重力勘探、磁法勘探及其发展趋势

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（一）重力勘探简介

重力勘探是以地壳中其他岩石与煤岩层之间的密度差异为基础，通过观测与分析重力场的横向变化规律，查明地质构造和寻找煤炭资源的一种地球物理方法。

重力测定的方法有绝对值测量和相对值测量两种，相对重力测量是重力勘探的主要方法。由于重力测量受观测点经纬度、高度以及地形和中间层的影响，所以为了得到反映地下介质密度不均匀性的重力场的细微变化，需要对这些影响因素加以校正。

重力勘探的使用条件：以被探测岩体与围岩体具有明显密度差异为宜，差值最好在0.2～0.3g/cm³以上，密度分界面倾角大于50°，埋藏深度小于3000m，上覆松散沉积物比较均匀，且地形平坦等。

重力勘探的成果主要有重力异常等值线图，可以用于识别盆地以及盆地边界，进行构造分区和研究基岩的起伏情况；也可以用于确定煤田边界，含煤沉积的厚度和基底起伏情况，直接确定煤系的分布边界以及建立找煤模式等。

（二）磁法勘探简介

磁法勘探与重力勘探比较类似，是以地壳中岩石和煤层的磁性差异为基础，通过航空与地面磁力仪测定磁力异常，观测和分析地磁场在横向和纵向上的变化特征，查明研究对象地质特征和性质的一种地球物理勘探方法。经过换算校正以后的地磁场平面和剖面图，结合矿物岩石的磁性情况以及各种地质资料，便可推断地区的地质构造和矿产分布情况。

磁法勘探的使用条件与重力勘探使用条件也比较类似，要求煤系地层与其上覆以及下伏岩层具有明显的磁性差异，同一地区的磁性相对稳定，岩层倾角越大越好。

通常煤系地层上下岩层的磁性差异不大，因此在煤炭地质勘探过程中，磁法勘探主要是为了确定具有磁力的明显异常区域。如：区分含煤岩系和具有较强磁性的基底古老变质岩系，从而确定结晶基底的起伏情况；圈定侵入含煤岩系的高磁性岩浆岩或岩浆岩盖层；确定经过高温燃烧后具有磁性的煤层中的铁矿等。磁法勘探具有效率高、成本低、不受地形条件限制等优点。

（三）重力、磁法勘探发展趋势

20世纪30年代，重力、磁法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理论与计算机科学的迅速发展，促使重磁勘探在仪器、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，已成为现代地球物理方法中的重要方面军。基于重磁方法能在地面、海洋、空中以及卫星获取大量观测数据，可以提供莫霍面以上深部构造的大量信息，从而为大地构造分区、矿产资源的勘查以及基础地质研究提供重要的地球物理依据；特别是海洋条带状磁异常与古地磁研究为海底扩张、大陆漂移提供了地球物理依据；在矿产勘察中应用磁法直接寻找磁铁矿及其共生的磁性矿产工作起到了其他方法不可替代的作用。这些成就充分显示了重磁方法在区域地球物理工作中的先导作用和直接寻找磁铁矿的主导作用。目前我国重磁勘探主要表现出以下发展趋势。

1.发展高精度多参数重磁测量仪器，提高综合信息采集能力

20世纪90年代以来，GPS及高灵敏度、高稳定航空重力仪的使用导致航空重力测量的研究取得了突破性进展，使航空重力测量技术进入实用化阶段，预计21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Bell 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，实际上是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2mGal（1mGal＝10^－5 m/s²），分辨率为10～15km。加拿大正在研制一种以3个加速度仪为基础的旋转不变式标量重力测量（RISG）系统，该系统的实现可望使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3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中的速度及加速度，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7～8mGal，垂直分量的精度为3mGal。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，美国、加拿大、澳大利亚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

美国、加拿大等国3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3个圆盘上（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，灵敏元件全部安装在防震平台上。试验区选择在包含金伯利岩、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道进行试验船位油气勘探，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1000～1500m深度范围内的密度差分辨率可达0.05g/cm³。

b.部分张量梯度测量系统

澳大利亚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。

2.发展磁力多参数测量，实现GPS一体化

在磁测同时收录测点位置数据，如Geometries公司的便携式地面铯磁力仪G822L、G858已GPS化。澳大利亚的Geo Instruments Pty公司将GPS天线放在直升机磁测系统的吊舱上，实时测出传感器的位置（管志宁，1997a）。可以预计在21世纪重磁仪器都将与GPS一体化。

