重力垂直梯度

重力垂直梯度可通過重力梯度儀商接測定，或者利用同一點兩個不同高度上獲得的重力值進行換算。其單位為厄缶（E），1 E=

/

。

為適應油氣勘探需要，上世紀30年代以後，用扭秤測量重力梯度的方法得到重視和應用，然而用扭秤測量梯度的分量中還不能測出垂直梯度。為此，已有人用天平測量重量的方法作過試驗，但其精度尚不能令人滿意 ^[1]  。

直到上世紀60年代以後，隨着相對重力測量精度的提高，已有人在塔架上利用重力差與高差之比確定出垂直梯度 ^[2]  ，該值不僅可用於工程和金屬的物探，且已廣泛用絕對重力測量的高度改正之中，在利用數字電壓表和電子反饋設備武裝了拉科斯特（LCR）儀器之後，根據國內外的研究，可使該儀器在野外工作中達到3～5×10

的微伽級精度，而相應的垂直梯度在經過數次閉合測量後亦可達30～50×10

，隨着測回次數的增加，其精度將會更高，這樣就為大地測量、地球物理、地球動力學的研究創造了有利條件。

大地測量界已有人在由似大地水準面到大地水準面、正常高到正高的轉換中作出了成果，並且在一些測點上作了試驗，同時進行了模擬計算，這些結果説明了在理論上和實際上都是可行的。由於垂直梯度比重力異常分辨率為高，它在工程和金屬物探中的作用已經發揮，並將繼續擴大。

關於梯度在地球動力學的應用和試驗，國內外學者，在表面負荷，內部負荷、斷層活動、冰後回彈和震源研究中已取得不少成果 ，由此使人們對上述自然現象和動力學事件及災害預測、評估有了進一步的認識。

對場源的研究已從點位錯源發展到球源和橢球源，對地球的介質的認識已由單層彈性半空間到多層不均勻的半空間，直至用粘彈性力學的模型來研究重力變化與高程變化之間的關係。

重力及其梯度測量是一項極為精密的測量工作，必須十分細心地操作。為高質量取得這些資料，國外甚至有許多專家或教授親自操作這類儀器。 ^[3] 

當今使用這類的測量儀器一般為LCR型重力儀，它屬於金屬彈簧重力儀，此外還有GM3型石英彈簧重力儀，由於它的精度稍低於LCR型，故人們作垂直梯度測量也大多采用LCR儀器。

對於埋藏較淺的密度異常體重力垂直梯度的反應比重力的更為明顯，且其異常具有較高的分辨率，此外，它還能提供另一類的獨立觀測結果，這就更有利於作地球物理解釋和場源物理機制的研究，因此在工程勘探、油氣勘探中受到重視，且在研究地球動力事件中得到發展。

提高重力及其梯度測量精度的措施對LCR儀的操作以採取下列方法為宜：

(1) 為減少儀器彈性後效即流變引起的誤差，在觀測前首先打開夾固，靜等5分鐘後方能開始讀數；儘可能採用電子反饋系統以改善讀數方式；在白天工作之後，將儀器安置在安全地方，並打開儀器的夾固。

(2) 建立高精度野外格值標定場，要求精度達2×

，以確定儀器的格值係數；建立精度達1×

，的垂直標定場，以確定週期誤差，並進行改正。最佳的辦法是，在20×

，的測程內，以電子反饋讀數系統代替電壓輸出讀數，以消除週期誤差。

(3) 為減少儀器置平誤差，建議廠家以靈敏度格

/的水準器代替格

/或

/格的水準器；或採用電子反饋讀數系統，在最小傾斜附近進行數據採集；或在每個測點上均作最小傾斜位置的檢驗，並在該位置處讀數。

(4) 為使儀器電壓電源穩定，建議廠家或用户增設一個輕便穩壓電源。此外，在工作中注意電源電壓的變化、及時更換電池和儘可能少打開照明燈泡。

(5) 為減少外温影響，建議廠家增設一個雙重恆温設備，用户亦可增設一個簡單隔温罩；此外在觀測中避免陽光照射及其它熱源烘烤。

(6) 需進行氣壓改正。

(7) 將儀器固定在某一方向進行觀測，該方向為地球磁場影響最小處。選點時儘可能避開高壓線、大型發電機視、變壓器等物。若儀器受磁場的影響甚烈時，可將它送回工廠進行退磁。

(8) 在測量範圍很小時，工作中應儘可能手提儀器，以減少振動的影響。用汽車運輸時，需增設儀器的附加防振設備，如彈簧墊、海綿墊等。如果在公路附近觀測，則使儀器的擺杆方向平行於公路，以減少振動的影響。

