并非刚体，引力的变化除形成海潮外，还引起地球固体部分周期性的变形，这种变形称为“固体潮”。

固体潮可引起大地水准面的位移，从而造成重力的变化。

日变即是这两种重力变化的总效应。

图2-1-3是北京地区的一条日变曲线。

重力日变的幅度约为2至3g.u.，这在高精度重力测量中是不可忽略的。

【重力异常】如图2-1-4所示，设地下有一个体积为V、密度为σ的地质体，围岩密度为σ0，两者的密度差Δσ=σ-σ0称为剩余密度，地质体与同体积围岩间的质量差Δm=Δσ•V称为剩余质量。

当Δσ<0时，Δm<0；Δσ>0时，Δm>0。

图2-1-3属于后一种情况，由于质量盈余，就在地面某点P产生了一个指向地质体质量中心的附加引力(场强度)ΔE，根据(2-1-3)式，该引力的模值为：（2-1-5）式中m0是置于P点处的质点的质量。

该附加引力在正常重力方向(铅垂方向)上的投影，即为重力异常。

重力异常Δg就是剩余质量Δm产生的附加引力位W在该点沿铅垂方向的偏导数值，即：（2-1-6）图2-1-4 重力异常的实质重力勘探工作方法根据地质任务的不同，重力勘探可分为预查、普查、详查和细测四个阶段。

【预查】在重力勘探空白区进行的大面积小比例尺测量，以便在短期内获得有关大地构造轮廓的资料。

【普查】在有进一步工作价值的地区开展的调查，用以了解区域构造特征、圈定岩体范围和指示成矿远景区等。

【详查】在成矿远景区进行的重力测量，通过对异常规律和特点的详细研究，寻找局部构造或岩、矿体。

【细测】在已发现的构造或成矿有利的岩体上进行的精细测量，目的在于确定地层或岩、矿体的产状特征。

不同阶段的地质目标不同，相应的测量技术及精度要求也不同。

测量精度以能反映探测对象引起的最小异常为准则，一般以探测对象引起的最大异常的1/3～1/4为宜。

比例尺及测网应根据工作任务、探测对象的规模及异常特征而定。

测线应垂直(或大致垂直)于探测对象的走向。

表2-3-1列出了重力勘探常用的比例尺及测网布置要求。

比例尺反映的是相邻测线间的距离，至于测点间距离的大小，可在规定的范围内变化。

普查时应至少有两条测线，每条测线至少有两个测点通过异常；详查时应有3～5条测线，每条测线有5～10个测点通过异常；细测的点、线距应能反映异常的细节；预查是沿交通线做的路线测量，要求平面图上每平方厘米有1～2个测点。

表2-3-1 重力勘探工作比例尺、测点间距及测网密度在小面积重力测量中，须设立一个作为测区异常起算点的总基点，还要在测区内设立一些基点，以了解读数零点的位移情况，作为仪器零点位移校正的依据。

一、重力资料的整理野外观测结束以后，应将各测点相对于总基点(或正常重力)的重力差值确定出来。

但这些差值还不能算作重力异常，因为其中包括了干扰因素的影响。

为此，必须对实测数据进行整理，消除干扰，提取有用信息。

地面上任一点的重力值都由四种因素决定，它们是：该点所在纬度、周围地形、固体潮及岩(矿)石的密度变化。

其中固体潮的影响很小，只有在高精度重力测量时才不能忽略。

纬度变化的影响较大，可达500,000g.u.，约为重力平均值g(9,800,000g.u.)的0.5%，地形高差影响次之，可达。

相对于这两种干扰而言，重力异常是十分微弱的。

例如，储油构造的重力异常不超过100g.u.，仅为g的0.001%，金属矿的重力异常更小，不超过10g.u.。

可见要从强干扰中提取如此微弱的异常，高精度地进行各项校正具有十分重要的意义。

消除自然地形引起的重力变化需要进行三项校正，即地形、中间层和高度校正。

消除正常重力对测量结果的影响还须进行正常场校正。

【地形校正】地形起伏往往使得测点周围的物质不能处于同一水准面内，对实测重力异常造成了严重的干扰，因此必须通过地形校正予以消除。

其办法是：除去测点所在水准面(图2-4-1MN)以上的多余物质，并将水准面以下空缺的部分用物质填补起来。

由图2-4-1可见，测点O所在水准面以上的正地形部分，多余物质产生的引力的垂分量是向上的，引起仪器读数减小。

负地形部分相对该水准面缺少一部分物质，空缺物质产生的引力可以认为是负值，其垂直分量也是向上的，使仪器读数减小。

可见地形影响恒为负，故其校正值恒为正。

图2-4-1 地形校正原理实际工作中，地形校正按以下步骤进行：首先，在详细的地形图上，用量板将测点周围的地形划分成许多扇形小块。

然后分别计算这些小块在该点产生的重力值并相加，就获得了该点的重力校正值。

现在已经在计算机上实现了按测网进行的地形校正，从而使校正精度大为提高。

【中间层校正】经地形校正以后，测点周围的地形变成水准面，但测点所在水准面与大地水准面或基准面(总基点所在的水准面)间还存在着一个水平物质层(图2-4-2)，消除这一物质层的影响就是中间层校正。

图2-4-2 中间层校正原理中间层可当作一个厚度为Δh(单位为m)，密度为σ的无限大水平均匀物质面。

由于地壳内物质每增厚1m，重力增加约0.419σg.u.,故中间层校正值δg中为（2－4－1）当测点高于大地水准面或基准面时，Δh取正，反之取负。

我国和世界大多数国家都取中间层密度值为2.67g/cm３。

但实践中发现在某些地区这个值偏大，因此工作中除按全国统一的中间层密度值作异常图外，还可作一些适合本地区实际中间层密度值的异常图，以便使地质解释更趋合理。

经过上述两项校正后，测点与大地水准面或基准面间还存在一高度差Δh(图2-4-3) ，为消除这个高度差对实测值的影响，必须进行高度校正。

【高度校正】将地球当作密度呈均匀同心层分布的旋转椭球体时，地面每升高1m重力减小约3.086g.u.，所以高度校正值δg高为（2-4-2）测点高于大地水准面或基准面时，Δh取正，反之取负。

高度校正和中间层校正都与测点高程Δh有关，因此常把这两项合并起来，统称为布格校正，以δg布表示，则（2-4-3）图2-4-3 高度校正原理应当指出，上述三项校正都是在将地球作为密度均匀体的条件下导出的。

实际上，地表实测重力值总是密度均匀体和造成局部范围密度不均匀的地质体(简称密度不均匀体，如构造，岩、矿体等)的综合影响。

上述校正仅消除了起伏地形上各测点与大地水准面或基准面间密度均匀体对实测重力值的影响，并没有消除密度不均匀体的影响。

因此，对校正后仅由密度不均匀体引起的异常而言，各测点仍在起伏的自然表面上。

【正常场校正】在大面积测量中，各测点的正常场校正值可直接由正常重力公式计算。