1、采矿地球物理理论与技术采矿地球物理理论与技术第一章 地球物理学简介1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学地球物理学地球物理学，是一门以地球为研究对象的应用物理学。其中，对，是一门以地球为研究对象的应用物理学。其中，对固体地球的研究，在本世纪六十年代以来，获得极大发展。它已固体地球的研究，在本世纪六十年代以来，获得极大发展。它已成为地学，即地球科学的重要组成部分，并且渗透到地学中的许成为地学，即地球科学的重要组成部分，并且渗透到地学中的许多分支。多分支。采矿地球物理学采矿地球物理学是采矿科学中的一个新的分支，是利用岩体中自是采矿科学中的一个新的分支，是利用岩体中自然的或人工激发的物理场
2、来监测岩体的动态变化和揭露已有的地然的或人工激发的物理场来监测岩体的动态变化和揭露已有的地质构造的一门学科。采矿地球物理学的最大特点是在更深层次上质构造的一门学科。采矿地球物理学的最大特点是在更深层次上认识地下岩层的特点及运动规律。认识地下岩层的特点及运动规律。表表1 地球科学的学科分类体系地球科学的学科分类体系1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学地球物理学的研究范围涉及从地球最深部的地核到大气地球物理学的研究范围涉及从地球最深部的地核到大气圈的边界。它是由众多基础科学组成。图圈的边界。它是由众多基础科学组成。图1为地球物理学的形为地球物理学的形成和发展示意图。成和发展示意图。地球
3、物理学地震学重力学大地构造物理学地热学大地测量学地球动力学1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学物理学天文学(地球作为星体)地质学(地球内部作为深部地质学)(应用)地球固体地球物理学空间物理学大气物理学大地测量学海洋物理学勘探地球物理学普通地球物理学采矿地球物理学重力学 地球起源地磁学 地球年龄地电学 地球自转地热学 地球形状地震学 地球动力行星物理学(地球物理学、天文学等共生学科)岩石物理学(地球物理学、地质学、地球化学等共生学科)图图1 地球物理学的形成和发展示意图地球物理学的形成和发展示意图 20世纪世纪30年代，由于成功地把地球物理学方法用于矿产资源年代，由于成功地把地球物理
4、学方法用于矿产资源勘探当中，使它得以迅猛发展。现在，地球物理学已经成为国勘探当中，使它得以迅猛发展。现在，地球物理学已经成为国内、外研究进展十分迅速的学科之一。内、外研究进展十分迅速的学科之一。地球物理学发展的总趋势有两种：一是多学科的综合，二是地球物理学发展的总趋势有两种：一是多学科的综合，二是科学的国际合作。科学的国际合作。第第1个国际间的协作计划是个国际间的协作计划是l9571958年的地球物理年。年的地球物理年。60年年代初，近代初，近50个国家参加了上地幔计划。个国家参加了上地幔计划。建立了建立了“板块大地构造假说板块大地构造假说”。1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学地
5、球物理学的研究方向，从总体上说，不是朝着对个别事件地球物理学的研究方向，从总体上说，不是朝着对个别事件和单学科的观测与研究发展，而是朝着全球性多学科的综合探和单学科的观测与研究发展，而是朝着全球性多学科的综合探测与研究发展；测与研究发展；人类认识自然现象不受国界限制；人类认识自然现象不受国界限制；各国间的资料相互利用；各国间的资料相互利用；按照统一规划和统一的工作方法进行工作。按照统一规划和统一的工作方法进行工作。1.1 地球科学与地球物理学地球科学与地球物理学 地球从诞生到今天已有地球从诞生到今天已有46亿年，有其自身的演化过程。亿年，有其自身的演化过程。地球的幼年时代，表面没有山脉、海洋，
6、这个时期持续地球的幼年时代，表面没有山脉、海洋，这个时期持续了约十亿年。地质学家把地球的这次脱气称为第一次脱气。了约十亿年。地质学家把地球的这次脱气称为第一次脱气。由于地球温度升高，致使物质发生熔化，熔化后的物质由于地球温度升高，致使物质发生熔化，熔化后的物质呈液态，易于对流。随后，地幔和地壳分化，以镁铁为主的呈液态，易于对流。随后，地幔和地壳分化，以镁铁为主的硅酸盐构成地幔，以铝铁为主的硅酸盐构成地壳。硅酸盐构成地幔，以铝铁为主的硅酸盐构成地壳。当地幔获得足够的热量后，开始发生对流。初始的海底当地幔获得足够的热量后，开始发生对流。初始的海底扩张使散热作用加速，地幔固结了，但外核仍为液态。外核
