重力场与重力勘探.pdf

高等学校教材 地球物理系列 重力场与重力勘探 曾华霖 编著 北 京 内 容 提 要 本书 叙述 了地球 重力 场的基 本理 论及重 力异常 的概 念;介 绍了 常用的 重力 测量仪 器,陆 地重 力 测量 方 法 ,航空 、卫 星、海 洋、 地下重 力测 量及重 力梯度 测量 ,以及 岩石 密度的 测定 方法;详细论 述了 重 力资 料 的 数据处 理及 解释方 法 包括重 力异 常的分 离及正 、反 演方法 等 ;介 绍了 重 力法 及 重力 资 料在 地 球结 构 及 地质构 造研 究、资 源勘 探及工 程勘 察等方 面的应 用。 本书 可作 为应用 地球 物理相 关专 业 大学 本 科 生 的教 科 书 及 研究 生 的 参 考 书,亦可 供 地 球 物 理 工 作 者 参 考。 图书在版编目 CIP数据 重力场与重力勘探 /曾华霖编著 . 北京 地质出版 社, 2005. 6 ISBN 7-116-04392-6 Ⅰ. 重. . . Ⅱ. 曾. . . Ⅲ. ①地球重力场 高等学校 教材②重力勘探 高等学校 教材 Ⅳ. ①P312. 1 ②P631. 1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2005第 055054 号 责 任编辑 陈 军中 曹美 芳 责 任校对 田 建茹 郭小 丽 出 版发行 地 质出版 社 社 址邮编 北 京海淀 区学 院路 31 号,100083 电 话 010 82324508 邮 购部 网 址 http / /www. gph. com. cn 电 子邮箱 zbs gph. com. cn 传 真 010 82310759 印 刷 北 京智力 达印 刷有限 公司 开 本 787 mm 1092 mm 1 /16 印 张 19 字 数 415 千字 印 数 12000 册 版 次 2005 年 6 月北 京第一 版第 一次 印刷 定 价 22. 00 元 ISBN 7-116 -04392-6 /P2561 凡购买地质出版社的图书, 如有缺页、倒页、脱页者, 本社出版处负责调换 中 国 地 质 大 学 北 京 “ 地球物理系列教材编委会” 主 任 刘光鼎 成 员 程业勋 管志宁 李金铭 许 云 曾华霖 尉中良 乌达巴拉 魏文博 序 地球是一个庞大而复杂的系统。人类在这颗星球上世世代代生息繁衍, 并在生产和科学实践中不断地研究和深化对地球的认识。随着人类文明的进 步,有数学、物理、化学和地质学等基础学科的诞生;在物理学的领域中, 又有取得系统规律性认识的力学、光学、热学、电学、磁学和原子物理学等 分支学科。地球物理是应用物理学的理论、方法与技术来研究地球、认识地 球,从而相应地又有重力、地磁、地电、地震、地热和放射性等分支学科 产生。 地球物理探索地球的各种物理现象本身的规律性,如研究重力场、地磁 场、地电场、地震波场等;并利用这些规律性取得对地球的认识,如具有全 球分布的地壳、地幔和地核的分层性等等。另一方面,地球物理方法还可激 发出多种不同尺度的人工场,如人工电场、电磁场、地震波场等,并利用其 探索地球。这样,地球物理可以应用多种物理手段主动灵活地进行目的明确 的地球研究,解决经济建设中出现的问题,如矿产资源的探查和开发、环境 的监测和保护,以及各种自然灾害的监测与防治等。因此,从某种意义来讲, 地球物理有地球物理场作为理论基础,同时又是研究认识地球的高科技。 中国的国民经济建设规模宏伟,对地球物理的需求十分迫切。近年来, 中国的油气资源供需矛盾突出,已经引起了广泛注意。远景资源量中还有 78 的石油和 93 的天然气有待发现,显然亟待增加风险勘探,争取有更多 的发现。但是,地质条件的复杂性使勘探具有高难度,致使许多业内人士无 限感慨地说油气资源 “成也物探,败也物探” 。其实问题何止于油气勘探 煤炭的勘查,恶性事故频发的大小煤矿,如老窖水、瓦斯气、采空区、陷落 柱、小断层等一系列的与地质有关的问题,都有待于地球物理去解决;经济 建设迫切需要的金属矿如金、铜、铅、锌及各种有色金属矿,实际都处于一 种“等米下锅”的状态; 如何应用地球物理方法攻深找盲,寻找大矿、富矿, 则是当前找矿中的关键问题。为了解决中国北方缺水问题,一直在论证并推 行东、中、西三条南水北调的路线,解决这些工程问题必然要用到地球物理; 1 与此同时,还应使用地球物理方法探查地下水资源,以合理利用江河、湖泊 的地面水和地下水资源。此外,长江、黄河的高边坡、堤坝、水库大坝的管 涌,以及铁路、公路、桥梁、码头、机场的基础与桩基都需要地球物理工作 来提供数据资料以解决问题。总之,在资源、环境的各种领域中,有广泛、 大量的地球物理课题,深化地球物理工作,探索其规律,这是时代的要求, 必将极有益于我国的国民经济建设。 