重力勘探在区域地质研究中的应用

  引言

 

  重力勘探在区域地质勘查中广泛运用，本文主要分析重力勘探在区域地质的地热方面的运用。

 

  地热能的开发是全球经济、能源、环境可持续发展的重要组成部分。随着地热开发浪潮的日趋高涨，地热旅游业的持续升温，绿色能源的深入开发利用，深层地热开发利用成为地热开发的主流。物探技术是深部矿产勘探的主要技术。近年来，物探技术飞速发展，新兴技术不断涌现，为深部地热勘探提供了技术前提。  地热能是一种在开采利用时间上可人为控制的可再生资源，在现代种植业、水产养殖业、浴疗、供暖、旅游、皮革、酿造、干燥、发电等方面的应用价值和经济价值已逐步被人们理解和产生兴趣，地热能的开发是全球经济一能源一环境可持续发展的重要组成部分(宾德智，2000；阎敦实，2000)。目前，国外的地热资源开发与应用技术发展迅速，日本、美国和意大利等国家的热储温度已接近或超过300℃，并有专门的机构研究地热的开发和利用(周篁，2001)。我国的地热资源储量丰富，占全球热能活力的7．9％，发展前景广阔，但目前的开采量仅为可开采量的5．82％，开发我国的地热资源任重而道远(王秉忱，2001)。最近，随着大多数城市的缺水危机日趋严重、浅层地下水的限量开采以及旅游休闲热的持续增温，一股新的地热浪潮逐步席卷全国，在这股浪潮中，深层地热勘探已成为主角，这为地热勘探的发展带来了机遇，同时对地热勘探技术提出了更高的要求。

 

  本文主要介绍重力勘探在城市地热勘探中的应用。

 

  1、方法与原理

 

  重力勘探表明 , 随着地质年代的变老 , 地层、岩石密度有逐渐增大的普遍规律。布格重力异常正值与负值相间分布 , 基岩面起伏较大 , 其分布具有一定的规律: 在凸起区表现为正异常 , 在凹陷区则表现为负异常 , 并与两坳一隆的构造格局相一致。在重力异常密集线性带 , 一般都反映出断裂的位置。重力勘探工程布置考虑到测区的地质构造和地形地物布置了三条精测剖面，其中一条剖面向西加长延升至测区外围曾做过直流电测深的地方，点距 50m、100m 不等。重力观测使用加拿大SCINTREX公司产CG-3M型全自动微加重力仪，为了克服城市区及其附近车辆、人员等人文活动带来的振动对观测数据质量的影响，采集使用 1秒钟采样 1 分钟60个样值平均的形式记录，每个测点多次重复观测。

 

  城市区交通便利，基点只选一个，设在便于到达而且人文干扰较少相对稳定的地点，省去了布设基点网的工作。重力数据的处理分预处理和目标处理两步进行，预处理包括基点改正、正常场!纬度&改正、布格改正。由于测区地形平坦且没有足够大比例的地形图，没进行专门的地形改正工作。  预处理后得到重力布格异常，接着进行更深一步的处理—解释目标处理。解释目标处理包括以下几个方面：异常场的水平及垂向各阶导数的求取、趋势分析、频率域的局部场与区域场的分离、区域场场源体深度的提取和结合直流电测深的基岩顶界面的反演解释。作为寻找新生界地层全覆盖的基岩中凹中凸构造的目标处理，最为重要的是场源体深度的提取和基岩顶界面的反演，其它的处理只是一些辅助手段。

 

  1.1 场分离及场源体深度的提取

 

  勘探得到的位场是由局部场和基岩顶界面起伏引起的区域场两部分叠加合成的，一般地，区域场功率谱具有aExp（-2wH）的形式，而局部场具有bExp（-2wh）的形式。假设区域场与局部场是不相关的，根据最佳滤波器的设计原则有提取区域场的滤波响应为：

 

  其中k=b/a。

 

  上面的介绍说明场分离的关键是参数 k、H、h 的求取，其中参数H也称为区域场的视深度，称为基岩顶界面的平均深度，它通过得到的功率谱低频段的曲线拟合得到。

 

  1.2 基岩顶界面的反演

 

  界面的反演使用迭代技术并选用Gernard提出的方法，先选择一个参考平面Zo区域场(视  深度H)，界面相对参考面的偏差Zd与重力场的关系用下式表示:

 

  式中g是重力异常场，Vzz是重力异常场的一阶垂向导数。ZD向上为正ZO向下为负。用重力观测值及其一阶垂向导数代入上式可得初值界面:

 

  求取初值界面的重力异常，用它去减原始重力异常得到剩余值，将它代入(2)式求下一次的偏差ZD和界面深度。重复上面的步骤，判断上下两次的修正偏差是否满足精度要求，若满足要求输出界面值。

 

