《重力勘探理论基础》PPT课件

重力勘探基础部分要求回答的问题 什么是重力勘探 地球重力场组成和有什么特征 重力场的场源是什么 与重力场的关系 重力异常的概念与重力场的关系 4 地球重力场受哪些因素影响 遵循哪些规律 第一章重力勘探基础 一 重力勘探概述二 地球的重力场 重力 重力加速度 重力场和重力位 第一章重力勘探基础 重力勘探是利用地球内部各种岩 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 1 定义 一 重力勘探概述 重力测量的应用范围十分广泛1 构造类 利用重力资料可以圈定具有油气远景的沉积岩内部构造 盐丘及煤田 划分大地构造和区域构造单元 研究地球深部构造 评价其活动性等 2 矿产类由于电子计算技术的飞速发展 重力方法在寻找磁铁矿 铬铁矿 有色金属矿 以及钾盐等矿产方面部取得了良好的地质效果 2 应用领域 一 重力勘探概述 3 其它类在研究地球形状 大地测量学 地震中长期预报 固体地球物理学 推算导弹 火箭 人造卫星及宇宙飞船的运行轨道等方面 国防 空间测控科学 地球层圈运动和位移等 地球动力学 重力数据也是不可缺少的重要资料 当前重力观测的范围主要是陆地和海洋 航空重力和井中重力测量发展相对滞后 还处于试应用阶段 而卫星重力测量则属于遥感物探的范畴 重力观测数据在自然科学和工程科学中有着广泛应用 自然科学中 地球表面的力学现象都与重力相关 在计量学中将重力用于确定计量单位的依据 2 应用领域 一 重力勘探概述 3 其它类例如 国际单位制中 牛作为力的单位1N 1kg m s2即1牛就是使1kg质量的物体产生1m s2的加速度 压力单位Pa 1Pa 1N m2功或能的单位为J 1J 1N m功率单位W 1W 1J s以上各量均与重力值有关 因此 重力在计量上是一个很重要的基本参数 在物理学中万有引力常数G更有基础地位 其绝对值在天文学和地球科学研究中具有特殊意义 可用于计算天体的质量和平均密度 2 应用领域 一 重力勘探概述 中国近海平均海平面 中国近海及西北太平洋测高重力异常 联合多颗测高卫星资料反演的中国近海海洋重力场 空间分辨率2 2 西太平洋海域2 2 重力异常 沿船测重力航线 测高重力异常与船测重力异常比较之标准偏差 测高重力异常与船测相对重力值 2005年测量 比较 南海船测重力航线 测高重力异常与32条船测重力航线的相对重力结果直接比较 平均标准偏差为 1 63mGal 最大为 2 92mGal 最小为 0 69mGal 绝大部分测线标准偏差小于 2 0mGal 可以认为这个结果已经达到了目前的船测重力精度 1 0 2 0mGal 已完成中国海及西北太平洋海域重力异常分辨率为2 2 收集到了船测重力航线四条共8000多重力观测点 将2 2 卫星测高重力异常与之比较 符合程度非常好 中误差小于 2 9mGal 达到了目前国际上测高重力最好的精度 一般在深海为 3 5mGal 反演测高重力异常与船测重力比较 响应函数法反演中国黄海 东海区域海底地形 反演海底地形 南中国海海底地形 反演结果与船测海深数据残差的标准偏差为 183mETOPO5模型数据与船测海深数据残差的标准偏差为 252m 反演的海底地形与船测结果比较 珠江口盆地重力勘探试验 卫星测高重力场与船测重力航线比较 单位 mGal 珠江口盆地布格重力异常图 珠江口盆地区域重力异常图 由区域重力异常可以确定 盆地边界 盆地内部二级构造单元 断裂分布及基底埋深形态等 珠江口盆地沉积基底深度图 试验工区局部重力异常图 试验工区局部隆起构造图 重力勘探是在重力测量学基础上发展起来的 重力测量学时一门古老的学科 伽利略 1564 1642 首次测量了重力加速度g 惠更斯 1629 1695 研究了摆 并于1655年制造了钟 为重力加速度g的测量奠定了基础 