高精度重力剖面測量重力勘探應用研究

王子豪

摘 要：重力勘探以研究對象（礦產資源或地質構造）與圍巖存在著密度上的差異為前提條件，通過相應的數據處理來獲得單純由礦產或構造等密度不均勻體產生的重力異常，并通過對重力異常的解釋來達到找礦或勘探的目的。其在地球深部構造研究、石油與煤田的普查、固體礦產資源的開發及天然地震的預報等諸多方面都發揮著越來越重要的作用。基于嘉興市地熱資源勘查工作中的高精度重力剖面測量項目，結合當地的地質狀況和地球物理特征，推測勘查區基底起伏、隱伏斷裂的空間展布和特征，為布置地熱鉆孔位置提供地球物理勘查依據。

關鍵詞：重力勘探；重力異常；重力剖面；重力測網

中圖分類號：P631.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.102

在地球表面及其附近空間，一切物體都要受到重力的作用。在重力的作用下，物體自由下落時就要產生加速度，稱為“重力加速度”。在地球表面，重力加速度的平均值約為9.8 m/s2。但是，由于地球的形狀不規則，地球內部物質密度不均勻，地球與其他星體的相對位置不斷變化，重力加速度的大小隨著觀測時間、地點的不同而稍有差異。

1 勘探前期工作

勘探前期應對工區的自然地理環境、工區的地質和地球物理條件有一個詳細的了解，以便在重力勘探設計中作為選擇野外工作方法和提出技術要求的依據。

1.1 關于重力測量比例尺的問題

在區域重力測量中，基本比例尺有4種，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，在區域重力調查已確定的有利地區進一步圈定比較大的局部構造；1∶500 000和1∶1 000 000適用于重力調查的空白區，以便研究區域構造和地殼深部構造。

在重力詳查和細測時，重力測量的比例尺變化范圍較大，即從1∶50 000到1∶5 000 000.在具體工作中，應視工作任務和勘探對象的大小而定。

1.2 重力測網

在野外進行重力測量時，一般都是先在工作地區的地面上按照一定的距離布置若干條測線，在每條測線上又按照一定的距離布置若干個測點，將這些測線測點的縱橫連線所構成的網稱作“重力測網”，測網的每個結點都是重力測點。

重力測網的形狀和結點的密度應該根據地質任務和工作比例尺來確定，測點的距離應根據可信異常寬度的大小來確定（可信異常寬度是指重力異常剖面曲線的幅值大于異常均方誤差2倍的兩個點間的水平距離），一般應小于異常寬度。

1.3 重力儀的一致性試驗

當需用幾臺儀器在工區工作時，應做此試驗。它可以與動態觀測的試驗結合，也可以另選一些重力變化大的點用往返重復觀測的方式進行。用以下公式計算均方誤差：

. （1）

式（1）中：Vi為某臺儀器在某點上的觀測值與各臺儀器在該點上觀測平均值的偏差；m為各臺儀器總的觀測次數；n為觀測點數減1.

計算時應分別對各臺儀器進行計算，超出精度要求的儀器不能用于施工中。

1.4 重力儀格值的標定

生產中，要求在開工前和野外收工后校對儀器格值。同時，當施工中儀器受到強烈震動后也應校對。在野外工作中，一般要求由儀器格值測定誤差給任一閉合段內測點觀測帶來的最大誤差不得超過設計的重力觀測均方誤差。

1.4.1 已知點法

在由國家建立的高精度重力格值標定場的已知重力差的點上，用儀器在它們之間進行多次重復觀測，其獨立增量數不少于6個，按下式計算格值：

. （2）

式（2）中：Δg為校準點間已知重力差值；ΔS為多個獨立增量的平均值。

用平均讀數的相對均方誤差來衡量格值測定精度，計算公式為：

. （3）

式（3）中： 為平均讀數差；Vi為第i次讀數差與平均讀數差的差值；n為獨立增量個數。

在金屬礦區，一般要求Δ格≤1/1 000；在區域重力測量中，要求Δ格≤1/2 000；在自建格值標定點或省級的一、二級基點測量中，要求Δ格<1/5 000.

