重力资料的地质解释及应用实例.ppt
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1、1/121,第六章 重力资料的地质解释及应用实例,地球科学与工程学院 E-mail:chunguan-,2/121,3/121,4/121,5/121,6/121,重力工作的基本流程,采集,外部校正,内部校正,处理,地质解释,布格异常,正 常 场 校 正,中 间 层 校 正,高 度 校 正,地 形 校 正,数 学 物 理 方 法,与仪器有关的校正,各类异常 平面剖面图,平滑,趋势分析,各类导数计算,上下延拓,地质解释,要获得地质解释的良好效果,一般应注意以下几方面的问题: 1 ) 分析与检查用于解释的基础资料-重力异常, 是否是所研究的地质因素引起的异常, 并且满足精度要求及必须的详细程度,
2、这是能否取得地质效果的前提条件。 2 ) 要研究和分析在一个工区内, 不同的研究对象引起的重力异常之间, 以及研究对象与非研究对象(或干扰因素)所引起的重力异常之间, 是否具有反映其特征的差异。,3 ) 对异常的解释一般是从“读图” 或异常识别开始。即使是研究局部构造或矿体的赋存情况, 都必须从区域地质环境入手, 先把握全局, 然后深入到局部。所以首先应对异常进行分区或分类, 分析研究各区(类)异常特征与区域地质环境可能的内在联系, 在此基础上才有可能对各区内的局部异常形成的地质因素做出合理的解释。 4 ) 对异常的解释必须遵循从已知到未知的原则。因为相近的地质条件引起的异常具有相似的特征,
3、所以在对局部异常的解释中, 可以遵循这个原则。,5 ) 鉴于重力异常的复杂性, 各种数据处理及解释方法又都有自身的局限性, 因此应针对解释的具体地质任务和条件选用相应的方法, 并通过试验确定有关的参数( 如延拓高度、滤波窗口大小等) , 从中选取效果最佳的解释方案。 6 ) 一方面, 应收集工区内相应的地质、钻探、物性和其他物( 化) 探资料, 尽可能地增加已知条件或约束条件, 限制反问题的多解性。另一方面, 只有综合其他物探方法的解释成果, 才能从不同侧面对引起异常的场源性质、产状等做出较为合理而正确的判断,为重力异常的解释提供印证、补充或修改。,7 ) 有条件时, 应对已解释的异常开展一定
4、的验证工作。这样做, 一方面可以评价解释的可靠性; 另一方面, 特别是在出现矛盾、解释失败时可以分析原因、寻找正确的答案, 并会更加深化对异常的解释和积累成功的经验, 以提高今后重力资料在地质解释中的成功率。,12/121,第一节 重力资料在研究地壳深部构造及地壳均 衡作用中的应用 第二节 重力资料在区域地质研究中的应用 第三节 应用实例,内容提要,13/121,第一节 重力资料在研究地壳深部构造及地壳均 衡作用中的应用,14/121,一、均衡的发现 1735年和1745年间,布格(Bouguer)领导的法国大地测量队,在秘鲁测量子午线的弧长,就是这一观测导致了均衡理论的发现。 他们认为,安第
5、斯山(Andes)对铅垂线会有一个水平引力,而这一引力会引起铅垂线方向发生局部变化。测量中发现,观测到的垂线偏差比理论上计算的、已知的安第斯山地形起伏引起的数值要小得多。,15/121,均衡的发现示意图,如果没有安第斯山(MA), 地下物质密度分布是均匀的, 则P 点的铅垂线方向如G1 所示。由于安第斯山(质量中心为O1)引力g1的作用, 铅垂线方向变为G2, 垂线偏差为1。实际上, 观测到的垂线偏差为2, 比理论上计算出的数值1 要小得多。这一现象可能是由于山下的质量亏损引起的。,16/121,1854年,英国学者普拉特在喜马拉雅山脉附近发现类似结果。根据地形计算,估计垂线偏差为28”,但实
