引言

 

  重力勘探在區(qū)域地質(zhì)勘查中廣泛運用，本文主要分析重力勘探在區(qū)域地質(zhì)的地熱方面的運用。

 

  地熱能的開發(fā)是全球經(jīng)濟、能源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。隨著地熱開發(fā)浪潮的日趨高漲，地熱旅游業(yè)的持續(xù)升溫，綠色能源的深入開發(fā)利用，深層地熱開發(fā)利用成為地熱開發(fā)的主流。物探技術(shù)是深部礦產(chǎn)勘探的主要技術(shù)。近年來，物探技術(shù)飛速發(fā)展，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為深部地熱勘探提供了技術(shù)前提。  地熱能是一種在開采利用時間上可人為控制的可再生資源，在現(xiàn)代種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、浴療、供暖、旅游、皮革、釀造、干燥、發(fā)電等方面的應用價值和經(jīng)濟價值已逐步被人們理解和產(chǎn)生興趣，地熱能的開發(fā)是全球經(jīng)濟一能源一環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分(賓德智，2000；閻敦實，2000)。目前，國外的地熱資源開發(fā)與應用技術(shù)發(fā)展迅速，日本、美國和意大利等國家的熱儲溫度已接近或超過300℃，并有專門的機構(gòu)研究地熱的開發(fā)和利用(周篁，2001)。我國的地熱資源儲量豐富，占全球熱能活力的7．9％，發(fā)展前景廣闊，但目前的開采量僅為可開采量的5．82％，開發(fā)我國的地熱資源任重而道遠(王秉忱，2001)。最近，隨著大多數(shù)城市的缺水危機日趨嚴重、淺層地下水的限量開采以及旅游休閑熱的持續(xù)增溫，一股新的地熱浪潮逐步席卷全國，在這股浪潮中，深層地熱勘探已成為主角，這為地熱勘探的發(fā)展帶來了機遇，同時對地熱勘探技術(shù)提出了更高的要求。

 

  本文主要介紹重力勘探在城市地熱勘探中的應用。

 

  1、方法與原理

 

  重力勘探表明 , 隨著地質(zhì)年代的變老 , 地層、巖石密度有逐漸增大的普遍規(guī)律。布格重力異常正值與負值相間分布 , 基巖面起伏較大 , 其分布具有一定的規(guī)律: 在凸起區(qū)表現(xiàn)為正異常 , 在凹陷區(qū)則表現(xiàn)為負異常 , 并與兩坳一隆的構(gòu)造格局相一致。在重力異常密集線性帶 , 一般都反映出斷裂的位置。重力勘探工程布置考慮到測區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和地形地物布置了三條精測剖面，其中一條剖面向西加長延升至測區(qū)外圍曾做過直流電測深的地方，點距 50m、100m 不等。重力觀測使用加拿大SCINTREX公司產(chǎn)CG-3M型全自動微加重力儀，為了克服城市區(qū)及其附近車輛、人員等人文活動帶來的振動對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，采集使用 1秒鐘采樣 1 分鐘60個樣值平均的形式記錄，每個測點多次重復觀測。

 

  城市區(qū)交通便利，基點只選一個，設(shè)在便于到達而且人文干擾較少相對穩(wěn)定的地點，省去了布設(shè)基點網(wǎng)的工作。重力數(shù)據(jù)的處理分預處理和目標處理兩步進行，預處理包括基點改正、正常場!緯度&改正、布格改正。由于測區(qū)地形平坦且沒有足夠大比例的地形圖，沒進行專門的地形改正工作。  預處理后得到重力布格異常，接著進行更深一步的處理—解釋目標處理。解釋目標處理包括以下幾個方面：異常場的水平及垂向各階導數(shù)的求取、趨勢分析、頻率域的局部場與區(qū)域場的分離、區(qū)域場場源體深度的提取和結(jié)合直流電測深的基巖頂界面的反演解釋。作為尋找新生界地層全覆蓋的基巖中凹中凸構(gòu)造的目標處理，最為重要的是場源體深度的提取和基巖頂界面的反演，其它的處理只是一些輔助手段。

 

  1.1 場分離及場源體深度的提取

 

  勘探得到的位場是由局部場和基巖頂界面起伏引起的區(qū)域場兩部分疊加合成的，一般地，區(qū)域場功率譜具有aExp（-2wH）的形式，而局部場具有bExp（-2wh）的形式。假設(shè)區(qū)域場與局部場是不相關(guān)的，根據(jù)最佳濾波器的設(shè)計原則有提取區(qū)域場的濾波響應為：

 

  其中k=b/a。

 

  上面的介紹說明場分離的關(guān)鍵是參數(shù) k、H、h 的求取，其中參數(shù)H也稱為區(qū)域場的視深度，稱為基巖頂界面的平均深度，它通過得到的功率譜低頻段的曲線擬合得到。

 

  1.2 基巖頂界面的反演

 

  界面的反演使用迭代技術(shù)并選用Gernard提出的方法，先選擇一個參考平面Zo區(qū)域場(視  深度H)，界面相對參考面的偏差Zd與重力場的關(guān)系用下式表示:

 

  式中g(shù)是重力異常場，Vzz是重力異常場的一階垂向?qū)?shù)。ZD向上為正ZO向下為負。用重力觀測值及其一階垂向?qū)?shù)代入上式可得初值界面:

 

  求取初值界面的重力異常，用它去減原始重力異常得到剩余值，將它代入(2)式求下一次的偏差ZD和界面深度。重復上面的步驟，判斷上下兩次的修正偏差是否滿足精度要求，若滿足要求輸出界面值。

 