7、扩张使散热作用加速，地幔固结了，但外核仍为液态。外核的对流是产生现今地球磁场的原因。的对流是产生现今地球磁场的原因。1.2 地球物理场地球物理场1.2.1 地球的演化地球的演化 地球内部的气体，在高温高压的作用下，被挤压到上层地球内部的气体，在高温高压的作用下，被挤压到上层有空隙或是密度小的地方，从地壳的裂隙处喷出，这就是地有空隙或是密度小的地方，从地壳的裂隙处喷出，这就是地球的二次脱气。球的二次脱气。原始大气圈的成分与现代大气圈不同，其主要成分是水原始大气圈的成分与现代大气圈不同，其主要成分是水蒸汽与含有强还原的化合物如氢、甲烷和氨。大气圈上部水蒸汽与含有强还原的化合物如氢、甲烷和氨。大气圈
8、上部水蒸汽的分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈，现在蒸汽的分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈，现在的富氧大气圈是植物的光合作用造成的。的富氧大气圈是植物的光合作用造成的。水圈也有它自己的形成和演化过程。从原始的淡海水变水圈也有它自己的形成和演化过程。从原始的淡海水变成今天的咸海水，有一个逐渐的咸化过程。成今天的咸海水，有一个逐渐的咸化过程。地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能地震是地球内部具有能量的最直接的证据。地球内部能量于瞬间释放时引起的地球快速颤动，从而引发大小不等量于瞬间释放时引起的地球快速颤动，从而引发大小不等、形式多样的地震活动。、形式多样的地震活动。按照震
9、源深度按照震源深度h的不同，地震可以分为：的不同，地震可以分为：浅源地震浅源地震(h70km)，中源地震中源地震(70kmh300km)。岩石圈板块的运动有两种类型岩石圈板块的运动有两种类型：一种是陆陆碰撞，即碰撞发生于两个大陆板块之间；一种是陆陆碰撞，即碰撞发生于两个大陆板块之间；一种是洋陆俯冲，即在大陆板块和大洋板块之间进行一种是洋陆俯冲，即在大陆板块和大洋板块之间进行。1.2.2 地震地震 在陆陆碰撞的情况下，地震主要沿着碰撞板块的结合在陆陆碰撞的情况下，地震主要沿着碰撞板块的结合带边缘分布，发生于碰撞形成的断层带内（图带边缘分布，发生于碰撞形成的断层带内（图2-1a）。由此）。由此引发
10、的地震多数为浅源地震，也可有少量的中源地震发生。引发的地震多数为浅源地震，也可有少量的中源地震发生。在洋陆俯冲的情况下，洋壳板块沿着海沟带往大陆板在洋陆俯冲的情况下，洋壳板块沿着海沟带往大陆板块下部俯冲，并一直下插到地幔深度。在俯冲板块的不同部块下部俯冲，并一直下插到地幔深度。在俯冲板块的不同部位，应力分布的状态是不相同的：俯冲板块的后缘处于相对位，应力分布的状态是不相同的：俯冲板块的后缘处于相对拉张的构造环境，中、前部则受到强烈的挤压。在这种情况拉张的构造环境，中、前部则受到强烈的挤压。在这种情况中，前部则受到强烈的挤压。在这种情况下全部三种震源深中，前部则受到强烈的挤压。在这种情况下全部三
11、种震源深度的地震都有可能发生（图度的地震都有可能发生（图2-1b）。）。1.2.2 地震地震图图2-1a 陆陆-陆碰撞陆碰撞1.2.2 地震地震图图2-1 b 洋洋-陆碰撞陆碰撞1.2.2 地震地震 此外，无论是陆陆碰撞还是洋陆俯冲，在陆壳内部此外，无论是陆陆碰撞还是洋陆俯冲，在陆壳内部都会因为构造应力的局部集中而产生板内地震，这类地震为都会因为构造应力的局部集中而产生板内地震，这类地震为浅源型。浅源型。由断层活动诱发地震发生的具体过程可以用断层的弹性由断层活动诱发地震发生的具体过程可以用断层的弹性模型来解释。模型来解释。由于断层在孕育过程中积累了大量能量，一旦断层发生由于断层在孕育过程中积累
12、了大量能量，一旦断层发生整体断裂和滑移，被积累的能量就因为断层的运动和变形而整体断裂和滑移，被积累的能量就因为断层的运动和变形而迅速释放，从而导致地震。迅速释放，从而导致地震。但后来的研究发现，地震并非在整个断层的所有段落上但后来的研究发现，地震并非在整个断层的所有段落上都是同时发生的。因此有人提出了都是同时发生的。因此有人提出了断层闭锁段断层闭锁段的概念的概念，认，认 1.2.2 地震地震1.2.2 地震地震图图2-2 有断层闭锁段的地震断裂示意图有断层闭锁段的地震断裂示意图 为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段，它（们）在断为在断层内部往往存在着一到多处闭锁段，它（们）在断 层开始作整体变
