楊亞斌, 荊 磊, 徐夢龍, 韓革命, 邱隆君, 吳新剛,郜曉亮, 郝國江, 孫誠業(yè), 張光之, 蘇振寧

(1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所,廊坊 065000 2.國家現代地質勘查工程技術研究中心,廊坊 065000 3.海洋油氣勘探國家工程研究中心,北京 100028)

0 引言

地球重力場是地球系統(tǒng)物質屬性產生的一個最基本的物理場，其靜態(tài)和動態(tài)(時變)特征反映了地球內部和表層物質的分布變化和運動狀態(tài)，重力場觀測數據為地球內部結構和地球動力學等研究提供基礎觀測信息[1-4]，它是重力勘探的理論基礎[5]。重力勘探是測量與圍巖有密度差異的地質體在其周圍引起的重力異常，以確定這些地質體存在的空間位置大小和形狀從而對工作地區(qū)的地質構造做出判斷的一種地球物理勘探方法。

自從十九世紀三十年代重力被用于地質勘探以來，重力勘探經過幾十年的發(fā)展，已經取得巨大成就。我國1936年首次利用重力扭秤探測鉛鋅礦，之后的很長一段時間，重力勘探的主要應用領域是油氣和固體礦產勘查[6-10]。1967年物化探所完成我國第一個物探應用程序“礦區(qū)規(guī)則網重力測量地形改正”的手編程序[11]。1979年區(qū)域重力調查列入中國地質工作計劃，開始系統(tǒng)開展區(qū)域重力調查工作，不斷完善調查方法與提高我國陸域重力調查工作程度[12-13]。近些年，隨著重力勘探儀器、觀測方法、測量方式、數據處理技術及解釋方法的發(fā)展，重力勘探更是邁向了一個新的階段。筆者以重力勘探儀器設備、觀測方法、數據處理與解釋技術為出發(fā)點，對重力勘探技術在國內地學的應用研究現狀進行總結和展望。

1 重力儀現狀

陸域重力儀包括有相對重力儀和絕對重力儀。

1.1 相對重力儀

最早的重力測量儀器以擺儀和扭秤為主,1890年出現了最早的測量重力變化率的扭秤，哈特利(Hartley)[13]、格拉夫(A.Graf)[13]以垂直彈簧秤為基礎研制出了杠桿彈簧扭秤系統(tǒng)，由此誕生了德國阿斯卡利亞(Askania)GS 型重力儀。在1939年制造出第一臺可以工作的拉科斯特(LaCoste)金屬彈簧重力儀，1947年美國的沃登(Sam.P.Worden)[13]研制成功了自動石英彈簧重力儀，此后其他制造商以同樣的原理生產了類似的石英彈簧重力儀，如加拿大 Scintrex 公司的CG型和蘇聯(lián)的GAK型重力儀。目前，Scintrex公司的CG-6型全自動石英彈簧重力儀測量精度優(yōu)于0.005×10-5m/s2，成為世界主流的相對重力儀[5,13-14]。

在國內，地面相對重力儀主要是由中國地質裝備集團公司北京奧地探測儀器公司研發(fā)和生產的ZSM系列重力儀，采用機械調零式石英彈簧傳感器。1975年，北京地質儀器廠生產的ZSM-3型重力儀投入批量生產。目前最新的重力儀已經實現0.001×10-5m/s2讀數分辨率，重復性達到0.005×10-5m/s2，殘余長期漂移<0.1×10-5m/s2，部分指標已經接近CG-5型重力儀水平。1994年物化探所研制了淺海重力測量系統(tǒng)，填補了我國在此方面的空白[11]。

1.2 絕對重力儀

1946年伏萊(C.Colet)[23]提出應用自由落體原理測定絕對重力值，并在1952年實現了±10.0×10-5m/s2精度絕對重力儀。1980年代后，法拉(J.E.Faller)[24]在之前基礎上制成了JILA型輕便絕對重力儀，此后不斷改進，于1993年研制出新一代商業(yè)化可移動式FG5型絕對重力儀，精度可達±0.001×10-5m/s2～0.002×10-5m/s2，目前該產品已升級到FG5-X。

