重力数据的野外采集

重力数据的野外采集

重力数据的野外采集包括:重力基点网的联测、基点网的条件平差、基点网的精度评价、普通测点的观测和精度评价等项内容。

(一)重力基点网的设立与联测

1.重力基点网的设立原则

重力仪存在零点漂移问题。位移大小只有在基准点上先后两次读数作比较才能确定。这个基准点称为基点。当测区面积很大时，只设一个基点工作很不方便，为了控制普通测点的测量精度，减少误差积累和提高效率，须设立多个基点。这些基点相互联系就组成基点网。此外，重力测量往往是相对测量，仪器测出的异常需在全区内选一个基准点为异常的起算点，这个起算点又称总基点。

基点网的设立原则如下:

(1)能控制普通线观测，且便于普通观测单元连接基点;基点应选择在交通方便、标志明显、地基稳固、干扰小、易于永久保存的地点。

(2)根据仪器零位变化的最大的线性时间间隔和交通运输条件等情况确定基点分布的密度和网形，在保证精度的前提下应尽量减少基点的个数。基点网中的基点一般要均匀分布在全区，在地形条件差的地段要多增设基点，同时基点要有统一编号。

(3)基点网联测应全部按闭合环路进行，当需要建立多个环路时，每个环路中包含相邻环路中的基点数不得少于两个，以便统一平差。

(4)基点网联测应使用完善而迅速的交通工具，可采用一台仪器多次重复观测或多台仪器重复观测。其目的是提高基点联测的精度，保证基点值的精度高于普通测点观测精

表2-3-1 重力基点分级建网的技术要求

注:1.本表限于山区1∶5万和平原区1∶10万以下小比例尺大面积的重力勘探要求。2.平原区1∶5万及其以上大比例尺小面积的高精度重力勘探，其基点网精度ε0不低于±0.03×10^-5m/s²。度的2～3倍。所以基点之间重力差值(称增量或段差值)至少应由两个以上独立增量的平均值来确定。

(5)重力基点网原则上不允许有悬挂基点;在条件特别困难、一些普通观测单元无法连接基点时，报批后可发展少量悬挂基点，但悬挂基线臂的联测至少要有4个往返。

(6)不同队伍在同一地区工作时，应建立统一基点网;需多年的地区，应首先建立全区控制网(一级)，然后分年度建立二级网;在同一地区不同队、年之间的公共边，要建立坚强边，并埋设基点永久标志，技术要求见表2-3-1。

2.重力基点网的联测方法

基点网联测应全部采用重复观测的方法，并要求:①同一点前后两次观测中仪器的摆放位置和高度应保持一致;②往返于两重力基点的两个非独立增量之差不大于两倍仪器的观测精度;③各基线圈闭合差不大于设计要求基点网精度的2槡L倍(L为本闭合圈平差基线边数)。常用的重力基点网的联测方法有三程循环观测和重复观测等方法。

(1)三程循环观测法

为了提高精度，尽量保证重复时间相近，多数基点网联测所采用的三程循环观测路线方法，即采用A→B→A→B的观测路线，如图2-3-1所示。这样的方式可以分别计算出A，B基点间两个非独立增量来，最后由这两个非独立增量的平均值计算出该段的总平均值，称为一个独立增量。

图2-3-1 三程循环观测法

图2-3-2 重复观测法

(2)重复观测法

重复观测路线是先从一个基点出发依次按顺序进行测量，到最后一个基点后按原路线返回再依次重复测量，路线如图2-3-2所示。采用双程往返观测法，要求两基点工作单元之间至少有三个连接点。

3.重力基点网段差值的计算方法

各相邻两基点间(一个边段)的重力差值称为段差。采用解析法或图解法都可以求得消除仪器零点漂移后的重力段差值。

对于一个边段来说:由一台仪器的观测数据可得到两个非独立增量(含义随后介绍)，其平均值为一个独立增量;而多台仪器观测可得到多个独立增量，其平均值为一个平均增量，即该边段的重力段差。一般行业技术规范上单项指标要求:两重力基点间的两个非独立增量之差不大于两倍的基点观测精度，构成一个平均增量的各个独立增量与该平均增量之差不大于槡2倍的基点观测精度，否则应及时返工。

