范文无忧网《重磁电勘探》
结业作业
中国重力勘探技术及方法的发展与展望
[摘要] 对21世纪重力勘探的仪器、数据处理技术、解释理论与方法、应用领域等方面的发展进行了分析与展望。开展卫星重力测量,综合卫星、航空、地面重力测量资料研究地球结构与构造;发展高精度数据处理技术；发展复杂条件下三维重力场多参数综合反演可视化技术以及快速自动反演技术。
[关键词]中国重力勘探；发展；展望
1引言
以地质构造为主要研究对象的重力勘探方法在中国已经历了一个长期和成功的历史。从50年代初期，重力勘探开始应用于我国的地质找矿试验工作，此后随着地质工作的不断深入开展以及现代数学物理理论与计算机科学的迅速发展，促使重力勘探在仪器、方法技术、解释理论以及实际应用等各方面得到了全面系统的发展。重力勘探已成为研究地质构造的重要手段，在解决以下地质问题中取得了肯定的效果:(1)大地构造单元划分;(2)基底起伏和内部结构;(3)追索大的构造破碎带和断层;(4)圈定沉积盆地范围和内部构造;(5)侵入岩的空间分布和深部形态;(6)岩石圈均衡状态和上地慢密度横向不均匀性，详细重力测量在地质填图和矿产勘查中也发挥了重要作用。当前，重力勘探已在区域地质调查、能源和固体矿产普查、工程地质调查，以及深部构造研究中得到广泛应用，这与方法技术上的进步是密切相关的。重力勘探方法如何进一步发展以适应科学研究和经济发展的需要是当前面临的关键问题。
本文在分析当前重力方法进展的基础上，从现代数理理论与计算机科学的发展和新的需求角度,对重力方法从仪器、数据处理技术、解释理论与应用等方面进行了评估与展望。
2重力勘探技术的改进和发展
2.1高精度重力勘探技术的应用
高精度重力勘探技术是建立在位场理论、电子技术和计算机技术高度发展的基础上。它的野外工作方法是在小面积范围内采用大比例、密测网和小点距工作。该技术的发展及其特征如下:
①较早的外国重力仪有诺加、握尔登重力仪，后来发展到精度较高的索丁和拉科斯特(:Lacoste)重力仪。1991年我国引进了使用亚菲尼特(Affinity)仪的美国艾菲系统;1993年西北地质研究所从俄罗斯引进了使用THY一B型重力仪的GONG技术。拉科斯特D型、G型重力仪由美国70年代研制成功，是目前国内外使用最广的一类重力仪。它以零点漂移小，精度高、重量轻和操作方便而著称。②高精度重力勘测目前可用航空照片和红外激光测距仪来敷设测网及求取测点高程。此外，对固体潮、中间层变密度、地形等改正可以改到任意半径，还可作均衡改
正，且均可达到比较高的精度。③解决地质问题的能力不断提高高精度重力数字处理利用了位场理论的发展和计算机的最新成果，重力异常正反演技术有了长足进步，可以完成相当复杂的计算模型。诸如归一化总梯度法、重力一地震联合反演法等。重力场提供的信息增多，不但能确定背斜或非背斜构造，还能预测油气藏。
2.2重力数据库
由重力数据、高程数据和程序三部分组成，可完成各项数据改正、处理和成图，便于数据存贮和检索，实现了数据处理、成图和解释自动化，提高了解释工作的效率和质量。
2.3卫星技术的应用
主要有两个方面:一是利用地球重力场模型的球谐系数计算不同阶数的重力异常，并通过流体运动方程计算岩石层底部不同尺度地慢流应力场，用于解释大尺度构造及动力学问题；二是应用海洋密轨道间距卫星测高数据换算重力异常，卫星重力数据具有高密度覆盖的优点，已成为海洋地质和地球物理研究的一项重要技术。目前，此技术已在南海的构造研究和油气勘探中应用.
