重力勘探是地球物理勘探的一个分支，它的物理基础是牛顿万有引力定律，重力勘探是天然场法（被动源法）。重力勘探根据观测的地球重力的变化研究地球的构造，勘探与开发矿产资源，进行灾害的预测与防治，以及解决一些力所能及的地质问题，从而为国民经济建设服务。

一、重力勘探的发展

重力勘探是利用组成地壳的各种岩矿体间的密度差异所引起的重力变化来寻找矿产或查明地下地质构造的一种地球物理勘探方法。重力勘探的前身是研究地球形状的重力测量学。

16世纪中叶，伽利略（1564～1642）发现自由落体定律，并测得重力加速度g。荷兰物理学家惠更斯（1629～1695）确定摆的摆动周期T与摆长及质量加速度之间的关系。1672年法国天文学家里舍发现地球上的重力大小随地而异的现象。

1687年牛顿在“自然哲学的数学原理”一书中用力学理论证实了里舍发现的正确性。随后，牛顿的推理又被法国科学院的两个测量队所证实，并逐渐形成一个专门学科——《重力测量与地球形状学》。1887年匈牙利斯坦尔涅克发明了测量相对重力的仪器——振摆仪，1896年匈牙利物理学家厄缶发现扭枰。

20世纪50～60年代，现代重力仪发展迅速，如美国制造的D—6重力仪。现在，陆地、海洋、井中和航空重力仪已应用广泛，并且精度越来越高。我国从80年代开始进行全国区域重力调查。自1979年之后，卫星重力异常的出现为研究全球构造提供了重要的基础数据。

进入21世纪以来，人工智能的进展与地球科学大数据方法，给地球物理带来了新的挑战和机遇。航空航天探测技术的发展对小型化、智能化提出了更高要求。

二、重力勘探原理

地球表面的重力是地球内部质量分布的引力、地球自转的惯性离心力和地球以外天体的引力之和。前两种力的强度比第三种力大得多。重力勘探主要讨论前两种力之和。

地表重力的平均值9.8m/s²，数值上与重力加速度相等。离心力场强（0.0339，m/s²）仅为重力值的1/289。因此：

引力加速度等于引力场强度；习惯上将加速度称“力”，提到引力和重力时，均系指引力加速度和重力加速度。

地球的重力场可分为稳定重力场和变化重力场，稳定重力场包括正常重力和重力异常。对重力勘探而言，变化重力场影响很小，除高精度重力测量外，一般都可以忽略，正常重力场属于干扰，应予消除，只有由于地下岩石矿物密度分布不均匀所引起的重力变化，或地质体与围岩密度的差异引起的重力变化才是我们需要的重力异常。

假定正常椭球体的：表面光滑；内部密度分布均匀，或者呈层分布且各层密度均匀；各层界面为共焦点的旋转椭球面。这样，其表面上各点的重力位便可根据其形状大小、质量、密度、自转的角速度及各点所在位置等计算出来。在这种条件下的重力位就称为正常重力位，求得的相应重力值就称为正常重力值。

由于地下岩石、矿物密度分布不均匀所引起的重力变化，或地质体与围岩密度的差异引起的重力变化或测点实测重力值与该点正常重力值之差，称为重力异常。注意：由于测点不一定在正常椭球面上，因此不一定正好是之前我们讲的正常重力值，只是该测点上的正常重力值。

三、重力测量方法

重力测量中，如果仪器测定出来的是该测点的重力绝对数值，则称其为绝对重力测量，主要用于建立高级别的基准观测站或进行地震监测等工作。如果测定出来的是该测点与另一测点（也可以是重力基准点）间的重力差值，则称为相对重力测量。主要用于找矿勘探和地质研究工作以及建筑工程项目。

重力测量得到的实测数据是重要的原始资料。重力测量可分为地面、航空、海洋、井中以及卫星几种测量方式。

EIGEN-CHAMP03S解算的全球卫星重力异常

重力勘探要求能测量出重力场的微弱变化，即要求能可靠地测量出1~10 g.u. ，甚至更小的重力变化，该值约占地球平均重力值的千万分之一到百万分之一，因此要求重力仪具有高灵敏度、高精度、轻便化、数字化和自动化等良好性能。

四、重力勘探工作

重力勘探地质任务有如下几方面。（1）区域地质调查：利用重力异常配合其它有关资料能有效地研究地壳深部构造（如莫霍界面、结晶基底起伏），研究区域地质构造，划分构造单元，进行地质填图等。（2）石油、天然气和煤田地质勘探：重力资料可用来圈定沉积盆地，研究沉积层厚度，寻找与石油天然气和煤田有关的构造。（3）金属和非金属矿产勘探：利用重力资料配合磁测资料可以圈定成矿带，也可以直接找矿（如铬铁矿、磁铁矿等）。（4）水文工程：重力异常用来寻找断裂、破碎带、溶洞及古河道。