1.4.2 傾斜法

這是利用重力儀在水平時與傾斜一個θ角時所感受的重力作用不同來測定的。此時，重力差值為：

Δg=g（1-cosθ）. （4）

儀器的格值為：

. （5）

當儀器重新標定的格值與原來使用的格值相對變化大于2Δ格時，應使用新格值。

2 儀器設備與性能

本次工作使用2臺加拿大SCINTREX公司生產的CG-5型（AutoGrav）重力儀，儀器測量范圍8 000×10-5 m/s2，讀數分辨率為±1×10-8 m/s2，觀測精度<±5×10-8 m/s2，長期靜態漂移<±5.0×10-7 m/s2。

3 重力異常的判識標準

布格重力異常在平原區直觀反映基巖面起伏，重力高對應精度的控制工作。對于轉輪葉片，需要利用數控機床進行加工處理。在實際安裝過程中，要控制好安裝質量，且最好選擇具備抗腐蝕性的材料。此外，除水輪機的轉輪外，下環、上冠均可選擇不銹鋼材料。

2 水輪發電機組振動原因實證分析

2.1 分析的目的和方法

輪發電機組振動原因實證分析的目的為：確定主要的振動原因，提出減小振動的調修方法，并給出科學的技術數據。

輪發電機組振動原因實證分析的方法有以下3種：①頻譜分析。該方法是振動原因分析中最基本、最重要的方法。任何一個信號波形都可被分解成正弦曲線的合成，其正弦波的頻率和幅值可構成頻譜。任何振動現象都是基本振動現象的合成。從波形看，基本振動現象即為頻率正弦波。值得注意的是，這些振動現象都具有最直接的振動原因。利用該分析法可分解復雜的振動現象，找到振動的詳細原因，進而確定機組檢修的方向及需要調整的部位。②轉頻分析。一倍頻也稱為轉頻，是水輪機電組主要的組成部分之一。其中，水力的不平衡、質量不平衡和軸的振動都屬于一倍頻。雖然其振動原因較為復雜，但不同工況下的振動原因不同。因此，通過分析，可初步確定引發轉頻振動的原因，而利用空間軸線工具可直觀地計算主軸彎曲量、配重角和彎曲相位等。對于不同的機組而言，通過對這些參數的觀察，可直接找出振動的原因。③快速定位振動現象。隨著時間的推移，狀態監測系統記錄的數據量會越來越多，如何做好振動數據的搜索和定位已成為相關工作人員必須考慮的問題。下面的三維圖形展示了各個頻率成分隨時間、轉速、功率等參數的變化而變化的規律。

2.2 振因分析

振因分析分為以下6步：①繪出各振動、停機過程的級聯圖；②對穩態過程中不同負荷下的數據記錄進行篩選，繪出隨負荷變化的瀑布圖；③審核瀑布圖，并挑選出最明顯的振動成分；④通過振動原因分析法查找振動原因；⑤分析轉頻，描述質量不平衡和軸彎曲的定量；⑥給出結論和建議。

2.3 主要振動現象及其分析描述

對于振動現象的描述，本文主要以瀑布圖來分析其隨轉速變化的變化，具體如圖1所示。

2.4 轉頻成分分析

利用本系統的空間軸線圖計算了啟動、停機和變負荷過程中的主軸彎曲量、彎曲相位和不平衡質量的配重角（超重角），分析了轉頻振動的原因，得到了主軸靜態彎曲和質量不平衡的數據。

2.5 振動分析和評價

振動分析和評價的結果有以下4點：①隨著負荷的增加，IX成分的相位和幅值不會出現較大的變化，這表明因水力而導致轉頻振動的概率較低。②在機組運行的過程中，隨著轉速的變化，上導擺度和上機架振動IX成分的變化不大，這表明質量不平衡對轉頻振動的影響較小。③在機組運行的過程中，勵磁投入后未出現較大的振擺變化，這表明電磁因素引發的振動較小。④在機組運行的過程中，不存在電磁和水力的影響。當減速值為27 rpm時，質量不平衡力可忽略不計。此時，主軸完全處于靜態彎曲的狀態。通過計算，在推力軸承處主軸的靜態彎曲量為127 μm，彎曲位置從鍵相塊開始，至沿旋轉方向反方向轉動24°的位置。

3 結束語

隨著科技水平的不斷提升，社會發展對水利工程中機電設備的要求也越來越高。由于水利工程中的機電設備常處于潮濕的運行環境，且工作強度較高，因此，機電設備已受到腐蝕和磨損。為了避免機組在運行過程中出現故障，相關工作人員應針對水利工程機電設備存在的運行異常問題，采取有針對性的處理措施，并做好預防保護工作。此外，還應做好設備的日常維護工作，依據機電設備的運行強度確定定期維護的時間，從而不斷積累經驗，消除水利工程機電設備異常問題造成的不利影響，滿足水利工程持續發展的要求。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