6、际上只有5”。 上述两个现象说明下伏质量亏损。 1889年,Dutton引用“均衡”(isostasy)来解释这一现象。,17/121,二、均衡原理 在地下某个深度(称为补偿深度)的下面,地球内部的压力是流体静压力或静水压力,这就意味着在补偿深度处单位横截面上覆柱体的重量,必须完全是相等的;地球曲率的小的校正会造成一些差别。如果在地球的表面存在过剩的负载,如山脉,洋脊或冰帽,那么如果达到了均衡,在这个表面之下,补偿深度之上,一定存在一个等效的补偿质量的亏损;对于海洋,这样的亏损负载会出现相反的情况。,18/121,19/121,均衡是阿基米德原理在地球最上部地层的应用。均衡运动和其他类型的垂向
7、运动对于地壳的影响表明,横向流动可能出现在补偿深度之下相对弱的,称为软流圈的地区;而上覆的比较强的岩石圈,或由于弹性弯曲,或是由于断裂和流动,一定达到了均衡平衡。,20/121,三、均衡假说 1855年,地球物理学家提出了几种主要的均衡假说,每一种假说都试图解释补偿地表地形起伏的下伏质量分布的形态。,21/121,1、普拉特假说(Pratt,1855),假定在补偿深度之上, 地壳的密度是横向变化的, 这个变化依赖于上覆地形起伏的高程。均衡条件要求,式中: D 是补偿深度; h 是地形起伏的高度; 是下伏物质的密度。如果考虑地球的曲率, 需要一个小的校正。根据普拉特假说, 山脉的下方是异常低密度
8、的岩石, 并延伸到补偿深度; 而海洋下伏了密度比较高的岩石。地形高低不同的柱体, 其密度各不相同。美国大地测量学家Hayford 在20世纪初发展了这个假说, 他任意地把补偿深度取为113.7km。,22/121,普拉特地壳均衡模型,23/121,2、艾里假说(Airy,1855),假定地球最上部的地壳是一个低密度的“壳”, 上覆于一个高密度的底层,这个“壳” 及底层具有均匀的密度, 并假定比较硬的“壳” 或岩石圈漂浮在流体底层(即软流圈)上面(图5-17)。按照这个假说的最初的形式, 这个低密度壳的底部同于坚硬的岩石圈与软弱的软流圈之间的边界。由低密度壳的厚度变化实现这一补偿, 即山脉下伏了
9、比通常厚的地壳(一个山根), 而海洋下伏了比通常薄的地壳(一个反山根)。在忽略了地球曲率情况下的均衡条件为,式中: r 为山根的深度, h 是地形的高程, c 是“ 壳” 的密度, s 是底层的密度。艾里均衡补偿面与普拉特假说不同, 不是处在同一个深度上, 而是有一定起伏的曲面。,24/121,艾里地壳均衡模型,25/121,3、温宁-曼尼斯假说,26/121,27/121,28/121,四、均衡校正,进行均衡校正时, 首先要选定模式。从物理意义上看, 艾里模式较易为人们接受, 不过实际计算补偿时, 艾里与普拉特两种模式所得结果相差无几。其次要有全球的山高及海洋深度数据, 至于地壳平均厚度T或
10、D以及上地幔密度可由其他地球物理观测来给定。,29/121,均衡校正包括两方面内容: 第一步是将大地水准面以上多余的按正常地壳密度分布的物质全部“移去”, 即遍及全球的地形校正; 第二步是将这移去的质量全部“填补”到大地水准面以下至均衡补偿面之间(或是山根与反山根)的范围内。这项校正即是计算“移去”或“填补”的物质在测点处引起的引力铅垂分量, 即均衡校正值, 然后加到布格异常中去, 便得到均衡重力异常, 即,式中: gc 为均衡校正值。,30/121,五、均衡重力异常,如图表示了一种完全均衡状态下的均衡异常所代表的意义。它仅仅反映壳内密度不均匀体所产生的异常, 但由于均衡计算是在大面积内的平均
