重力勘探思考题.doc

2011重力勘探复习资料思考题及作业题这次考试给人的感觉就是自由发挥题体较多，像举例说明重力勘探的前提，综合题（举例说明重力勘探的应用领域10分，重力大作业也考到了20分:分析数据处理过程及步骤与理由，对异常原因进行解释）具体分值是：名词解释10个，共三十分，局部重力高、大地水准面、重力梯级带、剩余质量、密度界面、布格重力异常、零点漂移。剩下的三个，可能是因为太简单了，没记住。问答题五个40分：重力与重力位的关系、三重小循环的观测方式与特点、举例说明重力勘探的前提、异常空间延拓的原理及上、下延拓的作用，如何理解异常区分产生的“虚假异常”？在资料解释中应如何注意。最后综合题两道，30分。第二章很重要，但考得较少，可能因为在固体地球物理中已考了吧。 这次复习中，名词解释和问答题都还差不多，当然每年的题都不一样，希望能对大家有所作用，这份资料中有些地方欠妥，希望大家能辨别，要想考的好成绩，还得平时努力，最后衷心希望每个人都能考的好成绩。1、地球重力全球分布总体特征以及与这些有关的因素。答：两极扁平的球体的引力，在同一个水准面上的两极处数值最大，赤道处最小；而惯性离心力则距旋转轴越远数值越大，显然在地球表面赤道处最大，两极处为零；总体上，地球重力的数值随纬度变化，并且在两极处最大，赤道处最小。影响因素：地球的形状扁椭球体引力随纬度变化，在大地水准面上，两处最大，赤道处最小，两者相差约1800mGal；地球自转惯性离心力随纬度变化，在大地水准面上，两极等于零，赤道最大，最大变化达3400mGal；地球内部物质密度分布不均匀；太阳与月球的引力，最大变化达0.2mGa2、重力等位面及其的性质。（和重力的关系）问答题答：可见，上式为一簇曲面方程，任意一个方程为一个重力等位面，在重力场空间有无数个重力等位面。 1）重力位是一个标量函数，重力位沿任意方向的偏导数就等于重力在该方向的分量或投影； 2）重力等位面是空间曲面，在重力场空间内有无穷多个重力等位面，该空间中任何一点都处于某个重力等位面上； 3）重力场空间内任意一点的重力值等于重力位在沿等位面内法线方向偏导数，重力的方向为该点内法线方向重力位变化梯度最大方向； 4）重力等位面上重力位处处相等，但重力的方向和大小均不一定相等。 任何两个重力等位面互不相交，也不一定平行。3、水准面、大地水准面的物理含义。（名词解释）答：在测绘技术中称重力等位面为水准面同一个水准面上的高度或高程是相等的，而且它与用一根悬吊静止重物时的铅垂线垂直，这个铅垂线实际上代表了重力方向。由于地球表面70%以上为海水覆盖，若海水面是一个平静，大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面，但海水面永远不会平静，一般是将平均的海平面作为大地水准面1.4 如何利用地球重力模型数据研究地球内部问题。 全球重力场模型是卫星大地测量精密定轨的基础，通过地球重力场模型及对地球外部重力场的分析，可为地球物理学和地质学提供地球内部结构和状态的信息。 地球内部深处的物质密度主要根据地震波速度以及岩石物理实验结果和地球内部物理研究推测而来。不同的球谐系数，可以得到不同的地球重力模型。球谐系数及是根据地球的质量、形状、转动惯量以及地球表面及空间重力测量数据等解算来获得的，实际的阶次不可能无限大而是有限数。地球重力模型的最高阶次越高且高阶系数解算精度越高，表明模型空间分别率越高，模型所能反映地球重力变化细节越丰富。2.1 正常地球重力的由来，物理上代表什么。（考了）答：正常重力公式指的是计算地球椭球在其表面上的正常重力值的公式。 地球从总体上说处于流体平衡状态，大地水准面接近于旋转椭球体面。所以假定：一个旋转椭球作为真实地球的理想模型，称为地球椭球。它产生规则的重力场称为正常重力场。 