13、形和运移时，只发生剪切应变而不发生宏层开始作整体变形和运移时，只发生剪切应变而不发生宏 观滑移，即处于闭锁状态（图观滑移，即处于闭锁状态（图2-2）。）。地震的弹性回跳假说：地震的弹性回跳假说：(1)地层受到剪切作用而开始剪切变形；地层受到剪切作用而开始剪切变形；(2)除闭锁段（由虚线椭圆围限部分）外，断层其他部分均除闭锁段（由虚线椭圆围限部分）外，断层其他部分均以发生显著滑移；以发生显著滑移；(3)断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移，地震因断层闭断层闭锁段被彻底剪断而发生瞬时滑移，地震因断层闭锁段的弹性回跳而产生，闭锁段也随之消失。锁段的弹性回跳而产生，闭锁段也随之消失。从图从图2-2中，我
14、们可以看到，断层闭锁段大致上呈一椭圆形中，我们可以看到，断层闭锁段大致上呈一椭圆形区域，其范围随着断层的活动演化而变化。区域，其范围随着断层的活动演化而变化。在开始阶段，由于断层在整体上还没有发生宏观滑移，断在开始阶段，由于断层在整体上还没有发生宏观滑移，断层闭锁段的范围也不明显（图层闭锁段的范围也不明显（图2-2a）。）。1.2.2 地震地震 此后，随着断层整体滑移量的增加，断层闭锁段的椭此后，随着断层整体滑移量的增加，断层闭锁段的椭圆形区域也随之增大（图圆形区域也随之增大（图2-2b）。）。但当断层内剪切应力的积聚超过了闭锁段的强度极限但当断层内剪切应力的积聚超过了闭锁段的强度极限后，断层
15、闭锁段即因其自身发生了宏观尺度的快速滑移而后，断层闭锁段即因其自身发生了宏观尺度的快速滑移而消失（图消失（图2-2c）。）。在地球内部，由人工激发或天然原因产生的地震，其在地球内部，由人工激发或天然原因产生的地震，其能量以波动形式向周围传播，这就是能量以波动形式向周围传播，这就是地震波地震波。我们所讨论。我们所讨论的地震波，其波长一般大于数百米甚至数千米。因此，从的地震波，其波长一般大于数百米甚至数千米。因此，从宏观上看，完全可以将地球视为均匀和连续的介质。物体宏观上看，完全可以将地球视为均匀和连续的介质。物体受外力作用后，其体积和形状将产生变化，统称为形变。受外力作用后，其体积和形状将产生变
16、化，统称为形变。1.2.2 地震地震1.2.2.1 地震波地震波 完全弹性体、塑性体完全弹性体、塑性体 各向同性、各向异性各向同性、各向异性 在地震波理论中，将地球介质当作均匀、各向同性和完全在地震波理论中，将地球介质当作均匀、各向同性和完全弹性介质来处理，只是一种简化的假定。但这并不影响我弹性介质来处理，只是一种简化的假定。但这并不影响我们引用弹性力学的基本理论。们引用弹性力学的基本理论。1.2.2.1 地震波地震波地震波体波面波纵波-P波横波-S波垂直横波水平横波瑞利波拉夫波1.2.2.1 地震波地震波图图 2-3 地震纵波和横波引起的质点振动地震纵波和横波引起的质点振动 在各向同性介质中
17、，地震波的传播速度仅与本身的物理性质有关在各向同性介质中，地震波的传播速度仅与本身的物理性质有关 (2-1)(2-2)式中式中vp、vs分别为纵、横波的传播速度，分别为纵、横波的传播速度，E为杨氏模量，为杨氏模量，为泊松比为泊松比，为介质密度。为介质密度。由式由式(2-1)与与(2-2)可求纵、横波的速度比可求纵、横波的速度比 (2-3)对于大多数岩石来说，对于大多数岩石来说，0.25，vp1.73vs，可见，可见P波比波比S波的传波的传播速度要快得多。播速度要快得多。1.2.2.1 地震波地震波)21)(1()1(Evp)1(21Evs21)1(2spvv1.2.2.1 地震波地震波质点振动
18、轨迹传播方向 yz图图2-4 瑞利波的传播方向和质点振动方向瑞利波的传播方向和质点振动方向1.2.2.1 地震波地震波传播方向xoyz质点振动方向图图2-5 拉夫波的传播方向和质点振动方向拉夫波的传播方向和质点振动方向 在爆炸地震学中在爆炸地震学中(主要是进行地质普查和勘探主要是进行地质普查和勘探)，P波是最重要的波，波是最重要的波，S波的作用也在提高。在天然地波的作用也在提高。在天然地震学中，震学中，P波和波和S波对于研究地球的内部都很重要。波对于研究地球的内部都很重要。近来，面波波散的研究在了解地球表层及内部的速近来，面波波散的研究在了解地球表层及内部的速度结构方面，已成为一种有效的手段。