中國計量科學研究院從1960年代開始，先后研制了NIM型系列絕對重力測量儀器[15-17]；清華大學研制了T-2等號型絕對重力儀[18]等。此外，中國地震局研制了新型激光干涉絕對重力儀，上述儀器精度可達0.005×10-8m/s2～0.010×10-8m/s2左右[19-20]。2002年開始，浙江工業(yè)大學、浙江大學、華中科技大學等單位研發(fā)基于激光干涉法的自由落體原理，原子絕對重力儀。近年來，絕對重力儀在小型化、儀器的測量精度和測量靈敏度等性能得以較快提升[21-22]。

2 方法技術現狀

2.1 測地工作

重力勘探的前身是研究地球形狀的重力測量學，它與測量學緊密相連，測繪技術的發(fā)展也促進著重力勘探技術進步。

2.1.1 坐標系統(tǒng)與高程系統(tǒng)

重力勘探工作必須用到坐標和高程資料，而大地坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)是一個國家最基本、最重要的兩個大地測量基準。我國重力勘探初期，采用了1954年北京坐標系[25]和1956年黃海高程系統(tǒng)[29]，1990年又啟用了1980西安坐標系[25]和1985國家高程基準[29]。從2008年7月起，中國啟用了新一代國家大地坐標系-2000國家大地坐標系[25](China Geodetic Coordinate System 2000， CGCS 2000)。

重力勘探工作所采用的坐標系統(tǒng)與高程系統(tǒng)也在不斷更新，最新的行業(yè)標準《區(qū)域重力調查規(guī)范》(DZ/T 0082-2021)[27]也提出了新的區(qū)域重力調查技術要求：統(tǒng)一采用2000國家重力基本網系統(tǒng)；統(tǒng)一采用2000國家大地坐標系和大地高程基準；統(tǒng)一采用CGCS2000橢球面正常重力公式計算正常重力值。

2.1.2 點位測量技術

重力勘探工作中測地工作的主要任務是布設測網,確定測點和各級重力基點的平面位置和高程。其工作方法，已由地形圖定點，水準、氣壓測高和航片定點測高等傳統(tǒng)方法技術發(fā)展為全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)進行三維坐標測量。

通常區(qū)域重力調查測點平面位置和高程使用GNSS接收機測定，采用包括快速靜態(tài)測量、實時動態(tài)測量(RTK)以及其他滿足精度要求的測量方法[27-28]?？刂泣c的聯(lián)測方法為載波相對定位測量(靜態(tài)定位)，測量控制點應由已知GNSS控制點引出，布網方式根據需要可采用三角網、單三角形、附合導線網等，測網至少應該包含2個已知GNSS控制點。

2.2 重力測量工作

2.2.1 重力基準網現狀

全球重力基準是將全球相對重力測量納入統(tǒng)一系統(tǒng)的基礎。其發(fā)展經歷了三個主要的系統(tǒng)：維也納重力系統(tǒng)、波茨坦重力系統(tǒng)和國際重力標準網1971[3]。

1956年在前蘇聯(lián)國家重力測量隊的協(xié)助下，我國建立了第一個國家重力基準網，由21個基本重力點和82個一等重力點組成，基本點精度優(yōu)于±0.32×10-5m/s2，一等點精度優(yōu)于±0.40×10-5m/s2，稱為1957國家重力基準[26]。1985年我國完全自主地重新建立了國家重力基準，由6個基準重力點、46個基本重力點和5個引點組成，精度為±0.015×10-5m/s2，稱為1985國家重力基本網[26]。2000年左右我國又完成了全國分布的295個重力基本點的高精度測量和數據處理，建立精度為±0.0074×10-5m/s2的2000國家重力基本網[26]。2017年～2019年建立了新一代重力基準網(尚未正式發(fā)布)。

2.2.2 重力測量

野外重力數據測量為基點-測點-基點的單程閉合方法?；c網采用雙程往返(精度較高儀器)或三程小循環(huán)法(精度較低儀器)[27]。

2.2.3 地形改正

在重力勘探數據精度評價中，地形起伏的影響是個不可忽略的問題[30]。

1)近區(qū)地形改正(0 m～50 m)。近區(qū)地形改正值的獲取，已從目估法發(fā)展到儀器測量法。用于近區(qū)地形改正的儀器主要有森林羅盤儀[31]、激光測距儀[32-35]和高精度GNSS[31,34]。目前，已有學者進行無人機激光掃描獲取地形數據，利用棱柱公式進行近區(qū)地形改正試驗，另外，還有一些學者利用大比例尺高精度DEM數據進行近區(qū)地形改正試驗。