2.4航空重力测量的应用
在海洋重力测量以后的十多年间，航空重力测量应运而起。与陆地重力勘探相比，航空重力测量具有在一些人类罕至的山地、海洋、沼泽等复杂地区作业的优势。与常规调查方法相比，航空重力测量作为一高新技术手段，由于具有宏观、准确、动态、综合，以及不与目标物接触就能对其进行监测的优势，已广泛应用于国土资源调查与规划、生态环境监测与评价、工程地质、环境地质及灾害地质研究等众多领域，并取得了显著成就。推动了国土资源调查、环境监测及工程建设等诸多领域的技术进步，为国土资源及环境调查做出了全面贡献。
3重力勘探理论与方法的发展
自90年代起，重力勘探的理论与方法发展了多层密度界面反演，三维数据处理和三度体正、反演，视密度填图，弱异常增强与提取，小波变换分解重力场，图像处理以及检测油气藏方法和均衡响应函数的应用等，还开发了重力解释工作站和模型数据库，使重力资料的处理和解释更加方便，效能更高.
3.1重力正反演理论方法
(1)密度界面三维反演
常用的密度界面反演方法有U函数法，压缩质面法，空间域迭代法，正则化方法等，近年来应用较广的是Parker一Oldenburg快速正反演方法，具有计算速度快，精度较高的特点.自1985年使用以，主要在改善迭代收敛方面提出了一些改进措施，如采用求界面起伏增量的逐次逼近迭代加正则化滤波因子闭；选择滤波器的经验准则，选择迭代加权因子及低通滤波器的截频取值范围。
地震一重力联合反演密度界面能起到更强的约束效果，并体现密度模型与地震模型的一致.其中有非块状模型的三维反演阁;一种以密度等值线表示的梯度模型是将速度等值线变换为密度等值线，计算等值线间地层的重力效应.这种算法现可实现以人机对话方式构制二维密度模型。
关于多层密度界面反演.虽然许多界面反演方法也可进行多界面反演，以及其他一些多层界面反演方法，如应用最优化解线性方程组的N层界面反演，利用位场变换法的三维多层界面反演，对垂直叠加异常进行分解后解非线性方程组反演多层界面，但大多数多界面反演方法只适用于界面形态简单，各界面大致平
行和同向起伏的情况.多界面反演的效果决定于能否对各界面深度有足够的控制和可靠分离各界面的重力场。
(2)局部异常反演
为构制矿体、岩体和其他地质体模型大多采用计算机模拟.采用的方法一种是最优化反演，另一种是人机对话选择法，两者可以结合起来效果更好。在最尤化反演中，控制随机搜索法能有效搜索目标函数的全局极小点，并可使用约束条件对变量范围加以控制，搜索结果取一组估计值的平均作为最佳估计值.用此方法成功的反演了广西大厂隐伏花岗岩顶面形态。
应用奇异值分解法的2.5维多边形体重磁异常最优化反演具有收敛快，能模拟复杂地质体的优点，在湖南香花岭岩体顶、底板深度的反演中获得较好的效果。
在微机上进行人机交互式的2维、2.5维和3维重磁异常反演，可以在屏幕上显示物体模型和重磁异常图形，可通过光标画出和输入物体模型和修改模型，并可进行重磁异常联合解释。
利用重力异常与密度的线性关系，对剩余密度给予一定约束范围，反演剩余密度的线性规划方法也有一定进展，提出了有限变量的线性规划法提高反演精度。由于解不够稳定和分辩率较低，这一方法未得到广泛应用。
3.2国内外重磁勘探正反演理论方法新进展