既然国家经济建设和社会发展对地球物理工作有着广泛的需求 姑且不 论地球物理在军事与国家安全上的作用 ,那么,振兴、开展地球物理工作就 具有重要的意义。 北京地质学院于 1952 年建校时,就有地球物理探矿系和地球物理教研室。 在傅承义教授主持工作期间,他首先集中精力抓教材建设,领导并参与研讨 教学大纲的编制,指定谭承泽编写磁力勘探,萧敬涌编写重力勘探,陈癸尊 编写电法勘探,刘光鼎编写地震勘探,并亲自审阅、修改,为以后的发展奠 定了基础。随后,在补充了大量前苏联的地球物理资料之后,形成了培育新 中国第一批地球物理工程师的基本教材。中国地质大学 北京在原北京地 质学院的基础上发展起来,继承过去的优良传统,并在不断实践中积累了丰 富的资料和宝贵经验,理应与时俱进,在新的高度上编写出新的教材。特别 是当前地球物理学科发展迅速,而又十分缺乏教学参考书的情况下,编写出 高水平的新教材就显得尤其重要。 为此,我向吴淦国校长建议,由中国地质大学 北京地球物理与信息 技术学院负责编写一套“地球物理系列教材” 。此事经学校有关领导同志商 定,正式列入学校“地学专业基础课和专业课教材专项建设规划” 。同时,这 套教材的编写和出版还得到“地下信息探测技术与仪器” 教育部重点实验室 和“地球探测与信息技术”北京市重点学科的大力支持。 经过一段时间的酝酿,中国地质大学 北京地球物理与信息技术学院 于 2002 年 12 月 26 日成立了“地球物理系列教材编委会” 。会议上宣布接受邀 请参加编写教材的作者为 之后有所调整 1 重力场与重力勘探曾华霖 2 地磁场与磁力勘探管志宁 3 地电场与电法勘探李金铭 4 地震波场与地震勘探姚姚 2 5 核辐射场与放射性勘查程业勋、王南萍、侯胜利 6 地球物理测井尉中良、邹长春 7 地球物理场与地球物理勘探刘光鼎、张贵宾等 各位作者提交了教材大纲,进行交流;会议还深入讨论了地球物理教材 的内容、结构与编写的指导思想;要求于 2004 年内提交全部教材的送审稿。 2003 年 12 月 18 日再次召开地球物理系列教材编委会,编委们认真讨论 了曾华霖教授提交的重力场与重力勘探送审稿,进一步贯彻编写指导思 想。2004 年 2 月 24 日第三次编委会上,经过讨论强调了教材的科学性与系统 性; 同时传达了吴淦国校长关于教材应当是精品的主张。此次会议还形成以 下共识 地球物理系列教材是专著性的,可以作为地球物理相关专业大学本 科生的教科书,研究生的参考书,亦可供地球物理工作者参考;教师可以从 教材中选择适当的内容向学生讲授,而教材的篇幅不受学时的限制。此外, 还讨论了教材的审查方法与出版事宜。2004 年 12 月 20 日召开第四次编委会, 确定了教材送审、评审和出版的日程安排。 现地球物理系列教材已基本按期完成,经过审阅、修改,近日即将提交 地质出版社公开出版,很快就会与广大读者见面。我们真诚地希望读者们按 照吴淦国校长提出的“特色 精品”的要求来审查这套地球物理系列教材, 多多提出宝贵意见,以便进一步提高质量,使它在培养新一代地球物理学家 的过程中能有所贡献,在全面建设小康社会中为振兴地球物理事业起到积极 的推动作用。 在地球物理系列教材编写过程中,魏文博教授做了大量组织工作,特此 致谢。 中国科学院院士 中国地球物理学会荣誉理事长 中国地质大学 北京地球物理与信息技术学院院长 2004 年 12 月 29 日 3 前 言 地球物理学是应用物理学的理论、方法与技术认识研究地球并服务于人类社会的一门 科学。重力学 重力勘探是地球物理学 地球物理勘探的一个分支。重力勘探法的 物理基础是牛顿万有引力定律。重力勘探根据观测的地球重力的变化研究地球的构造,勘 探与开发矿产资源,进行灾害的预测与防治,以及解决一些力所能及的地质问题,从而为 国民经济建设服务。 重力勘探原理 地球表面的任何物体都受到地球重力的作用,即受到地球的引力和地球自转引起的惯 性离心力的合力的作用。地球表面的重力随地点而变化。重力的变化与地下物质密度分布 不均匀有关; 而物质密度的分布又与地质构造及矿产分布有密切的联系。因此,研究地下 物质密度分布不均匀引起的重力变化 称为重力异常 ,可以了解和推断地球的结构、地 壳的构造,以及勘探矿产资源,等等。这些都是重力勘探所涉及的课题。 要得到与地下物质密度分布不均匀有关的重力变化并非易事。首先,这种变化与重力 的全值相比,是非常微小的。例如,一个局部地质构造或矿床引起的重力变化不到整个地 球引起的重力全值 大约 10 7 重力单位的 1 /10 7 大约 。所以,要观测到这个微小的 变化,首先必须采用灵敏度高、精度高、稳定性好、适合野外复杂条件、便于携带的专门 的重力测量仪器。