2)中區(qū)地形改正(50 m～2 000 m)。中區(qū)地形改正技術發(fā)展很快，以DEM高程數據基礎，利用共用點法、表面積分法和三棱錐體元剖分法計算地形改正值[36]。此外，對湖泊水體的改正也有研究試驗[33]。

3)遠區(qū)地形改正(2 000 m～166 700 m)。遠一區(qū)(2 000 m～20 000 m)地形改正采用平面公式計算地形改正值，使用1 km×1 km高程節(jié)點網按狹義地形改正(相對測點)和有限中間層(指20 km以內)模式計算；遠二區(qū)(20 km～166.7 km)地形改正因包含中間層改正又稱為廣義地形改正,采用5′×5′平均高程用計算機完成[38-39]。

遠區(qū)地形改正計算涉及大量的高程數據，方法技術進展緩慢，影響重力勘探數據總精度進一步提高，急需高程數據的更新和方法研究。

2.3 數據預處理

2.3.1 正常場改正公式

在重力勘探的工作中以往用過的正常場改正公式有1901～1909赫爾墨特公式、1930卡西尼公式、(IAG)推薦的1980公式。隨著2000 國家大地坐標系(CGCS2000)的啟用，重力正常場改正公式也須更新[40-41]。最新的行業(yè)標準《區(qū)域重力調查規(guī)范》(DZ/T 0082-2021)也提出了新的采用2000橢球面正常重力公式計算正常重力值[27]。

2.3.2 布格改正

高度改正、中間層改正計算公式所用的高程由1985高程基準改進為CGCS2000橢球大地高，減去了正高和大地高之間物質產生的重力值，使重力勘探工作使用的布格異常更加清晰、準確地反映了地質目標意義[42-44]。

2.4 數據處理

野外獲取的重力數據經過零點漂移校正、固體潮校正、緯度校正(正常場改正)、布格校正(高度改正和中間層改正)和地形校正等預處理，得到反映地下密度異常體分布的布格重力異常[5,27,45]。

由于布格重力異常是地下所有的密度不均勻體引起的疊加異常，重力數據處理的目的是從疊加異常中分離或突出目標體引起的重力異常，使其產生的信息更易于識別和辨認。重力數據處理和反演是后期地質解釋的關鍵[46-48]。

2.4.1 異常分離

為了獲得勘探目標地質體引起的異常，通常需要對重力異常進行異常分離。能否正確提取出目標異常，決定著反演結果是否可靠。正是由于異常分離的重要性，多年來很多地球物理學者都致力于尋找更優(yōu)的異常分離方法[5,48,49]。

國內、外的地球物理工作者[50-83]提出了多種區(qū)域和剩余異常分離方法，主要包括圖形法、 趨勢分析法、濾波法(向上延拓法、匹配濾波、小波變換)、統(tǒng)計法、剝皮法等方法。

圖形法是最早使用的方法，缺點是主觀性比較大，常用于剖面數據處理，對于大量的平面數據難以實現。

Agocs[50]提出了基于最小二乘擬合的趨勢分析方法,之后大量關于多項式擬合的方法及其改進方法被提出，這些方法包括采用正交多項式擬合，有變階滑動趨勢分析法、篩選-趨勢分析法[53-55]。趨勢分析法的結果好壞直接取決于所選取數學模型與實際區(qū)域異常的逼近程度。

濾波是一種很寬泛的概念，Dean[51]提出了重磁處理中的線性濾波理論，認為二階導數、解析延拓、圓滑等可以被認為是濾波。隨著計算機的廣泛應用，快速傅立葉變換被引入到地球物理數據處理中，學者們設計了各種理想濾波器，推導了基于傅里葉變換和采樣理論的新的卷積濾波系數，波數域濾波方法逐漸成為主流[56-60]。常用的濾波主要有：

1)垂向二階導數法常被用來提取埋藏淺的局部異常。Evjen[52]利用垂向一階導數與垂向二階導數處理并解釋了重力資料。之后，眾多學者提出了關于垂向二階導數在空間域的近似計算公式[61-63]。目前，導數的計算在波數域中被廣泛的研究與應用。