俄罗斯、乌克兰、欧美和我国重磁勘探学者在正反演理论方法研究方面前沿性的研究成果可概括为如下7个方面:(1)B.H.CTPAXOB及其研究集体的系列研究。他们论述了“20世纪位场解释理论与实践的发展”并建议21世纪应该建立统一的地球物理资料解释理论和自动解释的逻辑体系与计算机技术；还致力求解地球物理(特别是重磁勘探)解释中出现的线性问题；提出了含有误差数据的大维数和超大维数(n 109)线性代数方程组的稳定解法。(2)多面体正反演理论方法的系列研 究。V.Pohanka和R.O.Hansen先后导出了密度为常数或呈线性变化的多面体重力场计算的最佳表达式;D.Tsoulis等[9]研究了多面体重力场及其导数正演的奇异性问题；重力场g正演最佳表达式,已经被应用到复杂三维构造重力场约束反演当中。(3)常密度星形物体正反演理论方法的系列研究。研究了二维星形物体在水平剖面上的重力对数位反演问题，论述了反问题解的存在性、唯一性与稳定性；等研究了三维星形类物体重力场的正演和反演问题；实现反演的条件是包围该星形体的大球面不与观测面相交。(4)起伏地形条件下复杂三度体磁场的反演理论方法研究。非均匀密度、任意截割垂向直角棱柱重力场g空间域正演问题,正演计算是采用数值积分方法实现的。(6)采用多复变函数理论研究重力场的反演理论和方法。近年来,俄罗斯学者.发表了一系列文章,论述采用多复变函数理论研究重力场反演的理论和方法。就矿体重力场反演来说,她用椭球体或多个椭球体的组合体近似表示矿体,采用多复变函数理论给出了与椭球体或多个椭球组合体近似的矿体重力场的稳定反演算法。(7)适合位场的小波变换反演理论研究。作者们利用适合于位场的母小波进行重磁场的分解与重构,并进行重磁场的反演;在没有任何先验信息的条件下,根据小波系数的变化特点,确定脉状和阶梯状地质体等简单场源体的位置、厚度、倾斜度和其尤拉方程的构造指数N。上述研究成果的不足之处在于:大多数是具有较简单表达式的重力场的正反演;关于磁场的直接反演方法也是就具有简单表达式的垂直分量导出的,不适合于各种磁场分量与磁场梯度分量情况;反演所采用的多是没有背景场叠加的异常场;有的需要大量的先验 信息,在缺乏先验信息时不能应用;关于物性参数连续分布重磁场源反演成果甚少;再有,多数研究是在直角坐标系内进行的,数理分析的难度很大。在直角坐标系中,
在地形起伏并有低缓背景和高频干扰异常叠加等复杂条件下,求解均匀或非均匀物性二度体和三度体重磁场的直接反演问题是极为困难的课题。为了避开有关研究的巨大困难,近年来,我们把二度体正反演问题研究转移到复坐标系,把三度体正反演问题研究转移到球坐标系,找到了一条简单、全面解决问题的有效途径,提出了复杂条件下局部重磁场源全方位成像理论方法体系,并研制成功实用化的程序系统(QFWCX)。但不足之处在于,没有解决物性参数连续分布重磁场源正反演这一前沿性研究课题。
3.2重磁联合反演方法的新进展
Fdei等人以三维位场数据为基础，探讨了综合应用重磁方法的基本原理解反演问题，获得了具有较高分辨率的磁化强度和密度随深度的分布模型!在解反演问题时，必须具有垂直方向位场数据的相关信息，这对于提高垂向深度分辨率具有决定性作用，这种垂向深度分布的结果仅取决于位场数据的分布。以泊松理论为基础，Yoshio Ueda等人提出应用重磁响应函数求磁性体的产状。重磁响应函数用泊松方程在频率域中的表达式表示：
方程（2），（3）分别是二维重磁响应函数和三维重磁响应函数。
4中国重力勘探的展望
4.1发展高精度多参数重力测量仪器,提高综合信息采集能力
发展航空标量、矢量、梯度重力测量
20世纪90年代以来，GPS及高灵敏度、高稳定航空重力仪的应用导致航空重力测量的研究取得了突破性的进展,使航空重力测量技术进入实用化阶段、预期本世纪将得到广泛的应用.由于航空重力在大地测量方面的特殊作用,国际上许多国家多个研究机构开展了航空重力测量的研究,国际大地测量协会(IAG)也设立特别研究组对重力测量仪器、原理和数据处理方法等进行专门研究,从而使传统航空重力仪的精度和性能得到显著改善.Lacoste&RomergeS型海洋/航空重力仪、ZLS重力仪及Bel BGM-5重力仪已被广泛应用于航空重力测量系统;发展了多种航空测量系统,航空重力标量测量技术已进入实用化阶段.