正常重力椭球表面上正常地球重力场的数学表达式其计算公式称为正常重力公式。2.2 研究正常重力的空间变化率有何作用？2.3 各种校正的概念及其物理意义高程为h处的正常重力值为 通常可以将自由空间校正量近似为上式相当与对原椭球面上的正常重力值进行了一项校正，（1）这种校正称为“自由空间”校正，也称为“高度校正”自由空间校正只是将重力测量值中高程变化的部分影响去掉，其物理意义在于：将大地水准面或地球椭球面上的正常重力值换算到测点高程处正常重力值。（2）地形校正（TC）：将测点周围起伏地表与该测点所在水准面所包含的（无论高于或是低于测点的）物质在测点处产生的引力之铅锤分量加到观测重力值中。（3）中间层校正是布格（Pierre Bouguer）首先提出来的，所以又称“布格校正”，中间层校正是以大地水准面或地球椭球面作为基准面，将以各测点高程为厚度的物质层在测点处产生的引力之铅锤分量，该点从重力观测值中减去。（4）均衡矫正：若把地壳视为均衡的，按照均衡理论，根据高程和海水深度变化，将均衡地壳物质密度或厚度按正常地壳进行补偿计算补偿物质产生的引力效应，作为均衡校正，2.4 均衡异常与布格异常的物理上的差异？思考传统的均衡理论存在的问题？岩石圈厚度变化以及横向密度不均匀能在布格异常或均衡异常中反映吗？ 答：将测点上观测的重力值，经过自由空间校正、地形校正、和布格校正，在与正常重力进行比较，得到的重力异常只反映地下物质密度不均匀状态，这种异常称为布格异常。按假说所给出的均衡补偿方法，对均衡范围以内的，均衡状态下地壳密度或厚度所产生的引力效应进行计算，并从地面重力值中减去，即得到均衡异常 均衡异常物理意义：若把地壳视为均衡的，按照均衡理论，根据高程和海水深度变化，将均衡地壳物质密度或厚度按正常地壳进行补偿计算补偿物质产生的引力效应，作为均衡校正，把它从自由空间重力异常中减去，即可以得到均衡异常。2.5各种重力异常的地球物理意义比较实际地球重力值的物理含义：在实际地球所产生引力和惯性离心力，它包含了各种地球内部密度变化产生引力效应。正常重力的物理含义：在假定条件下，理想地球在椭球面上产生的引力和惯性离心力。自由空间重力异常的物理含义：反映地表物质质量和地下物质密度与正常地球密度差异形成的“剩余质量”产生的引力之铅锤方向的投影。布格重力异常的物理含义：单纯反映地下物质密度与正常地球密度差异所形成的 “剩余质量”产生的引力之铅锤方向的投影。均衡异常的物理含义：在地壳厚度或密度满足均衡假设下，反映地壳厚度偏离正常地壳厚度和地下物质密度偏离正常地球密度所形成的 “剩余质量”产生的引力效应之铅锤方向的投影。大区域上，均衡异常可以视为地壳是否达到均衡的标志2.6一度体、二度体、三度体：一度体：几何上仅一个方向有限，表示物体密度仅在一个坐标方向变化，如水平平行层状物体，也称一维模型；二度体：几何上两个方向有限，表示物体密度仅在两个坐标方向变化，如水平无限长（圆或方）柱体，也称二维模型；三度体：几何上三个方向有限，表示物体密度在三个坐标方向都变化，如球体、立方体、长方体，也称三维模型。3.1 重力仪动态、静态试验的目的3.2 操作重力仪时为什么需要保持仪器水平，这与布格异常物理含义以及 dgTC的计算的是否有关系？ 3.3 相对重力仪“零位漂移”和“零点读数”(考了)答 ：（1）零点读数法 当重力发生改变后，平衡系统位移，达到新的平衡，通过外界加力补偿，使其重新回到重力变化以前的位置。通过测算外力，即可得到重力变化。 （2）利用弹性体制成重力仪，弹性体在外力长期作用下，会产生弹性疲劳，即弹性性质会发生改变。当超出了弹性限度，则弹性体发生永久变形。 在重力仪中，这种现象表现为在同一点上的读数有变化（不考虑任何其它因素），这种变化称为零点漂移，简称零漂。 