2)解析延拓法是將獲得的測區(qū)重力異常，利用相關的數學算法變換到更高或更低的觀測面，以實現區(qū)域異常與局部異常的分離。最初由Peters[59-64]提出，他認為延拓可以對不同波長的信號進行增強或衰減。之后，眾多學者對方法進行完善與發(fā)展[65-70]。

3)匹配濾波，位場信號的各頻段成分不相關時，擬合對數功率譜并計算直線斜率和截距，確定匹配濾波因子，實現深源場和淺源場的分離。1970年Spector[71]等首先根據磁異常的功率譜設計了匹配濾波器來分離不同深度場源產生的異常。之后，學者們不斷完善、推進該方法[72-78]。

4)利用小波多尺度分析方法，將重力異常分解到不同尺度空間中，尺度大小表示了異常所反映的地質體規(guī)模和埋深的大小。湯井田[79]將小波變換引入重磁數據處理。Fedi[80]利用小波變換的多尺度分析，用不同分量的組合來代表區(qū)域場和局部場。隨著技術推進，利用小波變換把重力異常進行多重分解，在一定程度上將頻譜互相重疊的異常提取出來，獲得地殼三維密度結構的更多細節(jié)[82-83]。

剝皮法是由Hammer[83]提出的，即在淺層的構造已經很清楚的前提下，通過正演獲得其異常，再從觀測異常中減去這一部分異常，從而獲得深層的信息。有大量的地質資料或鉆孔、地震資料的控制，效果很好[84-86]。

2.4.2 邊界識別

邊界識別技術主要是對異常體的水平位置進行定位。在研究地質目標體的橫向不均勻性特別是地質目標體邊緣位置時，重、磁位場有其獨特的優(yōu)勢。位場源邊界識別方法包括：梯度運算類、數理統(tǒng)計類、其它類等，以前兩者發(fā)展及應用最為廣泛[79]。

梯度運算類是通過對位場進行梯度計算(或組合)，放大高頻成份增強邊界信息的識別，該類方法發(fā)展快速、應用廣泛[88]。Evjen[89]提出利用垂向導數識別地質體邊界信息；Cordell[90]認為梯度模的極大值對目標體的邊界有較好的指示效應；王萬銀等[91]利用n階垂向導數峰值及其比值對邊界信息的有效提??；之后，其他學者進一步提高了該類方法的邊界識別效果[92-94]。Nabighina[95-96]認為針對二維位場數據的解析信號與磁化方向無關；Nabighina與Roest[96-97]提出三維解析信號能提供有效的場源邊界信息，Miller和Singh等[98]將解析信號相位的概念引入了邊緣識別，提出傾斜角(Tilt Angle)法；隨后，學者們對傾斜角法展開研究[99-104]；Wijns等[105]首次利用解析信號振幅對總水平導數進行歸一化，提出了θ圖法；周文納等[106]于幾何意義上對傾斜角法與Theta map法實現了統(tǒng)一；陳安國等[107]基于Theta圖法進行了改進，實現了深部和淺部邊界的均衡。

數理統(tǒng)計運算方法，壓制噪聲干擾并且結果相對穩(wěn)定。楊高印等[108]提出小子域濾波方法進行異常的分離。之后，其他學者進行了該方法的改進[109-111]；Cooper等[112]首次提出了歸一化標準差；張恒磊等[113]提出各向異性標準化方差法；王彥國等[114]提出歸一化差分法，在邊界定位及識別能力方面體現出優(yōu)勢性；徐夢龍等[115]提出各方向均方差相關系數法；Du等[116]提出基于滑動窗口的垂向導數平均值與其標準差的相關系數法。

其他類方法包括多尺度信號分析、結果圖像的檢測、加強等，也在不斷發(fā)展。朱保健[117]利用小波模極大值進行位場的邊界信息加強；楊文采、孫艷云、付麗華等[118-120]利用譜矩的位場幾何特征對弧形特征的有效刻畫；夏玲燕等[121]將非線性濾波技術與斜導數及其水平導數進行有效結合，實現弱信息加強及線性構造的提??；趙希剛等[122]利用圖像細化技術對斷裂帶信息的窄化處理；肖鋒等[123]利用Canny邊界檢測算子對斜導數法結果圖中的邊界信息提??；陳濤[124]提出Harris 濾波器技術，在提取邊界的同時抑制噪聲；張雙喜等[125]結合二維經驗模態(tài)分解與小波模極大值，對位場數據多尺度分解及各尺度異常邊界檢測；張志厚等[126]提出了基于深度學習的位場邊界識別方法。