法国地球物理学家李歇偶然发现了 在巴黎和南美的时钟走时存在差异 直到1687年牛顿 1643 1723 才在 自然哲学的数学原理 一书中正确阐明了这一现象 从此用重力加速度g来研究地球重力正式开始了 3 发展历程 一 重力勘探概述 以研究对象与围岩存在的密度差异为前提条件的重力勘探方法 最早起源于20世纪初 当时以寻找盐丘等储油构造为目的的扭秤测量为主 20世纪30年代中期 精密 快速和轻便的地面重力仪问世 迅速取代了扭秤测量 并且应用领域也逐渐扩大 60年代发展起来的海洋重力测量 使地球表面70 以上的海洋区成为重力测量的主要场所 配合同期发展的人造卫星资源的分析 使重力测量法在研究全球板块构造 地球深部构造 区域地质构造 圈定含油气远景区及含煤盆地 以及寻找部分固体矿产资源等多个领域起到了重要作用 3 发展历程 一 重力勘探概述 我国的重力勘探始于1945年 到解放前只有2支队伍 在20世纪50 60年代的第一轮石油普查中立下显赫战功 到60年代 北京地质仪器厂制造出第一台重力仪 于是重力勘探得到了巨大发展 现在已配备了航空重力测量等先进设备 20世纪70年代末 我国开始了全国范围的区域重力调查 是一项基础性地球物理调查 是综合开发国土资源与矿产资源的基础资料 具有长期利用的价值 现在 我国已能开展航空 陆地 海洋和井中的重力测量 3 发展历程 一 重力勘探概述 4 重力勘探学习的内容 地球重力场及其组成 重力位 正常重力和重力异常 如何获得重力异常 重力勘探仪器和野外工作方法 典型模型重力异常特征 数据处理 正反演 解释方法和应用 一 重力勘探概述 重力勘探的任务测量值 重力异常 局部重力异常 区域重力异常研究目标 地下地质目标 矿体 地质构造等 最终目的 根据重力异常进行地质解释研究手段 正演和反演问题的研究 5 重力勘探的任务与目标 一 重力勘探概述 6 重力勘探的工作过程野外数据采集野外数据整理影响因素校正重力异常的提取正反演模拟和地质模型建立地质解释 一 重力勘探概述 1 地球的一些基本知识回顾地球形状参数a 6378 16km c 6356 76km地球扁度 a c a 1 298 05一级近似为球面 二级近似为旋转椭球面 三级近似为梨形体面 北极高出十几米 南极凹进二十几米 南北两极不对称 大地水准面 人们将平均海水面顺势延伸到陆地下所构成的封闭曲面视为地球的基本形状 称其为大地水准面 二 地球的重力场 地球内部结构 三层 地壳 最厚80 90km 最薄10 15km 平均30 40km 地壳 花岗岩层 硅铝层 2 7g cm3 玄武岩层 硅镁层 3 1g cm3 硅铝层和硅镁层的分界面 康拉德界面 主要的密度分界面 二 地球的重力场 1 地球的一些基本知识回顾 地幔 地壳底界 2900km上地幔 基性和超基性岩 下地幔 铁 镍等金属氧化物地幔密度3 4 5g cm3地幔与地壳的分解面 莫霍洛维奇面 简称莫霍面 上下密度差约0 3g cm3地核 2900km到地心 内核 过度带 外核 具体物质组分还未知据陨石成分推测为铁镍核 二 地球的重力场 1 地球的一些基本知识回顾 重力勘探的基础是万有引力定律 地面上的各点的重力值主要决定与各点上的引力和离心力 2 重力与重力加速度由于物体受重力作用的结果 地球表面及附近空间的一切物体都有重量 物体的质量是表示物质运动的惯性及存在引力的属性 重量和质量的区别与联系 G mg 重力 物体所有的重力是除该物体之外的地球质量及其它天体质量对物体产生的引力和该物体随着地球自转而引起的惯性离心力的合力 重力 引力 惯性离心力G F C 二 地球的重力场 重力地球质量产生的引力方向大致指向地心 太阳 月亮的引力暂时忽略 物体随地球自转的惯性离心力 方向垂直于地心轴向外 二 地球的重力场 2 重力加速度 重力场强度 物体受到的重力作用的大小还与其本身的质量大小有关 