零漂是所有弹性重力仪不可克服的一个弱点。一台重力仪的精度高低，质量好坏主要看它零漂值的大小和是否线性。4.1 重力勘探施工设计的基本内容（1）技术设计的要素 工作比例尺：控制测量点空间分布密度的指标 1:200万1:50万 (预查) 1:25万1:10万 (普查) 1:5万1:2.5万 (详查) 1:50001:1000 (细测或精测) 异常精度: 控制测量质量的指标。一般取最小有效异常幅度的1/3。 测量方式：路线测量、自由网、规则网、剖面测量。 依据：工作任务、测区条件、经费（2）测网布设 一般原则：测线与测区主要构造方向垂直 若测区内有多组不同方向构造或构造方向不明，测线选择南北向。（3）测量精度分配：重力观测误差：与仪器和工作方式有关；高程、坐标测量误差；与资料和测量仪器和工作方式有关地形校正误差：与资料和地形负杂程度有关其它： 4.2 测网布设原则基点、基点网布设 目的：控制重力仪零位漂移和观测误差。 选择交通条件好、相对稳定的、永久性好的地点。4.3 三重小循环观测的特点（考了）4.4 航空、海洋重力测量主要特点，与陆地测量的区别 海洋与航空重力测量是指在海域、空中进行重力测量。海域重力测量有两种形式，一种是海底重力测量，一种是船载重力测量；航空重力测量是指机载重力测量。 (1)动态测量特点 运动过程中测量重力； 运动过程中的载体工具很难提供一个平稳的水平平台； 各种作用力的干扰较大。 (2)各种扰动影响水平加速度的影响。这种影响有常量的和周期性的两种，例如船以加速度航行时，水平加速度是常量的；由于波浪起伏或机器振动而引起船在水平方向上(前、后、左、右)的振动则为周期性的。垂直加速度的影响。它主要是波浪起伏和机器振动而引起船在垂直方向上的振动，它只能是周期性的。 旋转影响。它是由于波浪或其它因素引起的船身绕三个互相正交轴的转动(即前后、左右摇动和绕竖直轴的旋转)，这种影响也有常量的和周期性的。此外，当船的航向改变而沿曲线运动时对仪器还会产生径向加速度的作用。3）艾特维斯效应 由于用来测定重力的仪器随载体相对于地球在运动，作用在仪器上的离心力改变了，因而也改变了重力的大小这种影响称为艾特维斯效应。 这些扰动力的影响通常远远超过重力测量的观测误差，甚至达到几十伽。因此必须采取相应的措施来消除或从重力观测值中加以改正，这就需要一些特殊的仪器和方法。 4.5 经自由空间校正后，起伏地形上的布格异常值是否被移至基准面（大地水准面）上？否4.6 如何对海上观测的重力进行地形校正？ 5.1 决定岩石密度的主要因素各是什么？（1）岩(矿)石的矿物组分及含量；岩石通常由多种矿物组成，由于不同矿物密度存在差异，其所占岩石重量百分比决定了岩石的密度。显然密度大的矿物所占百分比越高，岩石的密度就越大。（2）岩石结构与矿物结晶程度；一般而言，岩石中矿物结晶程度越高，颗粒越大，密度也越大；反之，岩石密度就越小。 （3）岩石中孔隙及其充填物成分及含量（若孔隙内部的存在充填物）； 由于天然岩石内或多或少都存在一定孔隙，孔隙中还有可能充填了物质。如此，岩石内存在孔隙空间的大小孔隙度以及孔隙内部充填的物质成分将会影响岩石的密度。 （4）岩石的埋藏深度及埋藏环境条件。 岩石的埋藏深度及环境主要是指岩石所处的压力和温度环境。一般压力越大岩石（体）密度就越大，温度升高，岩石会因热胀作用而密度变小。5.2 地表岩石密度分布能为勘探地下构造或地质体提供帮助吗？答：能5.35.2.1 岩浆岩密度分布规律及主要因素 特点：原生岩石，结构紧密，岩石孔隙度很低(一般小于1%2%) ；成分及结晶程度变化大。 成岩深度：深成岩浅成岩喷出岩（火山岩） ； 矿物结晶颗粒减小， 密度减小 地球元素丰度（前六）中有：铁、镁、硫、镍组成暗色矿物的主要成分。