高精度重力剖面测量重力勘探应用研究

王子豪

摘 要：重力勘探以研究对象（矿产资源或地质构造）与围岩存在着密度上的差异为前提条件，通过相应的数据处理来获得单纯由矿产或构造等密度不均匀体产生的重力异常，并通过对重力异常的解释来达到找矿或勘探的目的。其在地球深部构造研究、石油与煤田的普查、固体矿产资源的开发及天然地震的预报等诸多方面都发挥着越来越重要的作用。基于嘉兴市地热资源勘查工作中的高精度重力剖面测量项目，结合当地的地质状况和地球物理特征，推测勘查区基底起伏、隐伏断裂的空间展布和特征，为布置地热钻孔位置提供地球物理勘查依据。

关键词：重力勘探；重力异常；重力剖面；重力测网

中图分类号：P631.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.102

在地球表面及其附近空间，一切物体都要受到重力的作用。在重力的作用下，物体自由下落时就要产生加速度，称为“重力加速度”。在地球表面，重力加速度的平均值约为9.8 m/s2。但是，由于地球的形状不规则，地球内部物质密度不均匀，地球与其他星体的相对位置不断变化，重力加速度的大小随着观测时间、地点的不同而稍有差异。

1 勘探前期工作

勘探前期应对工区的自然地理环境、工区的地质和地球物理条件有一个详细的了解，以便在重力勘探设计中作为选择野外工作方法和提出技术要求的依据。

1.1 关于重力测量比例尺的问题

在区域重力测量中，基本比例尺有4种，即1∶100 000、1∶200 000、1∶500 000和1∶1 000 000.其中，1∶100 000、1∶200 000主要用于石油或煤田普查，在区域重力调查已确定的有利地区进一步圈定比较大的局部构造；1∶500 000和1∶1 000 000适用于重力调查的空白区，以便研究区域构造和地壳深部构造。

在重力详查和细测时，重力测量的比例尺变化范围较大，即从1∶50 000到1∶5 000 000.在具体工作中，应视工作任务和勘探对象的大小而定。

1.2 重力测网

在野外进行重力测量时，一般都是先在工作地区的地面上按照一定的距离布置若干条测线，在每条测线上又按照一定的距离布置若干个测点，将这些测线测点的纵横连线所构成的网称作“重力测网”，测网的每个结点都是重力测点。

重力测网的形状和结点的密度应该根据地质任务和工作比例尺来确定，测点的距离应根据可信异常宽度的大小来确定（可信异常宽度是指重力异常剖面曲线的幅值大于异常均方误差2倍的两个点间的水平距离），一般应小于异常宽度。

1.3 重力仪的一致性试验

当需用几台仪器在工区工作时，应做此试验。它可以与动态观测的试验结合，也可以另选一些重力变化大的点用往返重复观测的方式进行。用以下公式计算均方误差：

. （1）

式（1）中：Vi为某台仪器在某点上的观测值与各台仪器在该点上观测平均值的偏差；m为各台仪器总的观测次数；n为观测点数减1.

计算时应分别对各台仪器进行计算，超出精度要求的仪器不能用于施工中。

1.4 重力仪格值的标定

生产中，要求在开工前和野外收工后校对仪器格值。同时，当施工中仪器受到强烈震动后也应校对。在野外工作中，一般要求由仪器格值测定误差给任一闭合段内测点观测带来的最大误差不得超过设计的重力观测均方误差。

1.4.1 已知点法

在由国家建立的高精度重力格值标定场的已知重力差的点上，用仪器在它们之间进行多次重复观测，其独立增量数不少于6个，按下式计算格值：

. （2）

式（2）中：Δg为校准点间已知重力差值；ΔS为多个独立增量的平均值。

用平均读数的相对均方误差来衡量格值测定精度，计算公式为：

. （3）

式（3）中： 为平均读数差；Vi为第i次读数差与平均读数差的差值；n为独立增量个数。

在金属矿区，一般要求Δ格≤1/1 000；在区域重力测量中，要求Δ格≤1/2 000；在自建格值标定点或省级的一、二级基点测量中，要求Δ格<1/5 000.