11、效应, 因而这些局部影响的总和就很小了。在完全均衡的条件下, 均衡异常接近于零, 即大地水准面以上 多出的物质正好补偿了大地水准面至均衡面之间缺失的物质。如果填补进去的物质数量超过了下面缺失的质量, 则壳内就有比正常密度分布时多余的物质存在, 此时均衡异常为正值。,31/121,从动力学观点看, 由于构造力使山脉隆升以后, 均衡力没有使地壳下界面达到足以补下图均衡补偿示意图偿山脉隆升的深度, 即“山根”不够深, 因而地壳未达到均衡, 同时这种情况称为补偿不足。如果填补进去的物质数量还不足以弥补下面质量的亏损, 则壳内这种亏损的质量将形成负的均衡异常,它说明地壳下界面已超过正常地壳的深度, 故这
12、种状态又称为补偿过剩。,均衡补偿示意图,32/121,均衡补偿示意图,由此可见, 所谓“补偿”, 系指山下的质量“亏损”对地表出现的多余的山的质量的补偿。按照艾里模式, 莫霍面在山下的凹陷补偿了山的隆起, 这样使地壳达到均衡。当莫霍面在山下的凹陷正好补偿了山的隆起(图M0情况)使地壳达到均衡时, 由下式,计算出的均衡重力异常gIS近于零。式中, gB为布格重力异常,IS为均衡校正值。当莫霍面的凹陷过深,“过剩”地补偿了山的隆起,计算出的均衡重力异常gIS小于零(图M-情况); 当莫霍面的凹陷过浅, 对于山的隆起的补偿“不足”, 计算出的均衡重力异常gIS大于零(图M+情况)。,33/121,均
13、衡补偿示意图,无论补偿不足或补偿过剩, 都是未达到均衡, 地壳将继续进行均衡调整, 用壳内质量的迁移, 如地壳密度的横向变化、上地幔密度的横向变化以及地壳厚度变化等, 来使它趋于均衡。,34/121,六、均衡异常分布特征与地壳运动的关系,35/121,36/121,37/121,38/121,大兴安岭太行山-武陵山重力梯度带,青藏高原周边重力梯度带,七、我国布格重力异常的基本特征及其与深部构造和天然地震分布规律的关系,39/121,据地壳均衡学说,山越高,山根就越深,即硅镁层(玄武岩类)越深,亦即莫氏面越深。 布格异常曲线和地形起伏形态有对应关系。地形越高,异常值越低,说明山越高,其山根越深,
14、亦即莫氏界面越深。,40/121,41/121,第二节 重力资料在区域地质研究中的应用,一、异常特征的描述 平面等值线图上: 区域性异常的走向及其变化方向、幅值; 重力梯度带的延伸及水平平均梯度及最大梯度; 局部异常弯曲、圈闭;对圈闭异常描述基本形状等轴、长轴、狭长带状;重力高或重力低、幅值大小;异常走向及其变化;,二、典型局部重力异常的可能解释,1、等轴状重力高 基本特征: 重力异常等值线圈闭成圆形或接近圆形, 异常值中心部分高, 四周低, 有极大值点。 相对应的规则几何形体: 剩余密度为正值的均匀球体, 铅直圆柱体, 水平截面接近正多边形的铅直棱柱体等。 可能反映的地质因素: 囊状、巢状、
15、透镜体状的致密金属矿体, 如铬铁矿、铁矿、铜矿等; 中基性岩浆( 密度较高) 的侵入体, 形成岩株状, 穿插在较低密度的岩体或地层中; 高密度岩层形成的穹窿、短轴背斜等; 松散沉积物下面的基岩( 密度较高) 局部隆起; 低密度岩层形成的向斜或凹陷内充填了高密度的岩体, 如砾石等。,2、等轴状重力低,基本特征: 重力异常等值线圈闭成圆形或近于圆形, 异常值中心低, 四周高, 有极小值点。 相对应的规则几何形体: 剩余密度为负的均匀球体, 铅直圆柱体, 水平截面接近正多边形的铅直棱柱体等。 可能反映的地质因素: 盐丘构造或盐盆地中盐层加厚的地段; 酸性岩浆( 密度较低)侵入体, 侵入在密度较高的地
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