磁力仪在测总磁场异常时同时观测其水平及垂直梯度（全梯度），进行多参数综合解释，可以提高探测效果。如G858地面铯磁力仪（灵敏度0.01nT）可同时测量ΔT其水平、垂直梯度，并配有GPS系统，这种多参数测量并与GPS一体化的仪器将是21世纪发展的方向，特别是在以下两方面需要重点发展。

（1）航空全梯度磁力测量

20世纪80年代，美国、加拿大分别开展了航空水平磁梯度与垂直磁梯度测量仪的研制，并使其进入实用阶段。我国引进航空垂直磁梯度测量仪并在冀东及长江中下游开展了1∶50000的面积性航磁垂直梯度测量，提高了地质填图的质量，细化了地层、岩体、地质构造的界线。我国同时开展了航空水平磁梯度仪的研制，已完成实验样机并在湖南典型区试飞取得了预期结果，尚需进一步完善。鉴于全梯度（水平与垂直三轴向梯度）测量可以获取梯度综合信息更有利于解释，这是21世纪航空磁测的一个重要发展方向。

（2）航空（地面）三分量磁力测量

目前，虽然已有将磁场转换为磁场三分量的方法，但由于假设条件与影响因素等原因，还不能精确的代替实测结果，而获取磁场三分量将能提供更多参数而有助于提高解释地质效果。地面、航空磁场三分量测量的关键在于提高精度，如何研制出高精度三分量磁力仪，是21世纪需要解决的一个重要课题。

3.开展卫星重磁测量，综合卫星、航空（海洋）与地面重磁资料研究地球结构与构造

利用卫星磁测与各年代地磁场测量资料，研究地磁起源与大陆磁场漂移有关核、幔的地球动力学问题。利用地球重力场模拟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，可以用于解释大尺度构造及动力学问题（王懋基，1997）。

4.发展与高精度重磁测量相匹配的数据处理技术，提高测量结果可靠性

目前一般磁力仪精度可达0.01nT，重力测量达到μGal级，为了充分发挥高精度重磁信息的作用，必须发展与此相适应的高精度处理技术，避免处理精度不够对有用信息的损失。

（1）研究重磁异常弱信号提取技术，增强异常分辨能力

在利用重磁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以分辨，所以弱异常的提取在重磁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，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（王懋基，1992）等，但这方面的工作尚未深入开展，需要加强。

（2）航磁低纬度化极与变磁倾角化极

为解决低磁纬度化极的不稳定性问题，人们研究了许多方法，综合起来可分为两类：一类是频率域方法；另一类是空间域方法。比较起来，频率域方法计算速度较快，但化极精度不够高；空间域方法精度较高，但由于涉及求解大型方程组问题，只能处理小面积数据，实用性差。近年来对空间域方法作了进一步改进，但在提高速度的同时也降级了精度，总的来说这类方法速度提高很有限。对于频率域方法提出了各种改进措施，这些方法在一定程度上使低纬度化极效果得到改善，但其精度仍有待提高，所以研究简便高精度的低纬度化极方法仍是今后需要解决的问题（管志宁，1996a）。

当航磁测区南北方向跨度大时，全区按一个磁倾角处理就会产生较大误差，所以必须考虑按实际地磁倾角变化的变磁倾角化极。目前在频率域解决此问题的途径有二：一是把全区磁化倾角变化作统一处理的全变倾角化极；二是把测区划分为若干条带的小区，小区内地磁倾角取平均值，然后依次用每一小区的磁倾角对全测区数据作化极，最后将各带的处理结果拼接起来的分带变倾角化极。由于全变倾角化极中对倾角变化规律的简化和分带化极的拼接处理等仍然影响结果的精度，进一步研究高精度实用的变倾角化极方法仍是十分必要的。