成分：超基性岩、基性岩、中-酸性岩，暗色矿物含量减少 SiO2含量增加 密度减小影响因素：岩浆岩的成分、结晶颗粒粒度对密度影响大，孔隙度影响小。所以，岩浆岩密度主要取决于矿物成分及结构。 对于同一种侵入的火成岩体，在岩浆侵入后的冷凝过程中，结晶分异作用导致形成不同的岩相带。一般而言，在周围为偏基性，向中心逐渐发育为偏酸性。边缘相的密度要比过渡相和内相的密度大些。 对于同类侵入岩体，不同时期侵入，其矿物成分虽然相同，但因含量有所变化时，则其密度也会有所不同。对于同源岩浆，尽管其化学成分可能一样，但由于成岩环境不同，也可能形成不同的矿物和岩石，其密度亦不同。由此可知，侵入岩与喷出岩之间密度有较大差异。 5.2.2 沉积岩密度分布规律 特点：次生岩石，多呈层状，成分复杂，孔隙多；岩石、矿物颗粒小。 埋藏深度： 深浅 孔隙度增大、密度减小 地层年代： 老新 孔隙度增大、密度减小 孔隙度： 小大 孔隙充填物： 其它、水、油、气 密度减小 密度减小 因素：沉积岩的矿物成对密度影响较小，孔隙度及充填物影响大。5.2.3 变质岩密度分布规律 特点：次生岩石，因各种变质作用而形成，其密度要取决于原岩密度和变质类型及程度。 一般而言，变质程度越高，尤其是变质过程中原岩矿物发生重结晶，变质岩比其原岩密度高。但也有相反的情况，如超基性岩橄榄岩变质成为蛇纹岩后密度变低。 变质程度： 深浅 密度减小 结晶程度： 高低 密度减小 影响因素： 对变质岩来说，其密度与矿物的成分、含量和孔隙度均有密切关系，这主要由变质的性质和变质的程度大小来决定。一般讲区域变质作用的结果，将使变质岩的密度比原岩的要大。动力变质作用由于使原岩结构遭破坏，矿物被压碎，因而经这种变质后的岩石其密度自然要比原岩密度低。但有时动力变质作用若使原岩发生了硅化、碳酸盐化以及重结晶时，则变质后岩石的密度会比原岩要大些。6.1 重力异常正演与反演的概念 所谓正演问题，就是给定地下某种地质体的形状、产状和剩余密度等，通过理论计算求取它在地面上或空间范围内引起的异常大小、特征和变化规律等，即“由源求场”。 所谓反演问题，则是依据已获得的重力异常特征、大小、分布等，并结合地质、钻探及其他地球物理资料，求解重力场源体的空间位置、形状、大小、产状和场源密度等，即“由场求源”。 6.2 为什么要研究球体、水平圆柱体的重力异常？研究这些简单形状物体正问题的目的：一方面实际的简单地质体可以近似视为简单形体；另一方面，复杂地质体可以用简单形体异常的组合来模拟。6.3 如何利用台阶重力异常及其导数异常特征解释地质问题？6.4 复杂形体异常正演计算的思路与主要方法 复杂形体的正演的一般思路是将复杂形状简单化，即可用规则形体或多个规则形体组合近似，然后分别求出每个规则形体的异常再相加常用的复杂形体分割与组合方式： 将三度体用一组平行的水平面切割成若干个水平薄片, 可以先计算出每个薄片在原点O处异常值，然后将所有分割的水平薄片引起的异常加起来，则得到三度体在原点处的异常。6.5 选择法（最优化法）反演的原理根据获得的重力异常（剖面或平面）的分布和变化特征，结合实际地质和其他地球物理和物性等资料，给出引起异常的初始地质体模型，然后进行正演计算，将理论异常与实测异常进行对比，当两者偏差较大时，根据解正问题时所掌握的场与场源的对应关系，对模型进行修改，重算其理论异常，再次进行对比，如此反复进行，直到两者偏差达到精度要求范围为止，最后的理论模型就可作为所求的反演问题的近似解。（1）建立目标函数，确定精度e（2） 设计初始模型b(0)，进行正演计算； （3） 再将正演计算结果与实测结果进行比较，得到异常差值dg(0)，构成反演方程组（4） 采用方程组求解的方法获得模型参数的修改量d(0)，由此得到新一代的模型参数b(1)= b(0)+ d(0) ； （5） 再代入进行正演，重复步骤（3）、（4）得到第二次修改量d(1)结果，获得第二代模型参数b(2)= b(1)+ d(1) ；（6） 如此反复，直到有迭代得到的模型参数计算出的理论异常与实测异常之均方差小于所给定的精度e。