  為了判斷反演界面是否正確，將它與已知的直流電測深解釋界面比較，兩種方法得到的界面一致說明反演終止。如果重力反演的界面相差較大，改變初始密度差δ再進行迭代反演。

 

  反演的界面模糊了界面的尖銳變化，對斷層的判斷解釋不是最好的方法，借助重力異常場的水平、垂向?qū)?shù)和場的下延進行輔助解釋得到了滿意的效果。

 

  1.3 重力影像技術(shù)

 

  重力勘探技術(shù)是一項較為成熟的勘探技術(shù)廣泛應用于資源勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。近年的理論研究和實踐表明，重力資料在解譯斷裂構(gòu)造巾可發(fā)揮很大的作用，對于3000米探度上30米斷距的斷層．利用50微伽精度的重力資料完全可以解澤出來．顯然，對于埋藏深度較小的斷層，高精度重力資料解譯斷層的能力會更強。

 

  對于斷裂掏造勘探，重力勘探有吼下優(yōu)勢：

 

  是理論研究表明，重力勘探作為體積勘探技術(shù)，當斷層切割多套密度層時，其重力效應等效于一條斷層的新距拶大了其所切割地層數(shù)的相同倍數(shù)，因此，在常規(guī)的地球物理勘探方法技術(shù)中，重力勘探對斷層構(gòu)造的靈敏度最高；二是重力資料處理解釋技術(shù)的進步，能夠十分有效地提取出斷裂構(gòu)造的異常信息，現(xiàn)代信號處理中的邊緣增強技術(shù)、模式識別技術(shù)、圖像處理技術(shù)可以形象地將斷裂構(gòu)造的信息直觀地展現(xiàn)在我們的面前，供我們分析和解釋；三是利用重力勘探技術(shù)既可研究大的、深部的斷裂構(gòu)造，也可研究小的淺部的斷裂構(gòu)遺，只是后者的測阿密度應大些；四是在城區(qū)部署勘探重力勘探受人文干擾影響的程度較小，從而使得我們能夠在人文干擾嚴重的地區(qū)能夠取得臺格的第一手資料。

 

  在獲取信息的諸多方式中，人們70％的信息來源于圖像．圖像以其形象、直觀的方式將多種信息展現(xiàn)出來．供人們進行分析、判斷、解釋。重力影像技術(shù)就是在重力教據(jù)處理技術(shù)上發(fā)展起來一類成像技術(shù)。在資料處理過程中為了突出異常．最大限度地挖掘解釋信息。重力影像技術(shù)是將異常場(即位場)數(shù)據(jù)按較為合理的阿格密度轉(zhuǎn)化為亮度(灰度)值，再以圖像的方式顯示出來．并在灰度圉的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)圖像獨有的處理方法如彩色罔、立體陰影圖及褶積濾波等增強技術(shù)，通過對位場資料的圖像增強處理，提取出原來難雎識別的信息，從而達到在資料處理過程中為了突出異常，最大限度地挖掘解釋信息，深化資料解釋的目的。重力影像技術(shù)的核心技術(shù)有：①偽彩色處理圖像的偽彩色處理是圖像增強的一種有效方法，因為人眼對彩色的色調(diào)和強度的分辨力比黑白的灰度級要強的多，偽彩色處理就是給不同的灰級值的像元賦予不同的顏色，得到一幅彩色圖像，因而把人眼不易區(qū)分的微小的灰度差別，顯示為明顯的色彩差異，從而更易于信息的提取、識別和解釋。②立體陰影處理立體陰影技術(shù)最早用于地形地貌圖的增強。對于位場圖像，其黑白灰級隨場值而定構(gòu)成一個曲面，類似于地形，在假想光源的照射下，表現(xiàn)出像衛(wèi)片那樣具有起伏、明暗變化的立體效果，尤其當場值有某種變化趨勢(例如重力上的梯度帶)時，這種趨勢會以一種形似山谷或山峰一樣的影像顯示出來，更便于資料的解釋。

 

  2、效果與應用

 

  圖1是中間測線重力異常曲線，圖中不帶標記的實線是預處理后的布格重力異常，曲線比較平滑，而且與地形起伏不相關(guān)，對布格重力異常進行了多種半徑的切割濾波處理，它們與處理前沒有很大的變化，說明不經(jīng)過專門的地改工作是確實可行的。圖中虛線是切割半徑為100m的奇異濾波處理前后的變化值，最大不超過400μgal，與地形相關(guān)度不大，它與重力異常相對應，變化劇烈處經(jīng)其它處理（包括水平和垂向?qū)?shù)）表明它是斷層的反映。

 

  三條測線重力異常場的區(qū)域場與局部場的分離處理知道它們的基巖頂界面的平均深度由南到北逐漸增大，分別是 880m、852m 和 831m，與測區(qū)地質(zhì)特征符合。用它們作為界面反演的參考面深度Zo對三條測線數(shù)據(jù)進行了基巖頂界

 

  面的反演，反演對多個密度差進行了選擇，最后得到使用352km/m3時反演界面與直流電測深結(jié)果一致。圖2是反演得到的與圖 1相同測線基巖頂界面形態(tài)圖。圖中可以看出元古界基巖埋藏深度表現(xiàn)為由西向東淺—深—淺的凹陷特征，凹陷位于 3000m~12000m 間 的 9000m 范圍，它的蓋層厚度大，約850m，是儲熱的有利條件之一。凹陷東部有一斷層隆起帶，突起的位置是距離10000m附近，它是地熱形成的又一個有利條件。因此圖2中F2 和F3間的斷隆是利用重力勘探尋找到的形成地下熱水的最佳地段。盡管距離13000m~15000m是測區(qū)一個比較大的突起，但由于蓋層厚度較薄，僅500m左右，不能成為貯藏地熱的有利部位。