其次,由重力仪器测量的值不一定全部是重力值,它包含了大量的外界 影响,例如,温度、气压及轻微的震动引起的仪器读数变化都会比重力的变化大许多倍, 这些影响必须消除。再者,根据仪器读数计算的重力值,不完全是由地下地质体引起的, 它包含了地形起伏、测点的高程变化、地球并非球体以及地球自转引起的重力变化。只有 去掉这些影响,才能得到由地下物质密度分布不均匀引起的重力异常。 至此,重力勘探的工作还没有完成。一个测点的重力异常是由地下地质体或所有的密 度分布不均匀引起的叠加异常,要得到地下某个地质体,例如一个可能的矿床,潜在的储 油气构造等的位置、产状、大小等信息,必须从叠加异常中分离出单纯由这些勘探目标引 起的异常。根据分离出的勘探目标引起的异常,求出或反演引起这个异常的地质体。重力 异常的分离和反演是重力资料数据处理及解释的主要任务,也是重力勘探工作最困难的问 题 。 重力解释存在固有的多解性,根据观测重力异常推断 不是确定 的勘探目标的数 据可靠性会受到影响。在有利的条件下,重力解释结果可靠。一般,应当参考其他地球物 理资料及地质钻探资料进行综合地质解释。 重力勘探法不能脱离所依据的理论基础,即重力这种物理场及其与场源之间的关系。 重力勘探就是根据观测的地球重力场的变化来推断场源的情况。只有在理论上首先了解场 与场源的关系,才能使重力勘探得以实施。 以上是本课程,也是本教材的主要内容。 4 重力勘探简史 重力勘探的前身是研究地球形状的重力测量学。 人类对于重力现象的认识过程经过了两次飞跃。古希腊的伟大学者亚里士多德 Ar- istotel,公元前 384 ～ 公元前 322 年曾提出 运动体的下落时间与其重量成比例。他的 这个看法直到 16 世纪才被意大利物理学家伽利略 G. Galileo,1564 ～ 1642所否定。大 约在 1589 年,伽利略利用轻的和重的物体从比萨 Pisa斜塔的降落来确定重量对于一 个物体降落速度的影响。他从大量的实验中总结出 物体坠落的路径与它经历的时间的平 方成正比,而与物体自身的重量无关。同时,他第一个测得重力加速度大约为980 cm/s 2 。 这是人类第一次对重力现象有了科学的认识。 随后,荷兰物理学家惠更斯 C. Huygens,1629 ～ 1695确定了数学摆的摆动周期 T 与摆长 l 及重力加速度 g 之间的关系为 T 2π l g 并据此在 1655 年制造了钟。 1672 年,法国天文学家里歇 J. Richer, 1630 ～ 1690利用摆钟从巴黎到南美进行天 文观测时发现 重力 加速度 在世 界各地 并非 恒值。这一 消息被 牛顿 I. Newton,1642 ～ 1727和惠更斯得知后,两人不谋而合地指出 这种现象与他们认为地球是旋转的扁球 体的推论相符。这在理论上阐明了地球重力场变化的基本规律,使人类对重力现象实质的 认识上升到一个新的高度,同时也为至今用重力测量研究地球形状奠定了基础。 开普勒 J. Kepler提出了行星运动定律,他的研究为牛顿能够发现万有引力定律打 下了基础。牛顿在 1685 ～ 1687 年提出了万有引力定律,这一定律是重力测量及重力勘探 最重要的基本定律。 1735 ～ 1745 年,法国科学院在 Lapland 和 Peru 的考察,使布格 P. Bouguer 能够建 立了许多基本的引力关系,包括重力随高度和纬度的变化规律,并计算出水平引力及地球 的密度等。 1817 年,卡特 C. H. Kater 在重力测量中引进了可以交换振动和悬挂中心的复摆, 这个装置作为重力调查的主要工具延续使用了一个世纪。 重力勘探大约起始于 20 世纪初。匈牙 利物理学 家厄缶 Baron Roland von E tv s, 1848 ～ 1919 年 在 1890 年制造出了第一台测量重力变化率的扭秤。1901 年,他使用扭秤 在 Balaton 湖进行了第一次重力测量,后来用它在捷克、德国、埃及和美国的石油勘探中 寻找盐丘等储油构造获得了成功。1922 年厄缶扭秤由 Shell 和 Amerada 公司进口到美国。 1922 年 12 月,横过 Spindletop 油田的试验性测量,清楚地表明这个构造能够被扭秤发现, 从而开创了石油地球物理勘探的历史。1924 年末,在美国得克萨斯 Texas州 Brazoria 县,用 Nash 盐丘的一口试验井,验证了重力解释,根据这一结果在世界上首次用地球物 理方法发现了石油。 1923 年, 韦宁曼涅兹 F. A. Vening Meinesz 在荷兰的潜水艇上用摆仪测量重力, 发 现了重力在不同海洋地区的变化, 特别是发现了在印度尼西亚海沟附近的巨大重力效应。 20 世纪上半叶的重力测量及重力勘探中, 扭秤得到了广泛的应用。1929 年, 出现了轻 便的摆仪。 