单位质量的物体在重力场域中所受的重力称为重力场强度 重力加速度 当物体只受重力作用而不受其它作用时 就会自由下落 自由下落的加速度称为重力加速度 重力加速度与重力的关系 G mg重力加速度的单位 m s2 重力的单位是N 若m 1 G g因此 实际测量时测量的是g 二 地球的重力场 重力的法定计量单位N 重力加速度的单位m s2规定10 6m s2为国际通用重力单位g u gravityunit 1m s2 106g u 为纪念物理学家伽里略 重力加速度的CGS单位称为 伽 1cm s2 1Gal 1mGal 10 3Gal重力加速度的C G S单位 1Gal 104g u 10 2m s2 1mGal 10g u 10 5m s21 Gal 10 2g u 10 8m s2 美国等常用mGal Gal重力加速度在数值上等于单位质量所受的重力 其方向也与重力相同 二 地球的重力场 3 重力的计算关系由于重力G与试探质量m有关 不易反映客观的重力变化 在重力测量学和重力勘探中 总是研究重力场强度与重力加速度g 所以 若没有特别说明 以后凡提到重力都是指重力加速度和重力场强度 重力的数学表达表达式建立的坐标系 原点 地心 Z轴与地球自旋轴重合 X Y轴在赤道内 地球内部单位指点在外部任何一点的引力 二 地球的重力场 随地球自转引起的惯性离心力 为了便于分析 通常将引力和惯性离心力用直角坐标系中的三个分量表示 故引力和惯性离心力在三个坐标轴的分量为 二 地球的重力场 二 地球的重力场 通常情况下 惯性离心力可以忽略 例1 1 下边以球体地球模型为例说明引力与惯性离心力的大小关系 二 地球的重力场 二 地球的重力场 复习思考题 名词 大地水准面 重力勘探 重力 惯性离心力重力的计算关系和地球上各点重力的计算重力与离心力的大小对比 三 岩矿石和储层的密度 1 岩矿石的密度多数沉积岩的密度 2 5 3g cm3岩盐密度 2 12 2 22碳酸盐岩密度 灰岩2 71 白云岩2 76 2 88硬石膏2 92 3 0泥质粉砂2 58 2 78火山岩和变质岩的密度变化较大 决定因素 岩矿石的矿物成分 孔隙体积和孔隙中的流体成分 1 油气层的密度是由储油气层岩石的密度决定的 后者的密度是与它们的孔隙度关系密切 而与矿物成分的关系较小 由于油气层孔隙度的变化范围较大 固相 液相和气相的密度差别相当大 从而造成储油气层密度变化较大 2 由于石油和天然气的密度小于层间水的密度 所以 油气层内比储集层其余部分的密度低 三 岩矿石和储层的密度 2 石油 天然气储层的密度 2 石油 天然气储层的密度 3 一般来说 含气地层的有效密度变化可达到0 1 0 25g cm3 甚至更大 而含油地层则在0 1 0 15g cm3左右 4 有效密度可以用作找油准则利用 但是 此时必须了解地质断面结构特点 因为储集层的顶部和底部岩层常常被共生因素的影响所复杂化 在特定的构造范围内 岩石的岩性 岩相变化能引起密度变化 在大多数情况下 从构造的翼部至背料构造的顶部 岩石的密度减少或背斜构造顶部变得疏松 三 岩矿石和储层的密度 1 岩石密度单位 2 如何获得岩石密度 三 岩矿石和储层的密度 3 常见岩 矿 石密度 4 岩石密度的影响因素 1 沉积岩 取决于岩石颗粒 孔隙充填物 孔隙度 4 岩石密度的影响因素 2 岩浆岩与变质岩 5 岩石密度的变化规律 1 密度界面与地质界面石油物探的首要任务是解决石油地质构造问题 其前提条件就是构造层之间存在物性差异 事实也常如此 这是物性变化的主要规律之一 由于每个构造层有不同的构造沉积特征 在岩性 岩相上常有较大差异 所以往往成为明显的物性界面 盆地的基底常常是重要的物性界面 5 岩石密度的变化规律 2 岩石密度的垂向变化规律除界面上的跃变之外 岩石物性还随垂向 深度 渐变 尤其在中新生代沙泥岩地层中比较明显地存在这一规律 