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历史与基本原理

时间:2022-01-26 励志故事 版权反馈
【摘要】:航空重力测量长时间踯躅不前,有其深层次的原因。经过对比,这两种航空重力仪的性能相近。目前常用的标量测量的方案是将专门设计的航空重力仪或经过改装的海洋重力仪安装在飞机上,测量重力加速度和飞机加速度之和。因此,在注明毫伽与法定单位的关系后,我们采用毫伽、微伽为单位。
历史与基本原理_重磁与时间域电磁

9.1 历史与基本原理

9.1.1 历史

重力勘探从重力梯度测量开始。匈牙利物理学家罗兰德·冯·厄缶(Roland von E9tv9s,18481919)1890年设计、制造了后来以他的姓氏命名的扭秤,厄缶扭秤可以很精密地测量重力的水平梯度和等位面最大曲率与最小曲率之差,也就是测量重力位的几个二次导数和二次导数的线性组合,即Uxy、Uxz、Uyz和UΔ=UyyUxx,U代表重力位,重力位二次导数的单位是厄缶(用E表示,在有的文献中记作E9或E9t,1E=1×109/s2=1mgal/10km=0.1μgal/m=1nm/s2·m1),以纪念这位匈牙利物理学家。

20世纪10年代,在匈牙利、德国、捷克和斯洛伐克用厄缶扭秤圈定与油藏有关的盐丘,在斯洛伐克的爱格贝耳(Egbell)利用扭秤发现了石油,这可以说是重力勘探的开始(大约在1915年)。

美国于1922年引进厄缶扭秤,1924年就在德克萨斯发现了第一个大油田,20世纪20~30年代扭秤在美国普查石油工作中曾起过很重要的作用,在野外工作的扭秤数目大大超过一百台。苏联曾利用扭秤普查石油和其他矿产铁矿铬铁矿),取得了显著的效果。据报道,20世纪20年代,日本曾在我国辽宁抚顺煤矿进行扭秤测量,并写了一篇题为“满洲抚顺重力场”的文章,发表在日本的一本学术杂志上。后来在侵华时期,日本人又在我国一些地区进行过扭秤测量。

李四光先生最先将扭秤引进中国,我国在20世纪50年代也曾利用扭秤普查石油和铬铁矿。

作者在20世纪50年代学习地球物理勘探时,扭秤是重力勘探课程的内容之一。扭秤是一种十分精密的仪器,但它很笨重,工作效率很低,一天只能观测10个点左右,观测时对周围环境要求很严格,操作时要十分小心谨慎。作者在研究生毕业论文中,曾利用日本侵华时期日本人在我国宁芜地区一个矿区的扭秤观测资料进行定量解释,作为综合解释的一部分(自然电位、联合剖面、垂直磁力测量和日本人的扭秤观测数据)。

随着重力仪精确度的提高,其设计又很轻便,效率也较高,因此从20世纪50年代起,在重力勘探中,扭秤完全被重力仪取代。

因此我们可以说,重力勘探是从重力梯度测量开始的[1~5]。

重力测量在理论地球物理学、大地测量学、勘探地球物理学以及技术科学(如导航、航天等)方面有极其重要的作用,各国都投入巨资研究和开发重力测量的方法,特别是在活动平台上(卫星、飞机、船舰)测量重力的方法。经过30~40年的努力,在世纪之交,才取得突破性的进展。

航空重力测量长时间踯躅不前,有其深层次的原因。一方面,从理论上说,是不可逾越的等效原理。如果要用船只、飞机或其他活动平台测量地球的引力,必须考虑爱因斯坦(Einstein)广义相对论的一个基本原理——等效原理(The Principle of Equivalence,或称等价原理)。等效原理说,在一个封闭系统内的观测者不能分辨(区分)作用于他的力是引力还是他所在的整个系统正在做加速运动。也可以说,加速度造成的“重量感”与牛顿(Newton)万有引力定律定义的引力的效应完全相同。如果我们将一台重力仪安装在一个活动平台内进行重力测量,这台重力仪就是“封闭系统内的观测者”,它感受引力和惯性力的作用,但不能区分引力和惯性力。如果要测出我们想得到的地球引力值,必须设法测出并消除活动平台的惯性力。在勘探地球物理学中,我们感兴趣的是重力加速度g的微小变化,即重力异常Δg,Δg只有g的百万分之一。另一方面,运动平台的加速度则比上述Δg要大很多,而且运动平台还要受科里奥利力的影响,由此显现厄缶效应,需要做厄缶校正,厄缶校正值也比Δg大很多。在地面的台站和测点上进行静态重力测量时,没有上述两方面的影响,但也是一件困难的事情,而在运动平台上进行动态重力测量,则是难上加难。由此不难理解,航空重力测量为什么姗姗来迟。