最后的模型参数即为所求的反演解。6.6 密度界面的概念及在实际中的含义（考了）6.7 密度界面深度线性反演方法应该在何种条件下应用为宜？当界面起伏不大时，即 6.8 密度成像的的特点是什么？若把地下密度异常体的存在视作其密度变化，用一个密度函数来表示。通过确定密度函数或函数值，达到确定异常体存在及其分布的目的，这就是密度反演或密度成像。密度反演的特点： (1) 模型分割后单元体可视为密度均匀的体元，因此，反演参数（密度）与异常场即成为线性关系； (2) 密度的全空间分布成为反演的解，避免了形体反演中许多困难； (3) 反演算法上可考虑模型与数据联合拟合，以提高反演解的稳定性。6.9 引起重力异常反演多解性的原因6.5.2 位场反演非唯一性的成因 理论上，“零”空间的存在，必然有非唯一性解存在具体包括1）场源的等效性2）观测资料的有限性3） *观测误差的存在 1）充分利用已知资料进行约束 2）补充其它观测资料 3）采用适当的正则化措施 4）求最合理的解而不是最精确的解7.1 重力异常资料处理的主要任务重力异常资料处理主要包括三个方面的内容： 压制误差与干扰异常区分异常转换重力异常资料处理之目的是为突出研究对象的信息（信号）、压制其它方面的影响和干扰。 常用的重力异常资料处理方法有以下类型：圆滑 平均法 趋势分析 空间延拓 导数换算7.2 请思考圆滑处理的必要性，是否异常约圆滑越好？由于多数误差和干扰具有随机性特征，其均值为零，因此，可以通过小范围异常进行平均来消除这种误差和干扰。 平均圆滑能够有效地消除随机误差和干扰，但圆滑后有可能改变异常形态特征，给一些利用异常性态特征进行异常解释的工作带来困难。一般情况下，希望圆滑值不要过于逼近原始值，否则，不能取得圆滑效果。另一方面，为了保证方程组可解，通常要求N 2M，即保持正定或超定。 实际中，位场异常数据的多项式圆滑阶次很少超过3次，即N3。7.3 异常空间延拓的原理及上、下延拓的作用 向上延拓具有“低通滤波”的特性，它的主要作用是使异常变得更为平滑，相对突出深部的、区域性的特征；压制浅部的、局部的特征。 若用几个不同高度上的异常联合，可以分析异常空间特征，以助于认识和解释异常。 向下延拓则是向上延拓的逆过程，具有“高通滤波”的特性，其作用是相对突出浅部的、局部的特征，区分相邻异常；压制深部的、区域性的特征；有益于分解在水平方向叠加的异常。 7.4 归纳分析异常导数转换在分析异常特征及成因方面的作用异常的导数可以突出浅而小的地质体的异常特征，而压制区域性深部地质因素的异常成分，在一定程度上可以分离不同深度和不同大小的异常源引起的叠加异常，且导数的次数越高，这种分辨能力就越强； 7.5 趋势分析与多项式圆滑方法的本质区别是什么？答： 平均圆滑能够有效地消除随机误差和干扰，但圆滑后有可能改变异常形态特征，给一些利用异常性态特征进行异常解释的工作带来困难。多项式圆滑是假设局部区域内有效异常形态能用多项式函数拟合，将偏离这个函数的部分视为误差或干扰。 趋势分析法是用多项式拟合区域性背景场。其原理如下：选用一个曲面函数n阶多项式，用于拟合一个区域内的异常；通过若干点上异常值代入多项式可以得到一个方程组，求解方程组可得到多项式的系数，即得到描述区域异常的多项式函数；由于多项式的阶次一般视情况取14阶，去拟合相对简单的异常背景，有时也用到更高阶函数。 7.6 异常区分产生的“虚假异常”是指的的什么？在资料解释中应如何注意答：滑动平均法遇到最大的问题是分离后的局部异常周边会产生虚假的反向异常。