(1)解析法求取段差值

图2-3-3是对基点1，2采用三重循环观测结果与相应读数时间的关系图示。横轴表示时间t，纵轴表示读数S。由于常用的三重循环观测法在同一点上相邻两次观测的时间差较小，可以较好地控制重力仪的零点漂移，且在这较短的时间内，将零点变化视为线性变化。图中1，2代表G1，G2两个基点上各自的零飘折线，Sij，tij分别表示第i点上第j次观测的读数值和观测时间。由图中可知G1和G2基点之间的段差解析表达式为

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式中:ΔS1，ΔS2为非独立增量; 为读数独立增量，它能独立地表示两基点间的读数差;C为仪器的格值; 为重力独立增量，它能独立地表示两基点间的重力差。

图2-3-3 解析法求段差示意图

图2-3-4 图解法求段差示意图

(2)图解法求段差值

将各基点1，2，3，4的观测值与时间关系按一定比例尺绘在方格坐标纸上，将同一个基点不同时间的观测值用直线连接起来，如图2-3-4所示，图中1—1'，2—2'，……表示同一个基点读数随时间的零点位移情况。

利用作图这种办法也可以计算出相邻基点间的段差值。利用图中ΔS1和ΔS2的平均值同样可计算一个独立增量值:

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(二)重力基点网的条件平差与精度评价

1.重力基点网的条件平差计算

基点网中基点之间的段差得到之后，根据闭合圈的闭合差确定是否需要进行平差。平差的目的是合理修改测出的段差值，最终保证基点网中的每一闭合圈的闭合差(含义随后介绍)均为零。由于基点联测中观测的偶然误差不可避免，所以尽管段差值是几个独立增量的平均值，也很难保证没有闭合差(相邻基点之间联测时间的长短，独立增量个数的多少，仪器性能的好坏等因素都有影响)。这里主要介绍重力自由基点网以各边独立增量的个数为条件进行平差的过程。

(1)绘制基点网分布图

例如某一级基点网由八个边组成，两个闭合圈，如图2-3-5所示。首先在各边的外部(以所在的闭合为准)标出平均重力增量及变化方向(箭头指向重力值减小的方向)。然后求出各闭合圈的闭合差，以g.u.为单位(一般行业技术规范上单项指标要求:各闭合环路闭合差不大于基点网设计精度的2槡n倍，n为闭合圈平差边数，否则应及时返工)。闭合差等于圈中顺时针方向增量之和减去逆时针方向增量之和，并写在闭合圈中央，同时把权Pi(Pi等于第i条边独立增量的个数)写在各边段上。

图2-3-5 某区重力一级基点网分布示意图

(2)列出改正数条件方程式

设基点网由r个闭合圈组成，各闭合圈闭合差分别为ωa，ωb，ωc，…，ωr。把各圈每一边待求的改正数Vi编上序号，则可列出r个条件方程式。若ai，bi，ci，…ri(i=1，2，3，…，n)为条件式系数。系数的符号按各圈边段箭头方向确定，顺时针方向取正号，反之取负号，则有

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由图2-3-5结合式(2-3-8)可知:

由a环得a1=a2=a3=-1;a8=1，ωa=0.21;其余ai=0

由b环得b4=b8=-1，b5=b6=b7=1，ωb=0.47;其余bi=0所以，只有a，b两环时的改正数条件方程式:

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(3)建立联系数法方程式

法方程式组的一般形式为

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式(2-3-9)中，Ka，Kb，…，Kr称为各环联系数，方程个数与闭合环个数相同。

本例中的法方程式系数的计算，按表2-3-2进行。表2-3-2中边段编号就是改正数Vj的编号;a，b可看作改正数条件方程的编号;aj，bj分别为各式Vj的系数; 为第i条边的权;［］代表求i条边的和。根据算出的法方程组系数，建立的两个法方程式为

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(4)解法方程组

解式(2-3-9')，求得联系数为

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(5)计算各边改正数值Vi

将算出的联系数Ka，Kb和第i边的权的倒数 代入下式:

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本例中V1(第一边)改正值为

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由于例中a1=-1，b1=0，所以得

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同理可得

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(6)计算平差后的各边重力增量值(段差值)

首先将算出的各边改正数Vi值写在基点网示意图相应的边上。各边的重力增量(联测的平均值)Li与Vi的代数和，并用Xi表示，即平差后的重力增量值Xi为

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利用平差值计算出的各圈闭合差应当等于零。但由于改正数Vi值四舍五入等原因，闭合差有时不为零，而有微小差异时可作适当调整，将不符值分配在不与邻圈接界的权较小的边上即可。例如上例中将V3不进到0.09而是舍去尾数只取为0.08g.u.，V4不取0.12g.u.而取0.13g.u.，这是允许的。

一般这种差异的分配原则是:①分配在非公共边上;②应分配在P较小的边上;③当权一样时分配在段差较大的边上。

(7)平差后各基点重力值的计算

各基点重力值是由各边平差后的重力增量值推算而得，因此它是各边重力增量值的线性函数，称为增量值函数G:

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表2-3-2 基点网条件平差计算表

注：表中括号内的数据供检查计算时使用。

对于自由网来说f0=0，fi(i=1，2，…，n)的确定方法为:当边段箭头方向同所求基点重力值到起算点的方向一致时f取+1，反之取-1，见表2-3-2。

本例中G2=0作为起算点计算的各基点重力值为

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2.重力基点网的精度评价

(1)求单位权中误差

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式中:r为闭合环个数;Pvv为各边段权系数与改正数乘积的和，它也可由闭合差和联系数计算求得，即

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在本例中:［Pvv］=-ωaKa-ωbKb=0.21×0.427+0.47×0.618=0.3801

代入式(2-3-13)得到

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(2)平差后各基点重力值误差计算

1)转换系数的计算。

转换系数qa，qb，…，qr满足下列方程组:

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方程式系数用表2-3-2的格式计算。对G7基点从表中查得

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得方程组为

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解方程组得

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同样可求得同其他基点相对应的转换系数其计算结果示于表2-3-3。

2)计算平差值函数的权倒数。

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本例G7基点的权倒数为

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同样可求得其他基点的权倒数，其结果也示于表2-3-3。

表2-3-3 重力基点网的精度统计表

3)计算平差后各基点重力值误差。

计算公式为

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本例G7基点重力值中误差为

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同样可求得其他基点重力值的中误差，其结果也示于表2-3-3。

4)检验计算结果。

采用不同路线计算部分基点的重力值，检验计算结果有无错误。本例是以G7基点进行验算，通过五个边段的增量值函数为

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(3)求基点网的精度

各个基点的精度求出后，用整个网内最弱点的误差表示基点网精度εω。例如本例中基点网内最弱点为G6基点，其中误差为±0.24g.u.，故此基点网精度为εω=±0.24g.u.。

如果所测基点网的精度达不到设计要求，应找出原因，并对基点重力值误差较大的边段返工，重新进行基点网的平差与精度评价，直至满足要求为止。

(三)普通测点的观测和精度评价

1.普通测点的观测

普通测点一般采用单次观测方法，每个工作单元首尾必须连接基点，即从某一个基点出发经过一些测点后回到该基点或到另一个基点的闭合观测，其路线如图2-3-6和图2-3-7所示。

图2-3-6 单基点的观测路线

图2-3-7 两个基点的观测路线

两基点间观测的时间不能超出仪器零位变化为线性范围的最大时间间隔，一般情况下当天闭合基点;特殊情况下不超过48h，隔日闭合必须作静掉处理，并且零点掉格须满足有关要求，48h闭合单元的总数不超过总闭合单元数的20%。

测点重力观测首先在基点上进行基—辅—基观测，最大与最小读数之差小于0.02格。不同的人进行观测时，存在着一定的视差，所以一般只在基点上换人。要在测线、测点允许偏差的范围内，合理选择点位，避开悬崖陡坎和微地形影响较大地段。