经过半个多世纪特别是近十多年的飞跃发展,航空重力测量与航空重力梯度测量成为航空地球物理测量的重要方法,从工作量可证明这一论断。

现在至少有10家公司从事航空重力测量工作,使用45套5种类型的重力仪,使用最广泛的是加拿大Sander公司的航空惯性参考重力仪AIRGrav和加拿大Micro重力公司(Canadian Micro Gravity,CMG)的GT1A和GT2A重力仪(源于俄罗斯技术)。经过对比,这两种航空重力仪的性能相近。近年来,为了勘查矿产、油气和地质填图,每年航空重力测量的工作量大约为1.1×106测线公里。

从1999—2008年,两个航空重力梯度测量系统FALCONTM和AirFTGTM(共约十套)累计飞行了两百多万测线公里,大部分是由FALCONTM系统完成的。近年来,每年航空重力梯度测量的工作量大约为30万测线公里。

重力勘探从用厄缶扭秤测量重力梯度开始,后来由重力仪代替,经过近一个世纪,现在又回到了梯度测量,梯度测量复甦了,厄缶扭秤和重力仪飞天了[6~8]。

9.1.2 航空重力测量的基本原理

航空重力测量可分为标量测量、矢量测量和梯度测量(测量测点上重力矢量的空间变化率)。目前常用的标量测量的方案是将专门设计的航空重力仪或经过改装的海洋重力仪安装在飞机上,测量重力加速度和飞机加速度之和。现在利用由GPS确定的飞机的位置、速度和加速度的结果,减去与飞机运动有关的影响(以前利用其他方法确定上述参数,精度不高,在此不赘述)。在一定高度上自由空气异常Δg可由下式得出:

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式中:g是测得的重力值,hGPS是椭球高度,CEot是厄缶校正,γo是正常(椭球的)重力,N是大地水准面高度,上式最后一项代表正常重力随高度的变化。图91可以帮助我们了解航空重力测量技术。

我们要说明一点,关于重力加速度的单位,现在几乎所有的外文文献仍然使用伽(gal)、毫伽(mgal)、微伽(μgal),1mgal=105 m/s2。因此,在注明毫伽与法定单位的关系后,我们采用毫伽、微伽为单位。

飞机的加速度很大,可以达到1m/s2,即100 000mgal,比我们感兴趣的重力信号高100~1000倍,甚至更高。要从这样强的干扰背景中分离出有用信号Δg,显然是一个大难题。以往使用的测定飞机运动轨迹的各种技术,不能很精确地测出飞机的加速度(式9.1第二项),这是长久以来航空重力测量技术不能取得突破的主要原因。

在转动着的地球上,运动平台上的重力仪要受厄缶效应的影响,因此需要做厄缶校正,对于船只来说,速度较低。

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式中:v是船速(以km/h为单位),φ是纬度,α是航向。厄缶校正的数值在+50~50mgal之间。飞机的速度很快,需要用另外的精确厄缶校正公式[9~10],厄缶校正的数值在+1000~1000mgal之间,要得到精确的校正的数值,必须准确测定飞机的速率和航向,这也是一个重要的问题。

在20世纪90年代,由于差分模式全球定位系统(DGPS)技术的出现,能够十分精确地确定飞机的运动轨迹,可以对重力仪(或加速度计)测到的加速度值进行精确的改正,同时采用合适的低通滤波技术,可以获得精度很高的(n×101 mgal或更高)重力异常值。

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图9-1 航空重力测量示意图

(引自GFZ Deutsches GeoForschungs Zentrum德国地学研究中心ANGEL计划)

T=GPS轨迹;g=相对重力扰动(异常);GB=总的垂直加速度(用LCRS124b测得)(LaCoste &Romberg airborne gravity meter);FB=飞机垂直加速度(GPS);VS=垂直重力扰动;VS=GBFB

因此,在世纪之交,航空重力测量发生了革命性的变化[11]

在这里,我们要讨论一下分辨力(resolution)的含义。分辨力指区分两个非常靠近的细部特征的能力。对于重力测量,重力异常的大小或规模由异常的幅度(以mgal为单位)和宽度(以km或m为单位)综合起来评估,从波数域观点来看,异常的宽度大约等于波长的一半。对于连续测量的航空重力测量来说,取样间距为50~200m,波长分辨力取决于处理过程的滤波特性。为了抑制波长短、幅度高的噪声,对于根据式(9.1)计算出来的异常,还要经过低通滤波。一般取低通滤波器半幅值点对应的波长为波长分辨力。空间分辨力和半波长是一个意思。对于油气和矿产勘查来说,要求航空重力测量具有高分辨力,要求全波长分辨力为10~20km。目前,测量地球重力的卫星,如CHAMP、GRACE、GOCE,全波长分辨力为100~500km[12~13]。

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