(1)航空标量重力测量
将重力仪安装在陀螺稳定平台上测量垂向加速度的航空重力测量系统属于标量重力测量,实际上测重力加速度的一个分量.这方面重力测量的精度一般达到2 mGal,分辨率为10~15 km.加拿大正在研制一种以三加速度仪为基础的旋转不变式标量重力测量(RISG)系统,该系统的实现可望航空重力测量系统不需要定向平台.
(2)航空矢量重力测量
硬架式惯性测量系统是矢量重力测量,它通过正交的三个加速度计测量b参照系中的加速度矢量(重力与运动产生的加速度之和),通过GPS
及测高计等测量
并计算飞机运动的速度及加速度,经一系列计算校正处理求出三分量重力异常.美国在航空重力矢量测量研究方面作了较多工作,将航空重力测量结果与地面重力数据作比较,表明航空重力矢量测量的水平分量精度可达7~8 mGal,垂直分量的精度为3 mGal.挪威、丹麦、德国和葡萄牙合作实施了联合航空测量系统和测高系统的研究,发展了一种航空大地水准面测量系统,应用于沿海海洋学的研究.
(3)航空重力梯度测量
近年,美、加、澳等国地球物理公司已进行航空重力梯度测量研究试验工作,由于该测量技术属西方国家限制出口的尖端技术,尚不能引进,只能予以密切关注.
A.航空全张量重力梯度测量
美、加等国三个公司联合进行全张量重力梯度仪的可行性实验,测量系统有12个加速计安装在三个圆盘上,其中一个为垂直,其余两个为水平,每个圆盘上安装两对加速度计,全部灵敏元件安装在防震平台上,试验区选择在包括金伯利岩、磁性镍硫化矿和斑岩地区.美国Bell Geospace公司研制了三维全张量梯度测量系统,并与海军一起在墨西哥湾导航试验船为油气勘探取得200块段数据,完成了地震与全张量梯度测量综合研究,结果表明利用重力梯度测量可以优化地震解释结果,两者综合可以得到梯度优化的地震数据,可以用来确定盐丘的大小、形状及厚度与结构.实际资料表明在深度为1000~1500 m深度范围内的密度差分辨率可达0.05 g/cm3.
B.部分张量梯度测量系统
澳大利BHP公司的测量系统,包括8个加速度计安装在一个水平圆盘上,只测量水平梯度Uxx、Uyy.Uzz可以通过前两者计算得到.该系统已用于澳大利亚的银、铅、锌矿及加拿大的金刚石矿的探测工作,已发现一处可能含金刚石的矿藏.
上述测量系统一般与磁力测量组成重磁测量系统进行.
4.2深入开展卫星重力测量,综合卫星、航空(海洋)与地面重磁资料研究地球结构与构造
.利用地球重力场模型的球谐系数计算不同阶数的重力异常,并通过流体运动方程计算岩石层底部不同尺度地幔流引力场,用于解释大尺度构造及动力学问题。
应用海洋密轨道间距卫星测高数据换算重力异常已成为海洋地质和地球物理研究的一项重要技术,在海洋构造研究和油气勘探中有应用前景.研究应用轨道重力梯度测量获取陆地重力异常和应用双卫星获得陆地重力异常的新技术将是快速、高密度测量的一项重要措施.
综合利用地球空间不同高度层次的重磁资料,分析对比归一化综合解释壳幔构造.
4.3发展与高精度重力测量相匹配的数据处理技术,提高测量结果的可靠性
4.3.1研究重磁异常弱信号提取技术,增强异常分辨能力
在利用重力异常进行地质填图或资源勘查中经常会遇到有用异常被干扰所淹没而难于分辨,所以弱异常的提取在重力异常解释中具有十分重要的意义.由于有用异常经常与干扰频率相近,所以采用统计方法可能更合适.如采用最佳检测系统与自调节滤波提取弱信号等,但这方面的工作尚未深入开展,需要加强.
4.3.1不同深度重力场的划分
为了提高重力场的垂向分辨率,研究沿深度的分场方法具有十分重要意义.虽然目前已有匹配滤波、正则化滤波、补偿圆滑滤波等多种方法,但所得结果还不能与深度有定量的对应关系,所以进一步研究有效的深度滤波方法仍然是一个艰巨
任务.深入研究适合位场特点的小波变换方法以及深度滤波方法可能是有效的途径.