2.4.3 重力三維反演技術

重力反演計算就是將異常數據轉化為描述地球內部場源密度變化及分布的數據。針對不同的地質信息，重磁反演主要分為形態(tài)反演和物性反演。形態(tài)反演是在已知場源物性參數的基礎上，利用多面體來擬合地下地質體的幾何形態(tài)分布，從而刻畫地下地質體的界面。吳文鸝[127]在研究三角形多面體模型重、磁異常三維正演和反演技術的基礎上,吸取人機交互正演模擬的優(yōu)點,實現了三角形多面體模型重、磁異常數據三維人機聯(lián)作反演。物性反演解釋技術是對地下空間地質體的物性參數進行定量計算。物性反演由于具有反演條件寬松、容易操作且能夠模擬復雜地質體的優(yōu)點，成為近年來位場反演的主要發(fā)展方向[48，128-130]。

三維反演方法可以分為非線性化反演和線性化反演兩類，其中線性反演的迭代優(yōu)化方法有最小二乘法、牛頓法、正則化方法、最速下降法和共軛梯度法等。牛頓法收斂速度快但有Hessian矩陣及其逆矩陣的大規(guī)模計算問題。最速下降法計算量少但收斂速度慢，而共軛梯度法既解決了收斂速度慢的問題又避免了大型矩陣向量的計算和儲存問題，是一種求解大型最小化問題的反演算法[131-136]。這些線性迭代優(yōu)化算法收斂速度快，但容易陷入局部極小值、計算耗時等困境。隨著數學優(yōu)化方法的發(fā)展，多種全局隨機優(yōu)化的非線性反演算法被引入到地球物理反演中，并得到成功應用[48,128,137-138]。非線性化反演方法包括遺傳算法、神經網絡算法、模擬退火算法、最小二乘方法等。1983年Silva等[139]將遺傳算法應用于磁法反演中；Montesinos等[140]采用遺傳算法進行重力三維反演；姚長利等[128-129,159]改進方法，提高了非線性反演計算速度；Eslam 等[141]采用神經網絡算法進行重力實測數據反演，且準確獲得了異常的分布位置，該算法計算具有并行性，但收斂效率低，易存在局部極小化問題；馬國慶[142]利用模擬退火法完成重磁異常物性反演，該方法有效地避免了大型矩陣的計算，可以克服局部極小化問題，但搜索效率變低；Tarantola 等[143]利用阻尼最小二乘方法求解非線性反演問題，從而得到穩(wěn)定的解，但其計算速度慢。最小二乘方法既可以應用于非線性反演問題的計算，還可以應用于線性反演問題計算中。

同其他地球物理反演方法一樣，由于復雜的地質情況，三維重力場數據信息不足和場源的等效性問題會致使重力反演研究存在兩個重要難題，即解的不穩(wěn)定性和多解性，解決此問題成為重磁反演研究的重點和難點。為解決此問題，很多學者開展了約束反演研究[83，144-146]。當約束條件采用不同的加權因子以及不同的計算策略時會得到不同意義上的解，主要的約束方式有：①深度約束，用于抵消核函數隨深度自然衰減，消除其近地表權重過大而使反演密度分布不符合真實異常源的情況，進而提高深度分辨率[131-132,147-148]；②聚焦約束,可以清晰地刻畫異常體的邊界特征[149-152]，方便后期的處理解釋；③物性邊界約束，為了獲得更合理的反演物性分布，在物性反演過程中需要加入地質體物性上下限約束條件，強制將反演密度值限制在一定的范圍內[145,150]；④結構約束，可用于不同地球物理屬性之間的聯(lián)合約束，有交叉梯度約束[153-155]和總梯度約束(summative gradients)[156-158]等；⑤地質統(tǒng)計約束，可以將區(qū)域地質特征規(guī)律信息和地質學家對地質情況的認識加入到模型中。