19、度结构方面，已成为一种有效的手段。1.2.2.1 地震波地震波 地震是一种自然现象，按成因分为地震是一种自然现象，按成因分为 构造地震构造地震 火山地震火山地震 崩塌地震崩塌地震 全球性的地震带有：全球性的地震带有：环太平洋地震带环太平洋地震带 海岭地震带海岭地震带 欧亚地震带欧亚地震带 我国也是地震多发区，破坏性地震大都聚集在一些狭窄我国也是地震多发区，破坏性地震大都聚集在一些狭窄 地带内。按照地震活动性和地质构造特征，可把我国分成地带内。按照地震活动性和地质构造特征，可把我国分成23个地震活动带，见图个地震活动带，见图2-6 1.2.2.2 天然地震天然地震1.2.2.2 天然地震天然地震
20、 图图2-6 我国的地震活动带我国的地震活动带 震级震级是地震固有的属性，它仅与地震释放的能量有关是地震固有的属性，它仅与地震释放的能量有关，而与观测点的远近或地面土质情况无关，所以可利用地，而与观测点的远近或地面土质情况无关，所以可利用地震波的最大振幅、平均周期和震中距来计算震级。震级即震波的最大振幅、平均周期和震中距来计算震级。震级即可以用体波也可以用面波来计算，但对同一地震，计算出可以用体波也可以用面波来计算，但对同一地震，计算出的体波震级和面波震级是不同的。的体波震级和面波震级是不同的。地震烈度地震烈度是地面某点观测的地震效应的量度，它不但是地面某点观测的地震效应的量度，它不但与地震的
21、震级有关，而且与震中距离、震区地质条件、建与地震的震级有关，而且与震中距离、震区地质条件、建筑物的类型等都有关系。人们根据地震所产生的自然现象筑物的类型等都有关系。人们根据地震所产生的自然现象、对建筑物的破坏及人的感觉将地震烈度分为十二个等级、对建筑物的破坏及人的感觉将地震烈度分为十二个等级。1.2.2.2 天然地震天然地震 全世界全世界90以上的地震属于构造地震，关于构造地震以上的地震属于构造地震，关于构造地震成因的断层学说的基本观点是：成因的断层学说的基本观点是：当地壳变形时，能量以弹性应变能的形式储存在岩石中，当地壳变形时，能量以弹性应变能的形式储存在岩石中，直到某一点积累的形变超过了极
22、限，岩石就发生破裂，或直到某一点积累的形变超过了极限，岩石就发生破裂，或者说产生了断层。断层两盘回跳到平衡位置，储存在岩石者说产生了断层。断层两盘回跳到平衡位置，储存在岩石中的应变能便释放出来。中的应变能便释放出来。一部分应变能转化为热，一部分用于使岩石破碎，还一部分应变能转化为热，一部分用于使岩石破碎，还有一部分转化为使大地震动的弹性波能量。在断裂前，断有一部分转化为使大地震动的弹性波能量。在断裂前，断层附近的剪切应变如图层附近的剪切应变如图2-7a、b、c所示，经历了正常状态所示，经历了正常状态、应力集中、岩层破裂等阶段，地震时岩层发生弹性回跳、应力集中、岩层破裂等阶段，地震时岩层发生弹性
23、回跳恢复正常，见图恢复正常，见图2-7d。1.2.2.3 震源机制震源机制1.2.2.3 震源机制震源机制(a)(b)(c)(d)图图2-7 弹性回跳理论示意图弹性回跳理论示意图 （1）震源模型）震源模型 图图2-8a为单力偶模型，力偶在为单力偶模型，力偶在XOY平面内沿平面内沿Y轴作用，轴作用，YOZ平面相当于直立的震源断层面。见图平面相当于直立的震源断层面。见图2-8b，当，当P波到波到 达时，箭头前方介质受到压缩，而后方介质受到拉伸，位达时，箭头前方介质受到压缩，而后方介质受到拉伸，位 移的垂直分量分别是向上和向下移的垂直分量分别是向上和向下(常用常用“+”号和号和“”号号表示表示)。震
24、源周围的空间被两个互相正交的平面。震源周围的空间被两个互相正交的平面(称节面称节面)分隔成分隔成 初动压缩和膨胀交替排列的四个区域。随后，两节面扩展初动压缩和膨胀交替排列的四个区域。随后，两节面扩展 后与地面的交线后与地面的交线(称节线称节线)把把P波初动符号分成正负相间的四波初动符号分成正负相间的四个象限。个象限。1.2.2.3 震源机制震源机制YXYX0Y0ZXPTPT(a)(b)(c)0YXZ图图2-8 震源力学模型震源力学模型 双力偶模型双力偶模型 双力偶模型所引起的双力偶模型所引起的P波初动符号分布与单力偶模型相同波初动符号分布与单力偶模型相同，并且两个模型均等效于图，并且两个模型均
25、等效于图2-8c中的主压应力中的主压应力P和主张应和主张应力力T，即由两个模型模拟产生的地震波相当于由上述主应，即由两个模型模拟产生的地震波相当于由上述主应力释放产生的地震波。力释放产生的地震波。理论和实践均表明，用双力偶模型模拟震源运动较为合理论和实践均表明，用双力偶模型模拟震源运动较为合理。理。根据根据P波初动方向可求得断层面的走向、倾角及断层错动波初动方向可求得断层面的走向、倾角及断层错动方向等断面参数。方向等断面参数。（2）海洋地震的震源机制）海洋地震的震源机制（3）大陆地震的震源机制）大陆地震的震源机制1.2.3.1 地球磁场的基本特征地球磁场的基本特征 固体地球是一个磁性球体，有自