测量精度是衡量野外观测质量的重要标志，也是决定技术措施、工作效率和成本的重要指标。精度用异常的均方误差来衡量，包括重力观测值的均方误差和各项校正值的均方误差。精度应根据地质任务和工作比例尺来确定。例如，金属矿普查，精度取最小的、有意义的异常幅值的1/3-1/5。

比例尺及测网应根据工作任务、探测对象的规模及异常特征而定。测线应垂直于探测对象的走向。

具体重力勘探工作有如下方面。（1）明确工区范围、地理位置及工作目的与任务，开展野外工作所需人员配备、仪器设备型号等；（2）收集有关本区及邻区的地质、物性资料和前人工作成果，必要时应实地踏勘并完成一定数量的密度标本测试；（3）确定工作比例尺，测网形状、测线方向、测量时具体技术方法，测量精度要求及精度误差分配标准；（4）是否建立基点网以及基点网的精度要求；（5）确定开展野外工作所需人员配备和素质、仪器设备型号和数量、工作进度，施工顺序；（6）所需经费预算、安全措施等等。

五、数据处理和解释

观测重力值除反映地下密度分布外﹐还与地球形状﹑测点纬度、高度和地形不规则有关。因此﹐在作地质解释之前必须对观测重力值作相应的改正﹐才能反映出地下密度分布引起的重力异常。重力改正包括自由空气改正﹐中间层改正﹐地形改正和均衡改正。观测重力值减去正常重力值再经过相应的改正﹐便得到自由空气异常﹑布格异常和均衡异常（地壳均衡）。在重力勘探中主要应用布格异常。为研究地壳均衡﹐地壳运动和地壳结构也需要应用均衡异常和自由空间异常。在平坦的地形条件下﹐常用自由空气异常代替均衡异常。

布格重力异常、自由空气重力异常和均衡重力异常所经过的外部校正不同，而不同校正，对地球质量作了不同的调整，因此不同的重力异常的地质、地球物理含义亦不同。

数据处理和转换方法研究有如下方面：

数据网格化和随机化方法研究（二维、三维和四维数据）；位场数据拼接方法研究（二维、三维和四维数据）；位场数据圆滑和分离方法研究（二维、三维和四维数据）；不同时期、不同位置、不同分量数据的融合技术。

规则面（平面，球面，椭球面）位场处理和转换（延拓，各阶导数，分量，张量及其梯度等；重力分量及张量转换等；磁化方向和磁分量转换等）。非规则面（曲面）位场处理和转换（延拓，各阶导数，分量，张量及其梯度等；重力分量及张量转换等；磁化方向和磁分量转换等）。

重力勘探解释有定性解释是根据重力图并与地质资料对比﹐初步查明重力异常性质和获得有关异常源的信息，根据观测异常及已知参数定性判断地质体的性质。定量解释是根据观测异常及已知参数定量或半定量计算地质体的参数。由于重力反演存在多解性﹐因此﹐必须依靠研究地区的地质﹑钻井﹑岩石密度和其他物探资料来减少反演的多解性。

重力数据反演方法研究有如下方面：单参数地质体特征位置反演方法研究（密度体或磁性体中心位置反演，边缘位置识别及深度反演，磁性体最小埋深反演）；单参数几何位置反演方法研究（密度界面深度反演，磁性界面深度反演，几何位置反演）；单参数物性反演方法研究（密度参数反演，磁性参数反演）；多参数联合反演方法研究（重磁联合反演，重震联合反演，重磁电联合反演，重磁电震联合反演；结合地质的联合反演等）；多参数统计分析方法研究（重磁对应分析，回归分析，模式识别）。

重磁震联合反演剖面

 六、重力勘探的应用

重力勘探相对来说具有经济、勘探深度大以及快速获得面积上信息的几个优点，因而获得了比较广泛的应用。

（1）比较行星学研究：探测球外星体的地质问题。

（2）全球构造研究：地球圈层构造（莫霍面深度，居里面深度），大地水准面起伏等。

（3）大地构造研究：海底扩张，大陆漂移，板块构造等。

（4）区域构造：断裂分布，岩体分布，地层分布等。

（5）盆地构造研究：断裂分布，凹陷分布、岩体分布等。

（6）矿产资源勘探：岩体分布、矿体分布等。

（7）工程及自然灾害：地基、天然地震、地质灾害等。

（8）军事目的：导弹定位等。

中国陆域布格重力异常图

  随着重力测量仪器精度及稳定性的提高以及新的先进仪器的出现，观测手段的改进，数据处理及解释水平的提高，重力勘探法必将开辟出新的应用领域。