面對大范圍、大數據量的重力數據，反演效率低的問題非常突出。為此國內外學者從不同角度進行了研究，主要包括：①降維度處理方法，通過減少維度從而減少存儲空間和計算量，有隨機子域反演、小波壓縮、基于多項式的反演[159-161]；②利用對稱性的處理方法，幾何格架法利用重力場正演核矩陣的平移不變的性質減少計算量[128]。在此基礎上荊磊利用快速傅里葉變換(FFT)進一步實現了具有空間域計算精度和頻率域計算速度的快速算法[162]。

3 重力數據庫與圖件編制

3.1 重力數據庫

1981年物化探所研發(fā)了“區(qū)域重力資料整理處理成圖自動化”軟件系統(tǒng)[11]。原地礦部物化探局組織研發(fā)我國第一代制基于M-160型計算機的重力數據庫，數據庫由高程子庫、重力數據子庫和程序子庫組成。高程子庫存放全國及全球的高程數據?？梢詫Ω叱虜祿z索、拼接、更新和進行從一公里到全球的地改及均衡改正的計算。重力子庫存放重力測點的平面座標、高程、測點原始重力值和近中區(qū)地改值等五個基本數據，存放基點的座標和重力值、觀測時間及施測單位的編號?？梢酝ㄟ^程序控制對重力數據進行檢索、更新及增補。程序子庫包括庫管理程序、資料整理程序和數據處理程序三類[163]。1997年由原地礦部區(qū)域重力調查方法技術中心升級遷移到PC計算機上，形成windows系統(tǒng)下可視化管理數據庫[38]。2006年中國地質調查局發(fā)展研究中心再次升級為RGIS2006版。具備對全國范圍從野外到室內的重力數據整理的數據預處理、時間域及頻率域數據處理、數據庫可視化管理、GIS制圖、通用GIS數據轉換等的功能,適合于重力調查及重磁綜合解釋工作[39，164]。

3.2 重力圖件的編制

地球物理圖件對于區(qū)域地質構造研究和資源調查戰(zhàn)略部署等都發(fā)揮了重要作用，具有重要價值[165-167]。隨著重力工作的持續(xù)推進，重力工作者在不同階段編制出不同比例尺的全國和區(qū)域性重力圖件。

1978年物化探所對所編1°×1°布格重力異常圖解釋認為，大興安嶺-太行山-武陵山的北北東向梯級帶及青藏高原周緣梯級帶反映了地殼厚度變化，有可能是深部斷裂存在的一種標志。一些學者對1:4 000 000布格重力異常圖進行系統(tǒng)解釋，將全國重力場劃分為22個異常區(qū)和18個異常帶，為現代中國大地構造劃分提供了地球物理依據[168-170]。左愚等編制1:12000 000重力系列圖[171]。1999年孫文珂等利用最新實測重力數據編制1:5 000 000中國及毗鄰海區(qū)重力系列圖，并進行了說明。將布格重力異常圖分為5個區(qū)，分布對應濱西太平洋構造域的內帶及其外帶、特提斯-喜馬拉雅構造域、古亞洲構造域和三大構造復合地帶，每個區(qū)的異常幅值反映了地殼厚度及密度的變化[167]。李志等利用最新完成的重力資料編制了青藏高原及鄰區(qū)重力系列圖，并進行了大地構造分區(qū)、推斷斷裂、圈定巖體、盆地形態(tài)等研究[172]。張明華等利用不同來源且基準未知的重力數據資料，采用背景一致性原則并進行局部調平、拼接，編制了1∶5 000 000比例尺的中國海陸及鄰域布格重力異常圖，并依據重力場特征、斷裂帶及造山帶的相互關系，將重力場劃分為38個一級異常區(qū)和部分二級異常區(qū)[173]。

4 重力勘探標準與規(guī)范

重力規(guī)范一般提出重力調查任務、基本技術要求、技術設計、重力儀調節(jié)及性能測試、野外工作、資料整理、精度評價、基礎圖件編繪、數據處理與解釋、成果報告編寫與資料提交等方面的技術要求。所有規(guī)范都是經過一段時間的工作實踐后，制訂出技術規(guī)定，最后升級為規(guī)范，并隨著相關技術進步而不斷修訂完善。如1978年代有計劃地開展了區(qū)域重力調查工作后，首先制訂了《區(qū)域重力調查技術規(guī)定》[174]。1993年升級為行標《區(qū)域重力調查規(guī)范》(DZ/T 0082-93)[175],2021升級為新版《區(qū)域重力調查規(guī)范》(DZ/T 0082-2021)[23]。