选择r=500m为半径的圆周滑动，得到区域异常；原始异常与区域异常相减得到局部异常，可见有明显的虚假反向异常；区分异常所得到的剩余异常与原始局部异常的比较。 平均场法（网格平均法） 采用一定区域内异常值的平均值代替区域中心处的区域异常值，将各区域中心的区域异常值进行内插，得到所有点上的区域异常值。（1）第一步：计算各区域平均值，并作为区域中心点的区域异常值； （2）第二步：采用双向平面内插方法，计算出各数据点上的区域异常值； （3）第三步：利用内插函数，对区域边缘带上的数据点进行外推插值。7.7常用的异常区分方法 1、平均法：平均场法（网格平均法） 采用一定区域内异常值的平均值代替区域中心处的区域异常值，将各区域中心的区域异常值进行内插，得到所有点上的区域异常值。（1）第一步：计算各区域平均值，并作为区域中心点的区域异常值； （2）第二步：采用双向平面内插方法，计算出各数据点上的区域异常值； （3）第三步：利用内插函数，对区域边缘带上的数据点进行外推插值。 2、趋势分析法 趋势分析法是用多项式拟合区域性背景场。其原理如下： 选用一个曲面函数n阶多项式，用于拟合一个区域内的异常；通过若干点上异常值代入多项式可以得到一个方程组，求解方程组可得到多项式的系数，即得到描述区域异常的多项式函数；由于多项式的阶次一般视情况取14阶，去拟合相对简单的异常背景，有时也用到更高阶函数。 频率域频谱滤波法：傅立叶频率域方法是通过滤波来实现异常区分。比如，区域异常一般比较平缓，具有长波长（低频）特征，而局部异常则多为短波长（高频）成分。因此，通过设计适当的滤波器进行滤波，如高通滤波和低通滤波，可以得到具有长波长特征的“区域”异常或具有短波长特征的局部场，从而实现异常区分。 而这样的滤波相对比较笼统，意义不是很明确。所以有学者根据场源的深度设计了一些异常分离的滤波器。 本节只介绍常用的两种，“维纳”滤波和匹配滤波。 异常转换法 位场异常区分方法又可分为“定量区分”和“定性区分”。所为“定量区分”是指直接获得被分离的场的方法，定性区分则是相对压制或相对突出其中某种成分异常的方法。 1. 请指出下列情况下的剩余密度：(s1 s 2 s 3)2. 说明自由空间重力异常、布格异常和均衡异常物理意义及它们之间的差异。3. 在某平坦的场地进行重力勘探，表层为较松软的沙土，若已知场地下为NW走向的古河道，请问应该怎样布置测线能取得最好的异常信息？假设异常起算点（基点）设在场地边缘古河床出露的地方，试想布格重力异常的特征，并画一剖面图示意。 4. 假设有穿过一个山脊剖面上的布格异常的数据，画图后发现布格异常与地形呈正相关，试分析可能的原因；若在山脊上发现了黄铜矿矿化，又将如何看待这个现象，并考虑辨别这个现象需要做哪些工作。5. 假设一个处于石灰岩地区的小型水库，在几天内水库的水突然减少了20%，有人推测这些水渗入了地下溶洞。通过重力测量发现附近存在与之相关的重力异常，通过分析，认为异常体形体很可能为等轴状。试问若用钻孔验证，至少要设计多深的钻孔才能探到溶洞？请给出估算的依据和必要的说明。 6. 重力测量通常是油气勘探的前期工作。若通过对某地区重力异常分析，认为地下存在一个隆起构造，有专家指出这个地区隆起构造的幅度与油气成藏及储量有密切的关系。为保证续勘探工作的投入，请根据重力异常估算该构造幅度至少有多大，并说明理由。附 关键的图：1、在野外有地形起伏的地区布置一条重力剖面并进行观测，用不同密度s 进行布格校正(0.3086-0.0419s) ，便得到不同的重力剖面曲线。从中找出一条地形对重力值影响最小的剖面。选择地形特征时，最好选择山脊地形而不选山谷，因为后者在底部可能有非典型的泛滥的平原沉积物；地形特征两边应当具有大致相同的高程。2、均匀球体3、无限长均匀水平圆柱体4、垂直台阶5、直立脉（下底深度有限）6倾斜脉（下底深度有限）