5 由于重力异常的量值仅占重力全值的大约 1 /10 7 ～ 1 /10 8, 测量起来十分困难,因而轻 便而实用的直接测量重力值的重力仪,到 20 世纪 40 年代才制造出来。1932 年出现了稳 定型重力仪; 同时也出现了高灵敏度的不稳定型重力仪,但在 1937 年才公开发表。到 1940 年,重力仪的稳定性已经非常好,而且使用方便,得到了广泛的应用,以致扭秤和 轻便摆仪不再在重力勘探中使用。1934 年,拉科斯特 LaCoste提出了零长弹簧的原理, 在 1939 年制造出第一台可以工作的 LaCoste 重力仪。至今 ,LaCosteRomberg 重力仪已经 成为世界上使用得最广泛的重力仪。重力仪的精度已经得到很大的提高。在 20 世纪 50 年 代, 重力仪的精度只达到毫伽 10 - 5 ms - 2 级,一般为零点几个毫伽 10 - 5 ms - 2 ; 而在70 年代,已达到微伽 10 - 8 ms - 2 级。例如,LaCosteRomberg 重力仪的精度已 经达到几个微伽 10 - 8 ms - 2 ,即千分之几个毫伽 10 - 5 ms - 2 。现在正在研制和使 用的重力仪已经超过了 61 种 见附录 2、3 。除陆地外,重力仪或重力仪器已经在海洋、 航空、井中,甚至在卫星中开始得到应用。随着现代科技水平、材料科学、测试技术的发 展,精度更高的重力仪必将问世。 由于重力的高次导数具有比重力更高的分辨率,因而对小型地质体具有特殊的探测功 能。虽然测量它的扭秤不再使用,但是在重力资料解释中,重力高次导数一直没有停止应 用。重力高次导数或是由重力值换算,或是用重力仪测量三角架上两个高度处的重力值进 行估计。在正在研制的 24 种重力仪器中,重力梯度仪有 18 种,占 75 。随着实用的轻 便梯度仪的问世,重力梯度测量必有复兴之日。 随着数字计算机的迅速发展及广泛应用, 重力资料数据处理及解释的水平已经得到了很 大的提高。 重力勘探在我国的发展 1949 年前,我国的重力测量几近空白 。1938 年,方俊在上海同济大学首次讲授了 重力测量学 课程。1940 年,翁文波在重庆中央大学首次讲授了 地球物理勘探课 程。1945 年由翁文波领导的第一个物理探矿队就是一支重力队; 这个重力队在玉门油田 进行了试验性测量。1949 年新中国成立后,随着国民经济的迅速发展,重力勘探与其他 物探工作一起, 几乎是从无到有地得到极大的发展。重力勘探在我国国民经济中的应用经历 了一个从局部 地区、部门 发展到全局 全国、各个领域 的过程,经历了一个从局部地 区的找矿发展到大区域的矿产勘探,研究地球构造,以及解决某些工程地质问题的过程。 重力勘探作为地球物理勘探中的一种快速、轻便而有效的方法,在我国广阔的国土上 已用于圈定油气远景区和含油气盆地; 覆盖区的石油地质和其他的地球物理方法都是在一 幅重力图的基础上开始进行的,重力法在石油普查中起到了先锋作用; 迄今为止我国发现 的所有油气田几乎都离不开重力勘探的基础工作。近些年来,随着重力仪精度的提高以及 重力解释方法的发展,重力勘探已经在局部储油构造的研究中发挥作用; 而且在油气藏探 测上有应用前景。除了石油勘探外,在 20 世纪 60 年代的铬铁矿普查,以及 20 世纪 70 年 代的富铁矿普查中,重力勘探都是一种主要的方法。随着重力测量在全国的普遍开展,大 区域和全国重力图的不断问世,特别是 20 世纪 80 年代以来,由原地矿部统一组织的在全 国范围内的区域重力调查工作,除少数高山边远地区外,重力测量已覆盖了全国的大部分 国土。20 世纪 80 年代以来,重力勘探还配合了地壳地震测深的地学大断面工作;重力法 还在工程、地震预报等方面得到了应用。以上这些情况标志着重力勘探已经不只是具有 6 “找矿” 的含义,已经扩大到研究地球的结构及地壳的构造,已经从一个区域的找矿勘探 发展到大范围,甚至全国性的地质研究。重力法在地震预报上的应用,以及可能将会在油 田开发阶段开展的重力监测,使重力法从三维的空间域拓宽到包括时间在内的四维“空 间” 。重力法的应用前景是十分乐观的。 重力勘探从应用领域来看,除地面重力测量外,还有海洋重力、航空重力、地下重力 井中及坑道和卫星重力测量。目前,我国已经能够开展这几个领域的重力测量。 重力勘探的应用 重力勘探所观测、研究的是天然的地球重力场,引起重力场变化的因素包括从地表附 近直至地球深处的物质密度分布的不均匀; 又因为野外测量中使用的重力仪轻便,观测简 单,采集数据方便,所以重力勘探相对来说具有经济、勘探深度大以及快速获得面积上信 息的几个优点,因而获得了比较广泛的应用。 现在,重力勘探能够解决下列几个方面的地质问题。 1研究地球深部构造。