重力勘探規(guī)范由兩大行業(yè)規(guī)范構成，包括地質礦產行業(yè)規(guī)范和石油天然氣行業(yè)規(guī)范。

地質礦產行業(yè)重力規(guī)范由自然資源部發(fā)布，按工作比例尺分為三種，現階段執(zhí)行的分別標準是《大比例尺重力勘查規(guī)范》(DZ/T 0171-2017)[176]、《重力調查技術規(guī)范(1∶50 000)》(DZ/T 0004-2015)[177]、《區(qū)域重力調查規(guī)范》(DZ/T 0082-2021)[23]。

石油天然氣行業(yè)規(guī)范由國家能源局發(fā)布，現階段執(zhí)行的是《陸上重力勘查技術規(guī)程》(SY/T 5819-2010)版[178]。

5 重力勘探技術在地質工作中應用

重力勘探方法具有輕便、快捷和經濟的特點，能快速獲取大面積高精度重力數據，在地質工作領域有著廣泛的應用。

5.1 在能源勘探方面應用

重力資料在確定沉積盆地邊界、劃分構造單元、確定基底起伏和蓋層構造、進行油氣遠景評價等方面發(fā)揮了重要作用。在大慶、勝利、大港、任丘、長慶、二連等油氣田的發(fā)現中，重力勘探都做出了貢獻[9]。隨著聯(lián)合反演、三維建模技術的不斷發(fā)展，重力勘探在能源資源勘探領域繼續(xù)發(fā)揮重要作用。1999年在華北地區(qū)綜合應用重力與地震勘探發(fā)現了信安鎮(zhèn)北潛山，獲得了高產油氣流。2000年應用重力、地震聯(lián)合反演解釋，在武清凹陷斜坡碼頭潛山發(fā)現了工業(yè)氣流。之后相繼發(fā)現了信安鎮(zhèn)潛山、碼頭潛山等一系列潛山，勘探取得了重大進展[179-183]。

5.2 在礦產勘查方面應用

重力勘探在探測礦產資源時，利用來自礦化作用、蝕變帶和特定主巖或構造的位場響應，可以查找與成礦有關的地層、構造、巖漿巖、蝕變巖和礦化帶等控礦因素，研究金屬礦床賦存的巖體或構造以推斷礦體的位置[184-189]。在直接找礦方面，重力勘探發(fā)現了加拿大魁北克西部以黃鐵礦和閃鋅礦為主的大型礦床[190]。國內，在冀東鐵礦利用重力資料對隱伏鐵礦或含鐵建造進行了系統(tǒng)的解釋和推斷，推斷9條與隱伏鐵礦床或含鐵建造有關的重力異常帶，部分已被鉆探工程所證實[191]。在間接找礦方面，重力勘探方法運用更為廣泛。在美國加利福尼亞州礦區(qū)，利用地面重力和航磁數據，構建了2.5維重力模型，圈定潛在的拆離斷層和礦化巖體分布[192]。

在加拿大拉布拉多，利用重力數據約束反演來預測和描繪的大型鎳、銅、鈷礦床的地下特征和展布，為礦體的開采提供了非常有用的地下信息[193]。重力勘探是我國20世紀60年代～70年代的鉻鐵礦和富鐵礦的普查中的主要方法。1990年代，高精度重力測量發(fā)現了新疆小熱泉子銅礦Ⅰ號礦床重力異常，并確定了孔位，鉆孔的驗證取得了當年找礦的重要突破[194]。在德興銅礦勘探中，利用重力資料研究與侵入巖體成礦相關礦種中提取與導礦相關的導礦巖體與構造[195]。在黑龍江省下嘎來奧伊河礦勘查中，分析與矽卡巖型金屬礦有關的重、磁異常，總結找礦模型并圈定靶區(qū)，鉆探驗證情況良好[196]。劉天佑等[197]在西藏朗縣秀溝工區(qū)完成了高精度重磁勘探，推斷出鉻鐵礦與礦化體的重磁遠景異常，并且已經得到證。潘彤等[198]根據柴達木盆地南緣和北緣不同物性分布及成礦地質條件，優(yōu)選重磁、電法、地震等有效的方法進行探測，總結分析其找礦模型，取得了一定的找礦效果。