（3）重磁异常曲面延拓

位场曲面延拓，对中高山区重磁场的解释特别重要。国内外专家已提出过多种基于等效源层（空间域）曲面位场延拓方法。实际工作中由于磁测数据量大，特别是航磁在处理大数据量时常要花费大量计算机时与分块处理拼图造成的不够精确等问题，因此这些方法还不便在生产实际中推广使用，采用叠代法主次逼近求出平面上的场值，平面可以通过起伏面，但只有当延拓高度较小时才适用。为此研究采用等效源原理适用范围更宽的频率域曲化平与曲化曲方法是一重要的发展方向，有应用前景，需进一步加强这方面的研究。

（4）不同深度重磁场的划分

为了提高重磁场的垂向分辨率，研究沿深度的分场方法具有十分重要的意义。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。深入研究适合场位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。

5.发展复杂条件下中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。

（1）发展反演物性（重磁）结构的“层析”成像技术

近年国内外专家分别采用线性反演，约束最优化反演和拟BP网络反演等方法使密度、磁性层析成像技术得到较大发展。如对三维密度体采用改进的马奎特技术反演分层密度未知数达千余个，采用易于给定的约束条件，如限定密度值和密度差的变化量，求得了与已知地质结构可比的结果；采用模型目标函数和数据的拟合组成的目标函数的极小来获得特定问题的解；通过一个或多个加权矩阵将有关磁化率的先验信息加入目标函数，用某一子空间逼近法实现极小化，即可获得使模型目标函数达到极小的三维磁率分布；把BP算法与位场理论结合，并对物性单元的分割和学习步长的合理确定进行研究的拟BP算法等（管志宁，1998）。但这些方法各有不足和局限性，因此如何进一步提高层析成像的精度和减少多解性仍是需要深入研究的课题。

（2）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勾划出源体的轮廓，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的优化方法，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。对于第一方面问题，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。由于该算法计算量大，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，采用球坐标下位场球谐表达式，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，所以进一步完善提高这些方法技术仍是需要研究的课题。

（3）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

重磁三维正反演人机交互解释一直是国内外重磁勘探研究的重点，但由于三维形体可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。目前多数的工作是着重在三维复杂形体的正演。采用计算机上的橡胶模技术灵活机制三度体，采用二度半体逼近三度体的校正叠代反演技术与实时正演拟合技术。随着计算机技术的发展，微机性能的极大提高，为重磁正反演可视化提供了坚实基础。在可视化环境下直接反演，直观操作三维源体，实时观察位场变化，这将是重磁正反演解释的发展方向（田黔宁，2001）。

（4）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演的策略，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和范围，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源体的物性分布，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将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。在此基础上把重磁反演结果在GIS平台上进一步与地质、其他地球物理解释结果结合起来进行综合解释。

6.发展简便快速的自动反演方法，提高普查填图与快速深度评价效果

由于地面、航空重力磁力仪已能高精度测量场及其水平、垂直梯度，因此综合利用这些参数快速反演场源深度及其产状将是一个重要发展方向（管志宁，1996b）。

（1）发展综合场及其梯度的自动反演技术，提高快速反演精度

欧拉法利用总场及其梯度，依据欧拉齐次方程组确定场源的位置和深度，并可以得出一种构造指数对地质体进行识别，方法具有较强的适应性和灵活性。但由于欧拉法采用窗口滑动计算，可以得到一系列深度点，在众多的深度点中如何分辨和确定有效的深度点是提高欧拉法反演效果的关键。虽然有人提出一种消除劣质与虚假解，保留稳健解得拉普拉斯欧拉方法，使反演的深度点可靠性得到一定程度提高，但其精度和应用的局限性尚需进一步提高和扩展。

（2）研究总梯度模、梯度张量反演方法，充分发挥梯度信息的作用

由于总梯度模具有不受二维或少受磁化方向影响和较好反映浅部磁性体边界的特性，研究利用总体度模确定磁源深度、产状和进行地质填图的工作已受到人们的重视（管志宁，1997b）。重力归一化总体度方法在找油方面已取得一定效果。磁梯度张量开始于海军确定潜艇位置的研究，尚未受到人们的注意。随着梯度磁力重力测量成为可能，预期这方面的解释研究工作将会得到加强。