例如,地壳厚度的变化 莫霍面的起伏 ,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,以及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。 5寻找石油、天然气或煤等有远景的盆地; 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,条件有利时可以研究非构造油气藏 如岩性变化、地层的推覆及生物礁块储油等 ,并直接探测与储油气层有关的低密度体。 6与其他物探方法配合,圈定金属及非金属矿产成矿带;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。 7在水文及工程地质方面,可以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,如寻找利于储水的地下溶洞、破碎带、地下 河道等; 危岩、滑坡体的监测; 地面沉降研究; 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。 8在天然地震方面,通过观测重力随时间的变化,为地震预测研究提供依据。 应用重力勘探的必要条件是勘探目标与围岩之间必须具有能够引起可观测异常的密度 差。有利条件是这个密度差要比较大,围岩本身的密度没有明显的变化; 勘探目标的埋藏 深度要比较浅; 重力测区内非研究对象引起的重力变化小; 地表地形比较平坦等。由于重 力法依据的是物质之间的密度差异,所以重力观测值中包含了其他地球物理观测值不能比 拟的丰富的信息,但是伴随这个优点的是重力资料解释中的重大困难,即不易分离出由不 同地质体引起的异常。 然而,重力测量仪器精度及稳定性的提高以及新的先进仪器的出现,观测手段的改 进,数据处理及解释水平的提高,重力勘探法必将开辟出新的应用领域。 7 关于本教材的介绍 1. 书名 在沿用多年的教材名称“重力勘探”之前加上“重力场” ,是为了强调重力勘探所依 据的物理基础 重力场的理论,在这个标题下扩充的关于重力场的论述,对于更深入地 理解重力勘探,以及重力资料的解释必然是有益的。以“重力场与重力勘探”命名,也 表明作为地球物理学分支的重力学或重力勘探,是一门系统而完整的科学和技术,绝不是 单纯为达到某种地质目标的工具。 2. 结构 采用了篇章结构,即把有关章归纳为篇。在本书中,把重力场这个重力勘探的理论基 础及重力异常这个实用基础作为重力勘探的基础篇; 有关如何得到重力异常的章,包括重 力仪器、重力测量方法、资料整理及密度测量等,列为操作篇; 而重力资料的解释及应用 作为应用篇。这种“基础操作 方法应用”的结构,便于读者学习和应用。 3. 在原有重力勘探教材基础上的修改 本教材是在罗孝宽教授主编,郭樟民、石宝林教授参加编写的应用地球物理教程 重力 磁法 地质出版社, 1991 教材基础上修改而成的。原教材是我校物探教研 室重力组近四十多年来教学工作的结晶,也是与兄弟院校重力同事们通过原地质矿产部物 探课程指导委员会重力勘探教学指导组进行的多年合作的成果。本书尽可能保留了原书的 一些内容。 修改根据的材料主要包括 ①薛琴舫教授的 场论 。②美、英等西方国家,印度、 捷克等国的地球物理和重力教科书或专著 英文 ,俄罗斯的重力、场论教科书及重力专 著 俄文 。国外友人提供了英文书的目录,笔者在此基础上进行了查阅及补充; 复印了 书中关于重力的内容,笔译了有关部分,然后从中精选,再写入本书。③国内外发表的重 力文献,也包含笔者及其合作者的成果。 具体修改内容如下。 1. 主要补充 增加了“重力场”一节,其中大部分内容及附图引自薛琴舫教授的场论 。 从波特 Bott M H P 教授地球的内部 一书中摘译了关于地球的结构、地球的形 状、地壳均衡的系统论述等。 根据内特尔顿 L. L. Nettleton 教授的石油勘探中的重力法和磁法 ,补充了零长 弹簧、频率域滤波及滨海区重力校正等。 从 Grant F S 和 West G F 教授应用地球物理学解释理论一书中摘译了关于解析延 拓、反演等论述。 还对下列部分进行了不同程度的补充 航空重力测量,地下及井中重力测量,卫星重 力测量,重力梯度测量,重力反演,频率域滤波,重力资料在地壳结构研究、石油及金属 矿勘探等方面的应用。 此外,增加了英文目录,供读者阅读参考。 2. 主要改写 除了在结构上,将有关各章归纳为篇外,把正问题及反问题分别列章,这样便于叙 述。 8 对重力场的定义做了重要澄清。重力场的定义是一个基本概念问题。原有的重力教科 书、专著以及权威的英文词典把重力场定义为“在地球内部及其附近存在重力作用的空 间” ,即力所在的空间。