5.3 在地質調查方面應用

5.3.1 工作程度

1950年代，由于石油勘探的需要我國大規(guī)模開展重力工作。經過70多年的工作，截至2021年底，全國完成1∶1 000 000區(qū)域重力調查833×104km2,基本實現我國陸域1∶1 000 000區(qū)域重力調查的覆蓋；1∶250 000區(qū)域重力調查完成587.5×104km2，1∶250 000區(qū)域重力調查完成全國陸域國土可調查面積的69.5%，另有115×104km2屬高山、荒漠屬1∶250 000地面重力調查不可工作區(qū)，見圖1。

圖1 全國1:250 000區(qū)域重力調查工作程度圖Fig.1 1:250 000 regional gravity survey progress map of China

5.3.2 地質調查成果

1)區(qū)域地質成果。孫文珂[199]在區(qū)域重力調查列入中國地質工作計劃的40年后，編寫了《中國區(qū)域重力調查40年回顧》。他提出①西拉木倫河深大斷裂是板塊結合帶的祖先線，板塊的多次聚散、開合，導致極為復雜的地質構造現象出現；②認為秦嶺-桐柏-大別山同屬一個構造帶；③長江中下游構造巖漿巖帶是由5個構造巖漿帶構成的以銅鐵為主的成礦帶；④揚子陸塊與華夏褶皺帶之間的欽州-錢塘結合帶；⑤對西南三江褶皺帶及相鄰深部構造與成礦關系新認識?！度珖V產資源潛力評價》項目利用全國重力資料，結合地質構造與航磁異常特征分析，綜合推斷了我國地質構造的縱橫格局，研究對一些基礎地質問題取得新認識。例如：大興安嶺-太行-武陵巨型重力梯度帶是太平洋板塊俯沖的前緣響應；二連浩特-賀根山斷裂混雜巖帶是晚古生代大陸邊緣增生的構造邊界[200]。楊亞斌等[201]對2010年～2014年度全國區(qū)域重力調查成果進行了梳理，編寫了《重點成礦帶1:250 000區(qū)域重力調查成果文集》。對大興安嶺梯級帶、郯廬斷裂、古特提斯縫合帶位置提出新認識；探討均衡重力異常與地震關系；分析巖漿巖與礦產關系等。

2)地球動力學成果。隨著地球科學研究的不斷深入，重力資料研究深部構造及地球動力學的水平也在不斷提高。王謙[202]身利用重力資料研究汶川地震。根據均衡重力異常圖看出，龍門山、邛崍山及其鄰近地區(qū)存在十分明顯的大面積很均衡的區(qū)域，認為這可能是該處地殼不穩(wěn)定運動的重要根源之一。楊文采[203]利用重力資料分析和反演，刻劃青藏高原地殼分層的三維密度結構，取得的6個等效層密度擾動圖件，為研究地殼構造和物質運動提供了重要佐證。

5.4 在其他方面的應用

重力在城市地質調查、地熱調查、工程勘查等方面也發(fā)揮了很重要的作用，取得了不少成果，如秦始皇陵的探測[204]。

6 展望

由于重力儀性能的提高，測量技術的發(fā)展、數據精度和處理方法、技術及解釋水平的提高，重力勘探在地質工作中發(fā)揮著越來越重要作用，不僅在傳統(tǒng)的成礦預測、圈定巖體和構造等方面提供強有力的支撐，也將不斷拓寬服務領域。目前和未來的發(fā)展趨勢包括以下幾個方面：

1)隨著便攜式原子絕對重力儀進入實用階段，實測重力數據精度將進一步提高；地形高程進一步加密、數據精度進一步提高，地形改正精度也將提高一個量級，從而提高布格異?？偩取?/p>

2)測量參數由單一的加速度標量測量，向多方向矢量測量發(fā)展，矢量數據獲取、處理、解釋將得到發(fā)展、完善。

3)隨著場分離、弱信號提取、聯(lián)合反演技術發(fā)展，將不斷提高三維反演的準確度與精確度，進一步提升地質解釋水平。

4)重力勘探測量方式將由傳統(tǒng)的靜態(tài)測量，向靜態(tài)測量與動態(tài)監(jiān)測并重發(fā)展。

5)服務領域不斷拓展，將由傳統(tǒng)的地質勘查領域擴展到地質災害監(jiān)測、深部地下水監(jiān)測等領域。