1.4.2 倾斜法

这是利用重力仪在水平时与倾斜一个θ角时所感受的重力作用不同来测定的。此时，重力差值为：

Δg=g（1-cosθ）. （4）

仪器的格值为：

. （5）

当仪器重新标定的格值与原来使用的格值相对变化大于2Δ格时，应使用新格值。

2 仪器设备与性能

本次工作使用2台加拿大SCINTREX公司生产的CG-5型（AutoGrav）重力仪，仪器测量范围8 000×10-5 m/s2，读数分辨率为±1×10-8 m/s2，观测精度<±5×10-8 m/s2，长期静态漂移<±5.0×10-7 m/s2。

3 重力异常的判识标准

布格重力异常在平原区直观反映基岩面起伏，重力高对应精度的控制工作。对于转轮叶片，需要利用数控机床进行加工处理。在实际安装过程中，要控制好安装质量，且最好选择具备抗腐蚀性的材料。此外，除水轮机的转轮外，下环、上冠均可选择不锈钢材料。

2 水轮发电机组振动原因实证分析

2.1 分析的目的和方法

轮发电机组振动原因实证分析的目的为：确定主要的振动原因，提出减小振动的调修方法，并给出科学的技术数据。

轮发电机组振动原因实证分析的方法有以下3种：①频谱分析。该方法是振动原因分析中最基本、最重要的方法。任何一个信号波形都可被分解成正弦曲线的合成，其正弦波的频率和幅值可构成频谱。任何振动现象都是基本振动现象的合成。从波形看，基本振动现象即为频率正弦波。值得注意的是，这些振动现象都具有最直接的振动原因。利用该分析法可分解复杂的振动现象，找到振动的详细原因，进而确定机组检修的方向及需要调整的部位。②转频分析。一倍频也称为转频，是水轮机电组主要的组成部分之一。其中，水力的不平衡、质量不平衡和轴的振动都属于一倍频。虽然其振动原因较为复杂，但不同工况下的振动原因不同。因此，通过分析，可初步确定引发转频振动的原因，而利用空间轴线工具可直观地计算主轴弯曲量、配重角和弯曲相位等。对于不同的机组而言，通过对这些参数的观察，可直接找出振动的原因。③快速定位振动现象。随着时间的推移，状态监测系统记录的数据量会越来越多，如何做好振动数据的搜索和定位已成为相关工作人员必须考虑的问题。下面的三维图形展示了各个频率成分随时间、转速、功率等参数的变化而变化的规律。

2.2 振因分析

振因分析分为以下6步：①绘出各振动、停机过程的级联图；②对稳态过程中不同负荷下的数据记录进行筛选，绘出随负荷变化的瀑布图；③审核瀑布图，并挑选出最明显的振动成分；④通过振动原因分析法查找振动原因；⑤分析转频，描述质量不平衡和轴弯曲的定量；⑥给出结论和建议。

2.3 主要振动现象及其分析描述

对于振动现象的描述，本文主要以瀑布图来分析其随转速变化的变化，具体如图1所示。

2.4 转频成分分析

利用本系统的空间轴线图计算了启动、停机和变负荷过程中的主轴弯曲量、弯曲相位和不平衡质量的配重角（超重角），分析了转频振动的原因，得到了主轴静态弯曲和质量不平衡的数据。

2.5 振动分析和评价

振动分析和评价的结果有以下4点：①随着负荷的增加，IX成分的相位和幅值不会出现较大的变化，这表明因水力而导致转频振动的概率较低。②在机组运行的过程中，随着转速的变化，上导摆度和上机架振动IX成分的变化不大，这表明质量不平衡对转频振动的影响较小。③在机组运行的过程中，励磁投入后未出现较大的振摆变化，这表明电磁因素引发的振动较小。④在机组运行的过程中，不存在电磁和水力的影响。当减速值为27 rpm时，质量不平衡力可忽略不计。此时，主轴完全处于静态弯曲的状态。通过计算，在推力轴承处主轴的静态弯曲量为127 μm，弯曲位置从键相块开始，至沿旋转方向反方向转动24°的位置。

3 结束语

随着科技水平的不断提升，社会发展对水利工程中机电设备的要求也越来越高。由于水利工程中的机电设备常处于潮湿的运行环境，且工作强度较高，因此，机电设备已受到腐蚀和磨损。为了避免机组在运行过程中出现故障，相关工作人员应针对水利工程机电设备存在的运行异常问题，采取有针对性的处理措施，并做好预防保护工作。此外，还应做好设备的日常维护工作，依据机电设备的运行强度确定定期维护的时间，从而不断积累经验，消除水利工程机电设备异常问题造成的不利影响，满足水利工程持续发展的要求。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