在工作过程中，如发现仪器受震或较大读数变化时(除去高程等因素)，至少应返回受震前两个观测点重复观测后再继续往下测量，如有突掉情况应作突掉改正。

2.野外实测数据的混合零点改正计算

使用重力仪在野外普通测点上进行观测时，其读数的变化即包含了测点间相对重力的变化，也包含了仪器本身零位的变化，还包含了重力场随时间的变化。为了消除仪器本身零位变化和重力场随时间变化的综合影响，所进行的改正称之为混合零点改正。

在测量过程中利用两个不同基点(或同一个基点)进行控制，不但可以计算掉格系数，而且同样可以计算出各测点的混合零点改正值。其公式为

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式中:ti为第i个测点上的读数时间;tA为首次基点读数时间;K为掉格系数其表达式为

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式中:C为重力仪的格值，直接显示数字的仪器C=1;SB为尾基点读数;SA为首基点读数;ΔgB为尾基点重力值;ΔgA为首基点重力值;tB为尾基点读数时间;tA为首基点读数时间。

进行混合零点改正和求取测点重力值的步骤如下:

(1)计算各测点相对首基点GA的读数差ΔSi=Si-SA，式中Si为该测点的平均读格数;

(2)求取重力差Δg'i=C·ΔSi;

(3)计算随时间的零点位移率，即掉格系数K;

(4)根据各测点相对于首基点的读数时间差，求出混合零点位移改正值δgi;

(5)由Δgi=Δg'i+δgi式计算出各点改正后相对于首基点的重力差值;

(6)将各测点相对于首基点的重力差值Δgi加上首基点的绝对重力值，即可求出该测点的绝对重力值。

注:当野外工作一天中对三次或更多次基点时，应以相邻两次基点观测时间间隔为一段，分段进行计算，中间的各基点即作为前一段的尾基点，又作为下一段的首基点。

3.检查点的观测和精度评价

为了检查普通点上重力观测的质量，需要抽取一定数量的测点进行检查观测，一般检查点数应占总点数的3%～5%。检查点的分布应做到时间上、空间上都大致均匀，即每天(每一测段)的观测或每一条测线都应受到检查。检查应及时进行，以便及时发现问题。检查观测时应严格做到一同三不同(同点位、不同仪器、不同时间、不同操作员)或二同二不同(同点位、同仪器、不同时间、不同操作员)。

普通测点的观测均方误差，以检查观测来评定，使用经过混合零点改正后的原始观测值和检查观测值计算。当同一点上仅作一次检查观测时，测点观测均方误差计算公式为

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式中:δi为第i点原始观测与检查观测值之差;n为检查点数。

当检查观测多于一次时，测点观测均方误差计算公式为

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式中:Vi为各检查点第i次观测值(包括该点参与计算平均值的原始观测值和所有检查观测值)与该点各次观测值的平均值之差;m为总观测次数(所有检查点上全部观测次数之和);n为检查点数。

在普通重力勘探中一般要求检查结果中，δi/2或Vi/2超过2～3倍普通点观测精度εg的点数不得超过检查点数的1%，否则应扩大检查量。检查点数不少于总观测点数的5%，异常的检查点数不能少于总检查点数的5%，详查阶段为总检查点数的30%，个别的畸点可以删去，但不能超过总检查点数的1%。当肯定质量有问题时，应根据具体情况作妥善处理(如有关测线返工或降低精度使用)。

4.补充观测

按原设计点距进行观测时，若发现异常变化较大，则可以临时决定加密点距进行补充观测。有时在野外遇到原设计点位无法施工，也可以再临时补充一些点进行观测。

(四)岩石标本的采集

地壳中的有关地质体，如岩体、矿体与周围岩性存在密度差异，这是开展重力勘探工作的前提。测定和分析岩(矿)石的密度数据，研究它们的特征、成因及其变化规律，是对重力异常进行解释的主要依据。物性参数的测定和统计整理是重力勘探野外工作中一项必不可少的内容。

岩石标本采集的要求如下:

(1)采集有代表性的岩石标本，对于岩层厚、分布范围广的地层和勘探目标层都应重点采集;

(2)充分利用已有钻井深层岩心获取深部标本;

(3)标本应及时登录和编号，准确定名，注明采集地点和地层时代;

(4)每一地层的岩石标本数不少于30块，每块质量以100～200g为宜。