压实最明显的是泥质岩石 其次是粉沙质岩石 具有刚性联系的砂质岩压实程度最差 所以常成为储层 不同岩石孔隙度随深度变化 深度变化点 0 8 10米 1200米 6000米粘土 泥岩 66 40 20 21 7 8 砂岩和粉砂岩 56 40 20 21 10 以内 2 岩石密度的垂向变化规律 特例 快速沉降 而泥岩占优势 压实时挤出通道少 体积水排出难 孔隙压力大 在这种高压区 当下沉到5 6km时 碎屑岩的密度也不超过2 3 2 5g cm3 孔隙度也可达10 20 碳酸盐岩物性随深度变化缓慢 5 岩石密度的变化规律 3 岩石密度的横向变化规律 情况二 当各个层的厚度发生变化时 1 不同密度的岩层厚度减小或丧失 2 可塑岩石 泥岩 岩盐 厚度明显增大 3 孔隙度和流体成分发生变化D 碎屑岩在构造顶部变松 密度减小 泥岩也可变小 也可能增大 5 岩石密度的变化规律 4 岩石密度随时间的变化 密度随时间从前震旦系至第三系的逐渐变化是与地壳的总矿物成分的变化有关 同时也与早期岩浆岩建造的作用减小及深变质相岩石不发育等因素有关 例如 在早期建造中 辉长岩是密度 2 95 3 00g cm3 而在晚期的建造中 则是密度 2 80 2 85g cm3 沉积岩也是如此 时代较老的岩层一般要比较新的岩层有较大的密度值 5 岩石密度的变化规律 6 岩石密度与其它物性的关系 1 致密结构岩石 侵入岩 变质岩 古喷发岩 变质类沉积岩 矿物成分是决定物性的主要因素 密度 关系最密切 弹性波速度 受孔隙和裂隙的影响 关系差一些 2 孔隙结构岩石中 中新生界喷发岩和沉积岩 孔隙度对岩石物性有很大影响 对高孔隙度岩石而言 密度 速度 热导率和电导率等与孔隙度关系很大 这使得物性参数之间存在有规律的联系 3 物性之间的关系是一种实验性关系 一般由实验资料统计而得 不同地区 不同条件 实验关系不一定相同 所以引用他人实验公式时 一定要考虑他人公式的具体条件是否与本区相同 不能轻易引用 1 岩石密度与孔隙度关系岩石的密度与孔隙度存在函数关系 即 干 矿 1一 湿 矿 1一 液 孔隙度 6 岩石密度与其它物性的关系 2 岩石密度与速度的关系岩石密度与弹性波传播速度间的关系 理论上有以下关系式中E 杨氏模量 泊松系数 从理论上看 岩石密度应随波速增加而减小 但是在实际条件下观测到的密度与速度间是复杂的 不是单一的联系 这是由于对不同成分和结构的岩石 E和 的变化对这些参数有很大影响 在石油勘探中 多数遇到的是孔隙沉积岩层 此时密度和速度间的关系主要是正相关关系 6 岩石密度与其它物性的关系 3 岩石密度与电阻率的关系研究表明 对于各种均匀岩层 两者有十分紧密的关系 相关系数可达0 9 0 95 有各种类型的关系 线性的 二次的 指数的关系等 沉积岩的电阻率决定于它的矿物成分 结构 湿度 孔隙度 在很大程度上取决于岩层水的矿化度 但是 岩石密度与矿化度变化的关系却很小 因此 仅仅比较均匀的岩石有稳定的参数关系 在确定岩石密度和其他物性时 电性可作为其他参数综合的辅助参数 此时必须定量估计水的矿化度对岩石电性的影响 或者划分出矿化度相对稳定的地段 6 岩石密度与其它物性的关系 重力位 重力等位面和正常重力公式地球空间的一点P和地球内一质量单元dm质量单元对P的引力 四 地球的重力位 四 地球的重力位 四 地球的重力位 四 地球的重力位 四 地球的重力位 重力等位面 水准面和大地水准面 四 地球的重力位 四 地球的重力位 四 地球的重力位 重力场的不均匀性和重力位导数的关系 四 地球的重力位 四 地球的重力位 四 地球的重力位 五 重力异常和正常重力 当地球的形状及其内部物质密度分布为已知时 理论上讲 可以求出地面上任一点的重力位 然而 地球表面的形状十分复杂 而地球内部的密度分布也并不清楚 因此 到目前为止 仍难于准确求取地球表面任意点的重力场 