  为了判断反演界面是否正确，将它与已知的直流电测深解释界面比较，两种方法得到的界面一致说明反演终止。如果重力反演的界面相差较大，改变初始密度差δ再进行迭代反演。

 

  反演的界面模糊了界面的尖锐变化，对断层的判断解释不是最好的方法，借助重力异常场的水平、垂向导数和场的下延进行辅助解释得到了满意的效果。

 

  1.3 重力影像技术

 

  重力勘探技术是一项较为成熟的勘探技术广泛应用于资源勘探、基础地质调查、工程地质调查等领域。近年的理论研究和实践表明，重力资料在解译断裂构造巾可发挥很大的作用，对于3000米探度上30米断距的断层．利用50微伽精度的重力资料完全可以解泽出来．显然，对于埋藏深度较小的断层，高精度重力资料解译断层的能力会更强。

 

  对于断裂掏造勘探，重力勘探有吼下优势：

 

  是理论研究表明，重力勘探作为体积勘探技术，当断层切割多套密度层时，其重力效应等效于一条断层的新距拶大了其所切割地层数的相同倍数，因此，在常规的地球物理勘探方法技术中，重力勘探对断层构造的灵敏度最高；二是重力资料处理解释技术的进步，能够十分有效地提取出断裂构造的异常信息，现代信号处理中的边缘增强技术、模式识别技术、图像处理技术可以形象地将断裂构造的信息直观地展现在我们的面前，供我们分析和解释；三是利用重力勘探技术既可研究大的、深部的断裂构造，也可研究小的浅部的断裂构遗，只是后者的测阿密度应大些；四是在城区部署勘探重力勘探受人文干扰影响的程度较小，从而使得我们能够在人文干扰严重的地区能够取得台格的第一手资料。

 

  在获取信息的诸多方式中，人们70％的信息来源于图像．图像以其形象、直观的方式将多种信息展现出来．供人们进行分析、判断、解释。重力影像技术就是在重力教据处理技术上发展起来一类成像技术。在资料处理过程中为了突出异常．最大限度地挖掘解释信息。重力影像技术是将异常场(即位场)数据按较为合理的阿格密度转化为亮度(灰度)值，再以图像的方式显示出来．并在灰度圉的基础上，利用数据图像独有的处理方法如彩色罔、立体阴影图及褶积滤波等增强技术，通过对位场资料的图像增强处理，提取出原来难雎识别的信息，从而达到在资料处理过程中为了突出异常，最大限度地挖掘解释信息，深化资料解释的目的。重力影像技术的核心技术有：①伪彩色处理图像的伪彩色处理是图像增强的一种有效方法，因为人眼对彩色的色调和强度的分辨力比黑白的灰度级要强的多，伪彩色处理就是给不同的灰级值的像元赋予不同的颜色，得到一幅彩色图像，因而把人眼不易区分的微小的灰度差别，显示为明显的色彩差异，从而更易于信息的提取、识别和解释。②立体阴影处理立体阴影技术最早用于地形地貌图的增强。对于位场图像，其黑白灰级随场值而定构成一个曲面，类似于地形，在假想光源的照射下，表现出像卫片那样具有起伏、明暗变化的立体效果，尤其当场值有某种变化趋势(例如重力上的梯度带)时，这种趋势会以一种形似山谷或山峰一样的影像显示出来，更便于资料的解释。

 

  2、效果与应用

 

  图1是中间测线重力异常曲线，图中不带标记的实线是预处理后的布格重力异常，曲线比较平滑，而且与地形起伏不相关，对布格重力异常进行了多种半径的切割滤波处理，它们与处理前没有很大的变化，说明不经过专门的地改工作是确实可行的。图中虚线是切割半径为100m的奇异滤波处理前后的变化值，最大不超过400μgal，与地形相关度不大，它与重力异常相对应，变化剧烈处经其它处理（包括水平和垂向导数）表明它是断层的反映。

 

  三条测线重力异常场的区域场与局部场的分离处理知道它们的基岩顶界面的平均深度由南到北逐渐增大，分别是 880m、852m 和 831m，与测区地质特征符合。用它们作为界面反演的参考面深度Zo对三条测线数据进行了基岩顶界

 

  面的反演，反演对多个密度差进行了选择，最后得到使用352km/m3时反演界面与直流电测深结果一致。图2是反演得到的与图 1相同测线基岩顶界面形态图。图中可以看出元古界基岩埋藏深度表现为由西向东浅—深—浅的凹陷特征，凹陷位于 3000m~12000m 间 的 9000m 范围，它的盖层厚度大，约850m，是储热的有利条件之一。凹陷东部有一断层隆起带，突起的位置是距离10000m附近，它是地热形成的又一个有利条件。因此图2中F2 和F3间的断隆是利用重力勘探寻找到的形成地下热水的最佳地段。尽管距离13000m~15000m是测区一个比较大的突起，但由于盖层厚度较薄，仅500m左右，不能成为贮藏地热的有利部位。