26、身的磁场。根据地磁固体地球是一个磁性球体，有自身的磁场。根据地磁力线的特征来看，地球外磁场类似于偶极子磁场，即无限力线的特征来看，地球外磁场类似于偶极子磁场，即无限小基本磁铁的特征。但其磁轴与地球自转轴并不重合，而小基本磁铁的特征。但其磁轴与地球自转轴并不重合，而是呈是呈11.5的偏离（如图的偏离（如图2-9所示）。地磁极的位置也不是所示）。地磁极的位置也不是固定的，逐年都有一定的变化。固定的，逐年都有一定的变化。确定地磁场状态的三要素确定地磁场状态的三要素磁场强度磁场强度F磁偏角磁偏角D磁倾角磁倾角I1.2.3 地磁场地磁场1.2.3.1 地球磁场的基本特征地球磁场的基本特征图2-9 地球的
27、磁场地图图2-10 磁正异常对埋藏的矿床和深部地质构造的指示磁正异常对埋藏的矿床和深部地质构造的指示 将地磁场比作偶极子磁场的说法中，隐涵着地磁场是将地磁场比作偶极子磁场的说法中，隐涵着地磁场是永久不变的这一假定。但实际上不仅磁极在不断发生摆动永久不变的这一假定。但实际上不仅磁极在不断发生摆动，从发现地磁场以来，人们还逐渐发现了磁偏角在几十到，从发现地磁场以来，人们还逐渐发现了磁偏角在几十到几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这几百年的时间内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作一性质被称作地磁场的向西漂移地磁场的向西漂移。磁暴磁暴是一种急剧的地磁场变化现象，也是一种危害
28、性是一种急剧的地磁场变化现象，也是一种危害性很大的灾害性自然现象。在发生磁暴时，不仅地磁场要素很大的灾害性自然现象。在发生磁暴时，不仅地磁场要素会发生激烈的跳跃式变化，还会使电力线受到破坏、通信会发生激烈的跳跃式变化，还会使电力线受到破坏、通信线路和信号中断、变压设备发生故障、绝缘电缆被击穿等线路和信号中断、变压设备发生故障、绝缘电缆被击穿等。一般认为，磁暴是由太阳活动所引起。一般认为，磁暴是由太阳活动所引起。1.2.3.1 地球磁场的基本特征地球磁场的基本特征较重要的三种假说较重要的三种假说 铁磁体假说铁磁体假说 热电假说热电假说 双圆盘发电机假说双圆盘发电机假说1.2.3.2 地磁场起源的
29、成因假说地磁场起源的成因假说图2-11 热电假说模型 地磁场的长期变化现象，如向西漂移。地磁场的长期变化现象，如向西漂移。地磁场的短期变化现象，如地球的昼夜变化、磁暴等。地磁场的短期变化现象，如地球的昼夜变化、磁暴等。古地磁学，依靠岩石作为研究古磁场的特殊古地磁学，依靠岩石作为研究古磁场的特殊“化石化石”。地磁极的反转，即南北极互相颠倒的现象。地磁极的反转，即南北极互相颠倒的现象。地球是一个椭球体。根据大地测量的结果，地球的赤地球是一个椭球体。根据大地测量的结果，地球的赤道半径为道半径为6378km，极向半径为，极向半径为6357km，扁率为，扁率为1298.3，平均半径，平均半径6371km
30、，体积为，体积为1.0831021m3。地球的质量可以根据万有引力定律及牛顿第二定律求地球的质量可以根据万有引力定律及牛顿第二定律求得。牛顿第二定律指出，物体的重力加速度与作用于物体得。牛顿第二定律指出，物体的重力加速度与作用于物体 的力的力F成正比，与其质量成正比，与其质量m成反比：成反比：1.2.3.3 地磁场反转与大陆飘移地磁场反转与大陆飘移1.2.4 密度重力场密度重力场 aFm (2-12)就自由落体来说，就自由落体来说，a是由于重力是由于重力g而产生的重力加速度而产生的重力加速度，从而，从而 Fmg (2-13)与万有引力定律合并，得出与万有引力定律合并，得出 Fmg=G(mMR2
31、)(2-14)消项并改写得出消项并改写得出 MgR2G （2-15)式中，式中，M代表地球的质量，代表地球的质量，g为重力加速度为重力加速度(9.8m/s2)，R为为 地球的平均半径，地球的平均半径，G=6.6710-11Nm2/kg2为引力常数。据为引力常数。据 上式得出地球的质量为上式得出地球的质量为5.9751027g，除以地球体积后，除以地球体积后，所所 获得地球的平均密度为获得地球的平均密度为5.52103kgm3。1.2.4 密度重力场密度重力场铁，镍，硅FeO，MgO,SiO2，Al2O3超镁铁岩石富硅酸盐岩石内核外核地幔地壳30400700290051506371深度，Km密度