4.4发展复杂条件下重磁场多参数综合三维反演可视化解释技术
复杂地质、地形条件下重磁三维反演可视化解释是重磁学科发展的一个重点.
4.4.1.提高反演三维场源几何参数的能力,发展三维场源空间定位技术
在均匀三维场源情况下,当形体复杂时需要反演众多的源体几何参数才能较细致地划出源体的轮廓,解决这一问题的途径有二:一是应用在多参数反演时能收敛于全局极值优化方法,二是采用高精度空间延拓逼近场源大致圈定源体范围的方法.对于第一方面题,提出将模式搜索法同单纯形法有机结合直接解多参数非线性最优化问题的方法,由于算法计算量大,收敛速度慢等原因未能形成实用的方法.对于第二方面问题,采用球坐标位场球谐表达式,由已知位场求解球谐系数,然后计算全空间位场向场源逐步逼近的方法
方法决定于逼近场源位场的精度,要获得可靠的近场源位场是困难的.所以进一步完善提这些方法技术仍是需要研究的课题.
4.4.2采用人机交互实时三维可视化技术,实现三维场源屏幕正反演解释
重力三维正反演人机交互解释一直是国内外重力勘探研究的重点,但由于三维形体视化的复杂性以及三维反演方法的不成熟等因素至今还未形成实用方法.目前多数的工是着重在三维复杂形体的正演.采用计算机上的橡胶膜技术灵活构制三度体,采用二度体逼近三度体的校正迭代反演技术与实时正演拟合技术.随着计算机技术的发展,微机性的极大提高,为重力正反演可视化提供了坚实基础.在可视化环境下直接反演,直观操作维源体,实时观察位场变化,这将是重磁正反演解释的发展方向.
4.4.3研究有机结合的多参数组合反演方法,形成以GIS为平台的多功能综合解释系统
由于三维反演的复杂性,需要对位场及其各分量与各梯度的合理组合采用分阶段反的策略,根据各种反演方法的特点进行顺序反演:例如采用空间延拓大致确定源体的位置范围,然后采用随机搜索法等进一步勾划源体的轮廓,以此为约束进行层析成像反演确定体的物性分布,最后采用人机交互三维反演精确修正解释结果,这种分层次的正反演解释会提供较为合理的地质结果,可以提高立体地质填图和矿体空间定位的效果.在此基础上重力反演结果在GIS平台上进一步与地质、其它地球物理解释结果综合解释.
4.5发展微重力测量技术,扩大重力应用领域
由于微伽重力仪的应用,各项改正方法的完善和精密的观测方法,重力异常精度达到3010 m/s以上,使得探测小尺度物体引起的微弱异常成为可能.随着微重力测量技术的发展,必将扩大重力的应用范围[11]:在溶洞和墓穴探测、滑坡体检测、油气检测和小构造探测等方面有良好的应用前景.
4.6广泛的社会需求与不断拓宽的应用领域
国外航空重力测量方法技术已基本成熟,已用于商业地质勘探.测量精度已达1~2mGal,已能满足百万分之一和二十万分之一区域重力测量要求,在一些地区甚至可达十万分之一较大比例尺的要求.我国青藏高原、新疆天山地区存在近二百万平方公里的空白区.在其它沙漠、沼泽、森林复盖及海陆交互地区还存在许多盲区,迫切需要在这些地区开展航空重力测量工作填补这方面的空白.在我国西部中高山区开展航空磁测工作已成为当前的急需,与它配套的中高山区航空磁测特殊的测量、处理与解释技术研究更为突出,这方面将有广阔的社会需求.在矿产资
源勘查中,重力测量仍是不可缺少的重要方法,高精度多参数重力测量及与其配套的处理解释方法技将有广阔的应用前景.在油气勘查中,除继续发挥重力在油气勘查中解决区域构造的作用外，综合利用卫星航空重磁、地磁地重等资料研究全球、洲际与区域地质构造将具有重要的科学价值与学术意义.
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