然而,笔者见到的中国、俄罗斯、美国的物理学家、地球物理学 家的场论教科书,所有西方国家、印度、捷克等地球物理学家的地球物理教科书 或专著, 对场或重力场的定义为 空间存在的重力作用或单位质量在空间所受到的力或重力,即空 间中的力。本书对此有详细介绍。 把重力场定义为力所在的空间,是一种误导,混淆了“场”与“场域” 的概念,而 且与地球物理学家在实际应用中对重力场的理解完全不同 Zeng and Wan,2004; 曾华 霖、万天丰, 2004 。 3. 将国外教材有关内容补充到本教材 查阅并收集了国外十几种英、俄文地球物理教科书或重力专著中关于重力的论述,摘 译了相当多的内容,补充到本教材中; 同时通过比较,订正了一些提法;对于存在的差 别,也进行了说明。 4. 参考文献和有关材料说明 为了表示对原作者的尊重,也为了使学生们能够进一步阅读资料,本书严格正文与参 考文献的对应关系,即凡是在正文中引用的成果,其出处在参考文献中都已列出; 而在参 考文献中列举的文献,作者都已阅读,在正文中有所引用。在参考文献中,按照中、英、 俄文分类排列。对于中文参考文献,其标题附有英文译文; 对于英、俄文参考文献,其标 题附有中文题目,这一点主要是为学生考虑。 对于非应用地球物理教程 重力 磁法 、 场论 及笔者及其合作者等参考文 献的附图,在引用时指出了原作者。然而,对于有些附图,暂时还不能落实原作者,只能 在图的下部注以“ 佚名 ”字样。 在内容的选择上,尽量突出基础理论与基本方法。 本书可作为应用地球物理相关专业大学生的教科书及研究生的教学参考书。对于研究 生,除本书外,还可以进一步阅读列举的参考文献。对于本科生,建议根据教学大纲选择 必要的讲授或学习内容。 常用重力仪结构的认识和具体操作,野外重力测量,重力测量数据的整理和重力异常 的计算,以及重力异常的解释方法等,是本科生必须掌握的基本技能。除课堂教学外,实 验课、野外实习是学习这些技能的重要教学环节。与本教材配套的重力勘探实验、实 习指导书 将详细叙述这些方法。 作为一本教科书,要顺应本学科发展的潮流,介绍最新的研究成果,应当不断修改、 补充,并淘汰过时的内容。作者盼望从事重力教学的同事们关注国内外的发展动态,着手 积累资料,以备新书的撰写。 致谢 刘光鼎院士为本书起了书名。刘先生作为地球物理系列教材的策划者及写作的组织 者,对系列教材及本书的结构、内容及编写,提出了指导性的意见; 特别是对本书的初稿 进行了非常仔细的审阅及修改,提高了本书的水平。 已故物理学家、我校原地球物理探矿系主任薛琴舫教授,在 20 世纪 50 年代首次在物 探系讲授场论课,后于 1965 年及 1978 年两次出版了场论教科书。书中关于场及重力 9 场的论述为本书奠定了理论基础。特别是, 1965 年及 1978 年两次对重力场下的定义,独 树一帜,并在笔者及万天丰教授关于重力场定义的研究中,起了重要作用。薛先生严谨的 写作风格也使笔者受益匪浅。 蒋玉立教授审阅了地球重力场一章,对场、引力场及重力场的概念提出了宝贵的建 议。 历次重力勘探教科书及其编著者,各地质院校从事重力勘探教学的同事们,特别是与 笔者共事多年的我校石油物探教研室重力组的同事们,为本书的写作创造了重要条件。 在本教材中,引用了国内外地球物理教科书、专著及论文中大量的内容及图件。 英国的 Bott M H P 教授和原在郑州大学任教的韦翠秀 Tracey West 博士提供了英文 地球物理教科书的目录。 罗孝宽、石宝林教授热情地回答了本书编写中的一些问题。 以陈颙院士为组长的评审专家组,包括刘光鼎、姚振兴、朱日祥、石耀霖院士,臧绍 先、杨文采、孟小红、于晟、张汉凯、陈晓非、王尚旭、陈小宏、彭书萍、郝天珧、刘 洪、赵国泽、蔡柏林、魏文博教授,对本书提出了重要而中肯的意见。 上述这些帮助是笔者得以完成本书且其质量得到保证的重要因素,笔者在此表示衷心 的感谢。 曾华霖 2005 年 3 月 作者 通讯 处100083 北 京学院 路 29 号 中国地 质大学 北 京 电子 信箱 hualzengcugb. edu. cn 01 目 录 序 前 言 第一篇 重力勘探基础 第一章 地球重力场 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 重力和重力加速度 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、重力 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、重力加速度 2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、重力的数学表达式 2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 