32、，g/cm3成分3.03.36.09.5011.511.512.0固体金属液体金属图图2-13 地球密度分布图地球密度分布图地球的平均密地球的平均密度远高于地壳度远高于地壳的平均密度，的平均密度，因此地球内部因此地球内部物质的密度必物质的密度必定比地表物质定比地表物质大得多。大得多。地球上某处的重力是该处所受到的地心引力与地球自地球上某处的重力是该处所受到的地心引力与地球自转离心力的合力。转离心力的合力。根据牛顿定律根据牛顿定律G=fM/r2，重力加速度与地球的质量成，重力加速度与地球的质量成正比，而与半径的平方成反比。因此地表的重力随着纬度正比，而与半径的平方成反比。因此地表的重力随着纬度值
33、的增大而增加。值的增大而增加。最后，根据球体公式最后，根据球体公式V=4r3/3和密度公式和密度公式=M/V，通，通过简单的数学变换，可以将由牛顿定律所求出的地心处重过简单的数学变换，可以将由牛顿定律所求出的地心处重力表示为力表示为 （2-16）从式中可以看出：因为地心处的半径从式中可以看出：因为地心处的半径r=0，所以尽管，所以尽管在地心处的物质密度增加到最大值，地心处的重力仍递变在地心处的物质密度增加到最大值，地心处的重力仍递变为零。为零。1.2.4.1 地球上的重力地球上的重力rfG34 进行重力研究时，将地球视作一个圆滑的均匀球体，进行重力研究时，将地球视作一个圆滑的均匀球体，以其地水
34、准面为基准，计算得出的重力值称作以其地水准面为基准，计算得出的重力值称作理论重力值理论重力值。对均匀球体而言，地表的理论重力值应该只与地理纬度。对均匀球体而言，地表的理论重力值应该只与地理纬度有关。但实际上，不仅地球的地面起伏甚大，内部的物质有关。但实际上，不仅地球的地面起伏甚大，内部的物质密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异。这些密度分布也极不均匀，在结构上还存在着显著差异。这些都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离，在地学都使得实测的重力值与理论值之间有明显的偏离，在地学上称之为上称之为重力异常重力异常。对某地的实测重力值，通过高程及地形校正后，再减对某地的实测重力值，通过高程
35、及地形校正后，再减去理论重力值，差值称作重力异常值。如为正值，称正异去理论重力值，差值称作重力异常值。如为正值，称正异常；如为负值，则称为负异常，如图常；如为负值，则称为负异常，如图2-15，2-16所示。所示。1.2.4.1 地球上的重力地球上的重力1.2.4.1 地球上的重力地球上的重力图2-15重力正异常图2-16 重力负异常 1.2.4.1 地球上的重力地球上的重力图2-17 重力异常在找矿中的应用 对地壳均衡补偿理论的探索对地壳均衡补偿理论的探索 普拉特的密度补偿模型普拉特的密度补偿模型 艾利的深部补偿模式艾利的深部补偿模式 现代研究表明，实际地壳均衡补偿过程比这两种理想模现代研究表
36、明，实际地壳均衡补偿过程比这两种理想模型都要复杂，应该是这两者按一定比例结合的结果。这意型都要复杂，应该是这两者按一定比例结合的结果。这意味着地壳确实存在着（如普拉特模型所指出的）横向物质味着地壳确实存在着（如普拉特模型所指出的）横向物质分布的不均一性，但地表显示的陆洋地形高差，则部分是分布的不均一性，但地表显示的陆洋地形高差，则部分是由密度补偿（约占由密度补偿（约占37%）、部分是由深部补偿（约占）、部分是由深部补偿（约占63）的结果。）的结果。1.2.4.2 重力均衡重力均衡1.2.4.2 重力均衡重力均衡图图2-18 重力均衡的深部补偿模式重力均衡的深部补偿模式 地球某处的压力是由上覆地
37、球物质的重量产生的静压力。地球某处的压力是由上覆地球物质的重量产生的静压力。静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力静压力的大小与所处的深度、上覆物质的平均密度及重力加速度呈正相关关系。加速度呈正相关关系。由于物质的密度随深度的增加是一种非线性递增的关系，由于物质的密度随深度的增加是一种非线性递增的关系，压力深度图也不是一条直线而是一条曲线，在地球表层压力深度图也不是一条直线而是一条曲线，在地球表层、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外、地壳和接近地心附近时压力增长较平稳，在下地幔和外核部分增长得较快。核部分增长得较快。利用密度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以利用密
