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给地球做“CT”
发表时间:2018-07-27 来源:中国自然资源报 作者:符伟 侯贺晟 杨瑨 国瑞


圈层结构地球物理异常示意图

地球物理,顾名思义,就是利用物理原理来研究地球。地球物理工作者喜欢与医学CT 作类比,来解释自己的工作性质。的确如此,地球物理探测跟医学探测人体具有很多相似点。医学CT 的工作原理是向人体发射一束X 射线,由于人体各个组织对X 射线吸收能力不同,因此同一束X 射线透过人体后会发生不同程度的改变,将这种差异性改变转化成易于解释的图像即可用于医学诊断。地球物理探测也是利用地球内部结构的物理属性差异来研究其内部构造的,相当于给地球做“CT”。

经过近百年的发展,针对地球内部的密度差异、磁化率差异、速度差异以及导电性差异等,人们研发了一系列地球物理探测方法,包括重力勘探、磁法勘探、地震勘探以及电法勘探等。其中,重力、磁法和电法方法主要针对地下介质的整体效应,而地震方法主要针对速度、密度结构变化的突变界面,且具有更高的分辨率。

地球由各种各样的岩石以及包含在岩石中的流体所组成。每一种岩石在特定的温度、压力条件下都有其对应的物理属性参数,这是地球物理方法用于区分不同介质的基础。当然,这些物理属性并不是一一对应的,同样的物理属性可能代表不同的岩石以及不同状态下的岩石,这也是地球物理探测多解性的根源。因此,需要结合多种地球物理探方法进行判断,多数时候还须结合地质以及地球化学资料来进行判断。

通过深部地球物理研究,可认识地球的圈层结构。

目前流行的地球模型是将其分为三个基本圈层:地壳、地幔和地核。这个三个基本圈层又可以进一步细分,如地壳可分为上地壳、中地壳和下地壳,且分别具有明显的物性差异。总体上,地球内部随着深度的变化,其物理属性参数呈现递变变化,但又存在明显的属性突变界面。比如莫霍面,地球化学研究认为其为岩石的相变界面,在地球物理上主要表现为速度和密度的突变界面。在这些物理属性突变界面通常能够观察到明显的地球物理异常, 其中电法和地震法在纵向上比较敏感(深度方向),其异常明显,而重磁方法则不容易观测出深度方向的物性变化。我们将这些观测异常与岩石物理属性结合起来, 就可以解释地球内部圈层的变化特征。

同时,深部地球物理可观测到地球的横向不均匀性。

研究表明,地球并非是完全的圈层结构,同一圈层在横向上的物质组分、状态也会存在差异,这种明显的差异反映了地球的演化过程。比如,我们常说的板块的运动就是一种横向不均匀性。不同的板块具有不同的演化历史和物质组分,当其在构造运动中拼贴在一起时,其缝合线两侧具有明显的物性差异。最明显的就是大陆板块和大洋板块的界限。大洋地壳通常为硅镁质地壳,其速度和密度相对于大陆的硅铝质地壳要高,两者存在明显的物性差异,后者通常呈楔状插入到大陆板块之下。地球物理方法在跨越不同地体两侧进行勘测过程中,会得到明显的观测异常。

另外,深部地球物理还可探测深部局部异常。局部异常也是地球内部演化的产物,以深部岩浆囊为例,主要是一些熔融物质,其密度和速度通常高于周围的岩石,且可能具有磁性,其导电性一般较差,因此表现为高速、高密度、高电阻率、高磁性。在地球物理探测中,可通过针对其中某类属性的探测方法,得到这种属性的剖面图或者曲线图。

上述所讲的是什么样的地球深部结构对应什么样的地球物理异常。而通过地球物理研究地球深部结构,则是通过观测异常推断深部结构。这就需要我们综合考虑各项参数,将观测到的地球物理异常结合地质、地球化学资料进行综合分析。同时,还需要提高对地球物理观测数据的利用率,使得观测异常转化更为直观与精确。

目前,我国给地球做“CT”,让地球“透明”化,不仅有地震层析成像法, 还有电磁波层析成像法。这些方法不仅应用于石油天然气等能源矿产勘探领域,而且还应用于金属矿产、非金属矿产、水汽矿产勘探领域,为我国矿业的发展作出了巨大贡献。

(作者单位:中国地质科学院地质研究所、中国地质调查局科普办公室)


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