重力场 4⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、物理场、引力场、重力场的概念 4⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、引力场 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、引力位和重力位 11⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 地球的形状 23⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习 题 25⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二章 重力异常 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 重力的变化 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 正常重力公式 26⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 重力异常的意义 27⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、重力异常概念 27⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、重力异常与剩余质量引力的关系 28⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、计算重力异常的基本公式 29⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 自由空气重力异常及布格重力异常 30⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习 题 31⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二篇 重力仪器及测量方法 第三章 重力测量仪器 32⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 绝对重力测量仪器 32⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、自由下落法绝对重力仪 32⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、上抛法绝对重力仪 34⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、国产绝对重力仪 34⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 相对重力测量仪器 35⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、总论 35⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 二、地面重力测量仪器 38⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、海洋、航空及井中重力仪 46⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习 题 52⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四章 重力测量 53⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 重力测量的地质任务与技术设计 53⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、重力测量的地质任务 53⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、重力测量的技术设计 54⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 仪器的检查与标定 56⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、重力仪的静态试验 56⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、重力仪的动态试验 57⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、重力仪的一致性试验 57⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、重力仪格值的标定 57⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 基点网的布置与观测 58⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、基点网的作用 58⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、基点网的布置 58⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、基点网上的观测方法 59⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、基点联测 59⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 普通点、检查点的布置与观测 59⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、普通点的布置与观测 59⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、检查点的布置与观测 60⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、补充观测 60⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、高精度重磁测量 60⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 测地工作 60⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 海洋重力测量 61⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、概述 61⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、海洋重力测量受到的干扰 61⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、海洋重力观测值的校正 62⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七节 航空重力测量 63⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、航空重力测量的优越性及应用 63⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、美国航空重力测量 63⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、航空重力测量的校正问题 65⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、我国的航空重力测量 66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八节 地下重力测量 66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、概述 66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、井中重力测量 67⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、井中重力测量的应用 68⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第九节 重力梯度测量 68⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、重力梯度测量的优越性 68⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、扭秤在早期石油勘探中的作用 69⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 21 三、重