38、度分布的规律来估算地球内部的压力状况，以截面为截面为1cm2的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到的岩石柱作为压力的计算表示法，可得到P=h/100（p压力；压力；h深度；深度；密度）密度）（2-17）1.2.4.3 地球的压力地球的压力1.2.5.1 地球内部的温度地球内部的温度1.2.5 温度场温度场 火山喷发、温泉以及矿井随深度而增温的现象表明火山喷发、温泉以及矿井随深度而增温的现象表明地球内部储存有很大的热能。但从地面向地下深处，地热地球内部储存有很大的热能。但从地面向地下深处，地热增温的现象随着深度的改变是不均匀的。地面以下按温度增温的现象随着深度的改变是不均匀的。地面以下按温度变化的
39、特征可以划分为三层：变化的特征可以划分为三层：l外热层（变温层）外热层（变温层）l常温层常温层 该层地温与当地的年平均温度大致相当，且该层地温与当地的年平均温度大致相当，且常年基本保持不变，其深度大约为常年基本保持不变，其深度大约为2040m。l增温层增温层 在常温层以下，地下温度开始随深度增大而在常温层以下，地下温度开始随深度增大而逐渐增加。大陆地区常温层以下至约逐渐增加。大陆地区常温层以下至约30km深处，大致每深处，大致每往下往下30m，温度会增加，温度会增加1；大洋底到；大洋底到15km深处，大致每深处，大致每加深加深15m，地温增高，地温增高1。图2-19 地球内部的温度、压力分布
40、地球是由内、外两部发动机驱动的，其中热能是地球地球是由内、外两部发动机驱动的，其中热能是地球最主要的能源。最主要的能源。地球从太阳吸收的能量，超过地球上全部煤炭储量完全燃地球从太阳吸收的能量，超过地球上全部煤炭储量完全燃烧后获得的热能的烧后获得的热能的300倍。但在地球吸收的太阳能中，有倍。但在地球吸收的太阳能中，有1/3左右的能量被反射掉，剩下的左右的能量被反射掉，剩下的2/3被地球表层系统吸收被地球表层系统吸收。地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中地球内部热能的来源问题尚无定论。一般认为，由岩石中放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。放射性元素衰变释放的热是地热的主要来源。
41、此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等此外，地球自转的动能和地球物质不断进行的化学作用等都可以产生大量的热能。都可以产生大量的热能。1.2.5.2 地球的能量地球的能量 铀、钍和钾的放射性同位素是衰变热源的主要供给者铀、钍和钾的放射性同位素是衰变热源的主要供给者。构成地壳上部的花岗岩和沉积岩层具有放射性元素含量。构成地壳上部的花岗岩和沉积岩层具有放射性元素含量最高的特点。在玄武岩中，它们的含量低好几倍，而且在最高的特点。在玄武岩中，它们的含量低好几倍，而且在上地幔岩石中最少。上地幔岩石中最少。在结构不同的大陆和大洋中，热流机制有本质的不同在结构不同的大陆和大洋中，热流机制有本质的不
42、同（图（图2-20）。在大陆上，热能的主要部分产生在地壳中，）。在大陆上，热能的主要部分产生在地壳中，而且主要是在花岗岩中，大陆玄武岩和来自地幔的热是不而且主要是在花岗岩中，大陆玄武岩和来自地幔的热是不大的；但大洋中的热主要来自地幔，只有很小部分的热流大的；但大洋中的热主要来自地幔，只有很小部分的热流产生于厚度和产热率都较小的玄武岩中。产生于厚度和产热率都较小的玄武岩中。1.2.5.2 地球的能量地球的能量1.2.5.2 地球的能量地球的能量图图2-20 大洋与大陆的热流平均值相当，但是他们的成因不同大洋与大陆的热流平均值相当，但是他们的成因不同 深部热的其它来源是地核物质的分异作用。这种来深
43、部热的其它来源是地核物质的分异作用。这种来源比起放射性物质的衰变热要小得多。源比起放射性物质的衰变热要小得多。岩石因放射性衰变产生热量的能力并不相同。花岗岩石因放射性衰变产生热量的能力并不相同。花岗岩产热能力最大，数值却很小，但是从全球规模上看，岩产热能力最大，数值却很小，但是从全球规模上看，放射性热对形成和维持地球热场的作用仍相当大。放射性热对形成和维持地球热场的作用仍相当大。1.2.5.2 地球的能量地球的能量 用地球物理的方法来解决采矿现场的实际问题，例如用地球物理的方法来解决采矿现场的实际问题，例如矿床的勘探问题，矿山动力现象，采矿工程问题等。矿床的勘探问题，矿山动力现象，采矿工程问题