(9) 為減少地球與海潮模型不精確的影響，應採用符合實際的模型。

早期的重力垂直梯度實驗是由von.Jolly在1881年和1883年用扭秤做的，以後M.Tihesen在1890年，Scheel 和Diesselhosrt 在1895年以及Richarz 和Kriegar-Menzel在1898 年也進行了實驗。雖然在這些實驗中所使用的儀器靈敏度都較低。但是發現觀測到的重力垂直梯度比理論計算的要小得多。 ^[4] 

S.Hammer在1938 年用當時較靈敏的重力儀在紐約帝國大廈上用大垂直高差（953英尺）做了垂直重力梯度觀測以及Ewing用Vening-Meinesz擺的方法進行了重力垂直梯度的綜合研究。Hammer發現垂直梯度異常是測點處地形的函數，而且同區域重力異常有關。

此後Thyssen-Bornemista 1943 年在1~5 英尺的小高差上觀測垂直重力梯度，其意圖是逐步增加高程差，以便找到一個適合於野外實際工作的數值。

休斯敦技術實驗室在1953年用輕型Worden 重力儀和一個12 英尺高的三腳架進行了野外觀測。

Thyssen-Bornemisza和Stackler在1955 年用一台Worden 重力儀在Alberta 進行了垂直重力梯度異常的野外觀測。

1965 年John T.Kuo，Mario和Shrik在曼哈頓的四個高建築物、哥倫比亞大學的八個建築物以及Alpine 、新澤西的Armstrong塔又進行了精確的重力測量。

1971 年Zbiniew.J.Fajklewicz在基點“Halszka” 進行了29 次重力垂直梯度的重複觀測，測量是在不同的時間和不同的氣候條件下進行的，瞭解到影響重力垂直梯度測量精度的眾多因素。

後來S.Thyssen-Bornemisza等把這種測量應用到精確重力測量的改正和地質構造剖面的重力垂直梯度變化以及Z.Fajklewicz在1985 年用來探測空洞的深度和形狀，中國長春地質學院與西藏物探隊在西藏南部進行了重力垂直梯度測量，實測值為3755 厄缶，與正常重力垂直梯度值偏離達21.7%；並且這種偏離有隨地形高程而增大的趨勢。

成都地質學院沿隴海鐵路進行了長達1700 餘公里的東西向測線（點距100 km 左右） 和一條南北向輔助測線的重力垂直梯度的測量， 以研究重力垂直梯度變化的規律性及其原因。

中國科學院測量與地球物理研究所和地球物理研究所從1987 年起先後在油田及野外進行了重力垂直梯度的測量及實驗研究。

（1）重力垂直梯度在大地測量學、地球物理學和地球動力學中有很大的作用，越來越受到人們的重視，它的潛力仍有待進一步發掘。

（2）用垂直梯度（異常）化大地水準面和海拔高是合理和可行的，鑑於我國過山地接近國土的50% ，而且不少山區海拔很高，因此改善我國高程系統，即由正常高變為正高，應能受到重視。此外，在解算大地測量邊值問題中也將會得到應用。 ^[3] 

（4）用垂直梯度可以探測地下異常體和反演地下界面，由於它的分辨率比重力異常為高，其用途應用還有很大擴展空間。

（5）垂直梯度為反演動力學事件的場源提供了重要的約束，以往似乎還未受到重視，為進一步預測火山、地震、地質事件，減少它們的破壞程度建議在作GPS（形變）和重力測量的同時，加測重力垂直梯度也會起到很大作用。

重力垂直梯度的觀測和分析表明，此方法在研究地下岩石密度的非均勻性和地下淺層的構造上形成了新的地球物理勘查方法。重力垂直梯度數據可能加深對地球重力場的基本瞭解，並且可提供有價值的資料用以評價地表下的淺部構造和形狀。 ^[4] 

因此， 重力垂直梯度觀測和解釋方法可用於以下幾方面：

（1）觀測重力垂直梯度在短距離內在點與點之間橫向地變化，並且隨高度有相當大的改變，這種梯度值可用於改進自由空氣校正和地面地質的解釋；

（2）在觀測區域裏，正的垂直梯度異常往往與正的均衡重力異常有關， 較高的均衡異常值也與較高的垂直梯度異常值有關；

（3）重力垂直梯度的觀測可用於重力儀器的標定；

（4）重力垂直梯度的觀測可用於解決一些重要的地質、採礦和工程間題，尤其用於尋找地質構造和各種空洞以及舊礦並的探測，由於重力垂直梯度方法的研究和日益發展， 為重力場的研究開闢了新的領域；結合地震縱波的測量和動力學過程的分析，可以研究重力異常分佈的成因，對評價地下結構和形狀是很有意義的；

隨着城市建築物的現代化建設和交通的增強，探測出現在淺層的小地質體質量分佈的局部不均勻性和人工結構遺蹟的工作愈顯得重要，因而重力垂直梯度在這些方面的應用具有特殊的意義。