现有的结果 大多通过实际测量或模型的近似计算得到 为近似计算地球表面的重力场 引入一个与大地水准面十分接近的正常椭球体来代替实际地球 假定正常椭球体的表面是光滑的 内部的密度分布是均匀的 或者呈层分布且各层的密度是均匀的 各层界面都是共焦点的旋转椭球面 这样这个椭球面表面上各点的重力位便可根据其形状 大小 质量 密度 自转的角速度及各点所在位置等计算出来 在这种条件下得到的重力位就称为正常重力位 求得的相应重力位值就称为正常重力值 五 重力异常和正常重力 重力有哪些变化正常重力的计算公式重力异常是如何产生的重力异常的计算公式自由空气重力异常和布格重力异常 五 重力异常和正常重力 五 重力异常和正常重力 重力和重力异常1 重力的变化300年前 法国测量学家李歇发现地面上的重力加速度是变化的 重力测量学的发展主要是测量重力的方法和技术的发展 利用重力的变化可以研究地球形状及内部结构的变化 重力在时间的变化太阳和月亮等天体引力引起的重力的变化 表现有一定的周期性 也称为潮汐变化 3g u 地球形状的变化和地下物质运动等引起的变化是非周期性的 也称为非潮汐变化 1g u 重力在空间上的变化地球形状和地下物质密度的变化重力和重力异常通常重力在空间上的变化比时间上的变化大得多 重力学由静力学向动力学发展重力场的研究由3维向4维发展 1 重力的变化 五 重力异常和正常重力 五 重力异常和正常重力 2 正常重力公式 为使问题讨论变得简单 引入一个与大地水准面形状十分接近的正常椭球体来代替实际地球 假定椭球体表面是光滑的 内部的密度分布也是均匀的 或成层分布且各层密度是均匀的 各层界面都是共焦点的旋转椭球面 该椭球面上的各点的重力位可根据其形状 大小 质量 密度各点的角速度和位置计算出来 由正常重力位推算得到的在正常椭球面 水准椭球面 上的重力公式称为正常重力公式 椭球体假设条件下 正常重力公式与计算点位置坐标的关系 经度 纬度 赤道 两极地球的力学扁率地球的扁率 2 正常重力公式 2 正常重力公式 如何确定正常重力计算式中ge 1三个参数的数值 是多年来世界上大地测量学家和地球物理学家关注的问题之一 不同的学者所采用的参数值不同 就得到不同的计算正常重力值公式 2 正常重力公式 2 正常重力公式 从以上讨论可以看出 1 地球的正常重力是人们根据研究的需要而确定的 不同的学者计算出的正常重力值还有所区别 因此它并不是客观上存在的确切的正常重力场 2 正常重力值只与计算点的维度有关 沿经度方向没有变化 3 正常重力值在赤道处最小 在两极处数值最大 相差约5 104g u 4 正常重力值沿经度方向的变化率与纬度有关 在纬度45 处的变化率最大 五 重力异常和正常重力 3 重力异常 五 重力异常和正常重力 这里涉及几个基本概念 剩余密度和剩余质量研究对象的密度 与围岩密度 0的差称为剩余密度 剩余密度与研究对象的体积之积成为该研究对象的剩余质量 重力异常的实质是地质体的剩余质量对测点处单位质量所产生的附加引力在重力方向上的分力 投影 若剩余质量为正 则产生正的重力异常 反之 产生负的重力异常 用正常重力公式计算的重力与实测的重力值存在一定的差异 原因是地球内部物质分布的不均匀 3 重力异常 五 重力异常和正常重力 例1 试分析下边两个图的重力异常 对重力勘探的应用条件有什么启示 五 重力异常和正常重力 例2 给出下边三个图的剩余密度值 斜线部分为异常体 分析 重力异常与剩余质量引力的关系 五 重力异常和正常重力 重力异常与剩余质量引力的关系 五 重力异常和正常重力 重力单位 伽 Gal 毫伽 mGal 密度差与剩余密度剩余质量重力异常是由地壳内被研究的地质体与围岩之间的密度差所引起的 重力异常的图形表示 平面等值图 剖面图 五 重力异常和正常重力 重力异常的计算实际观测的重力值减去该点的正常重力值和地形起伏不