44、等。一些特殊的采矿问题可用采矿地球物理方法来解决。一些特殊的采矿问题可用采矿地球物理方法来解决。方法包含微震法、振动法和地音法，重力法，地电法，还方法包含微震法、振动法和地音法，重力法，地电法，还有热法，原子能法等。有热法，原子能法等。有如下优点：有如下优点：（1）与打钻孔、掘巷道探测来说，观察、测量成本低；）与打钻孔、掘巷道探测来说，观察、测量成本低；（2）采矿中的许多现象和过程只能用采矿地球物理方法才）采矿中的许多现象和过程只能用采矿地球物理方法才能进行测量、记录和分析。例如岩体震动、冲击矿压、煤能进行测量、记录和分析。例如岩体震动、冲击矿压、煤和瓦斯突出等矿山动力现象；和瓦斯突出等矿山动
45、力现象；（3）获得的信息量大获得的信息量大；（4）研究测量具有非破坏性。研究测量具有非破坏性。1.3 采矿地球物理的任务及前景采矿地球物理的任务及前景可连续或即刻记录采矿作业引发的振动现象，以此可连续可连续或即刻记录采矿作业引发的振动现象，以此可连续评价、并在一定程度上预测研究区域的震动性及危险性，评价、并在一定程度上预测研究区域的震动性及危险性，如冲击矿压、煤和瓦斯突出等，并可以评价灾害防治措施如冲击矿压、煤和瓦斯突出等，并可以评价灾害防治措施的有效性。的有效性。提前认识岩体的结构及物理力学特性，如弹性模量、泊提前认识岩体的结构及物理力学特性，如弹性模量、泊松比等。松比等。可提前消除采掘面前
46、方冲击矿压危险地段和不安全地段。可提前消除采掘面前方冲击矿压危险地段和不安全地段。1.3.1 矿山压力矿山压力（1）对于采矿活动引发的地质动力现象的研究）对于采矿活动引发的地质动力现象的研究 地质动力现象的连续记录、评价、分析和诊断地质动力现象的连续记录、评价、分析和诊断采用微震法采用微震法和地音法和地音法 提前认识潜在的危险区域，如应力升高的地点提前认识潜在的危险区域，如应力升高的地点采用振动法采用振动法，地质电法，重力法和热法，地质电法，重力法和热法 评价灾害防治措施的效果评价灾害防治措施的效果采用振动法，地音法和地质电法采用振动法，地音法和地质电法 岩石物理力学参数的确定，可采用振动法就
47、可以完成。岩石物理力学参数的确定，可采用振动法就可以完成。1.3.1 矿山压力矿山压力 （2）其基础是测量两种不同类型的地震波（纵波和）其基础是测量两种不同类型的地震波（纵波和横波）在介质中的传播速度。这种方式得到的参数横波）在介质中的传播速度。这种方式得到的参数称之为动态参数，与实验室获得的静态参数有明显称之为动态参数，与实验室获得的静态参数有明显的区别，动态参数更接近于岩体的实际特性。的区别，动态参数更接近于岩体的实际特性。1.3.1 矿山压力矿山压力 可以对煤层的构造区进行探测和定位。可以对煤层的构造区进行探测和定位。采用振动法提前确定工作面前方煤层的构造问题。采用振动法提前确定工作面前
48、方煤层的构造问题。震动法可确定工作面煤层的构造问题。震动法可确定工作面煤层的构造问题。其他方法，如电磁波法、雷达法。其他方法，如电磁波法、雷达法。采用重力法也可获得一些地质方面的信息。采用重力法也可获得一些地质方面的信息。1.3.2 地质探测地质探测 采掘面区域内水的诊断，其灾害危险性评价，主要采用地采掘面区域内水的诊断，其灾害危险性评价，主要采用地质电法。质电法。井壁状况的评价，主要采用地质电法、振动法、重力法和井壁状况的评价，主要采用地质电法、振动法、重力法和雷达法。这些方法有时也用来确定支架后方的空洞。雷达法。这些方法有时也用来确定支架后方的空洞。放炮作业等振动效果的评价，以及震动对井下
49、和地表建筑放炮作业等振动效果的评价，以及震动对井下和地表建筑物影响的评价，可采用地震几何法。物影响的评价，可采用地震几何法。1.3.3 其他探测与评价其他探测与评价 采矿地球物理方法在解决地质、采矿技术、采矿安全采矿地球物理方法在解决地质、采矿技术、采矿安全技术问题的多样性和有效性，以及解决这些问题的先进性技术问题的多样性和有效性，以及解决这些问题的先进性和优越性，表明了采矿地球物理方法在解决采矿生产安全和优越性，表明了采矿地球物理方法在解决采矿生产安全技术问题方面的巨大潜力。技术问题方面的巨大潜力。采矿地球物理学中所采用的方法，如微震法、地音法采矿地球物理学中所采用的方法，如微震法、地音法、振动法等观测记录的信息多，分析处理的信息量也大。、振动法等观测记录的信息多，分析处理的信息量也大。借助计算机技术可建立一些新的地球物理模型，进一步解借助计算机技术可建立一些新的地球物理模型，进一步解决一些采矿、地质、安全等方面的复杂问题。可以预计，决一些采矿、地质、安全等方面的复杂问题。可以预计，二十一世纪采矿中应用的测量、观测方法主要将是地球物二十一世纪采矿中应用的测量、观测方法主要将是地球物理方法。理方法。1.3.4 采矿地球物理的前景采矿地球物理的前景
