海洋论坛▏航空、航海重力和重力梯度在海洋、未知陆地战略勘探的发展
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由于深海资源的各种优势，其对于我国未来发展具有非常重要的作用，而在目前的海洋资源中，最受人们关注的要属于大洋中的油、气资源和可燃冰资源。我国重视深海的主要原因是中国的陆地情况较为复杂，多为山地，同时我国内陆的地质构造运动非常剧烈，能够形成稳定油气的沉积盆地非常少，导致中国陆地很难形成像中东地区或者墨西哥湾那样的大型油气盆地，其中多数属于难以开采的油气资源。近10年来，我国大多数的东部主力田陆续进入产量递减阶段，开发难度增大，开发成本增加，因此在这种态势下，我们要开发更加适合于我国目前情况的能源、资源战略部署。鉴于陆上油气资源的严峻形势，油气资源勘探开发转向海洋尤其是转向深海已成必然趋势，这也符合世界性的石油勘探开发潮流。因此，战略科学家们将目光投向海洋，由于海洋的生油环境和储油环境较为稳定等主要地质特征，使得油气资源的品质高，原油的纯度要远远高于陆地中石油的纯度。依据20世纪末期的数据，美国联邦地质调查局(USGS)和《油气杂志》(OGJ)曾认为海上油气资源量分别占全球的27.9% 和32.1%，但其2010年的数据显示，海洋油气资源量分别约为1900×108t和164×1012m3，分别占世界的47%和50%，已经初步探明储量约为540×108t和47×1012m3，占世界的28.4%和24.9%。通过目前已经查明的海洋油气资源已经占据全球油资源的一半，而且海洋资源的探明或发现程度要低于陆地，因此海洋具有更巨大的油气勘探和开采潜力。根据HIS咨询公司的历史数据，统计了每10年深水油气发现储量占全球新发现储量的比例，20世纪70年代小于5%，20世纪80年代和90年代分别约为35%和40%，21世纪前10年约为60%；其另一份报告显示，如果仅统计可采储量超过6850×104t油当量的重大发现，自1999年到2005年，全球一半以上的油气重大发现均来自水深超过500m的深海，深水油气探明储量占总探明储量的40.8%。据伍德麦肯锡公司的统计，2006～2009年，全球所发现的油气有50%位于水深超过2000ft(约600m，1ft=0.3048 m)的深海，若仅统计近几年来的数据，这一比例已上升至75%。海洋油气资源开采对于现代高速发展的社会具有非常重要的作用。
同时，深海中还有一项非常重要的能源———天然气水合物(可燃冰)，被称为人类最后的能源，也是非常重要的深海能源。目前我国在南海大陆坡天然气水合物勘探试采方面，与美国俄罗斯及个别欧盟国家相比还存在差距，我国的学者们也主要向这个方向努力解决勘探和开采的问题。海洋地质构造问题也一直是全球地质学家关注的热点，海洋地质构造演化、板块碰撞理论，大陆漂移学和海底莫霍面的变化情况，海洋地质构造特征与大陆地质构造特征的区别与联系，丰富海洋的地质构造演化历史并与目前陆地构造演化研究结果相结合得出全球总体的地质构造演化特征。海洋盆地深部地壳结构、构造形态等问题尚未有确切的答案，这些问题的解决对海洋盆地的形成机制、大陆、海洋板块的演化、成因和深海盆地油气资源形成等具有重要的意义。海洋的地质构造特征一直难以解决的问题是地质学家们无法真正潜入海底观测海底的地质构造特征，只能通过海洋科学钻探与海洋地球物理勘探方法相结合来深入研究海洋地质构造特征。目前，海洋地球科学研究进展缓慢，主要受海洋勘探方法所制约，国家的深海、深地计划也主要关注该问题的解决。从这些统计资料中，我们可以看出世界油气资源战略开发逐渐由陆地转向海洋． 我国对于深海资源的勘探和调查工作开展较早。早在1978年4月，我国的考察船便从4784m深的地质取样中获得多金属结核。但是，由于受到海权、资金投入和技术研发等因素的制约，与西方发达国家相比，我国对海洋资源的开发和利用尚处于起步阶段，综合开发指数为3.4%，略低于5%的世界平均水平，更是要远远低于一些发达国家近20% 的综合开发指数。从21世纪开始，我国就重点开发海洋，尤其是在这个五年计划中，更是将深海资源勘探列为国家未来发展的重点，以“进入深海—认知深海—探查深海—开发深海”为战略开发主线，突破制约深海探查能力的核心关键技术之一———航空、船测重力和重力梯度测量，这些仪器的关键技术的拥有将确保我国在未来深海资源探查和深海地球科学问题解决中处于有利地位。目前，国外的高精尖、高精度的海洋勘探设备是对我国长期封锁的，而且自主研发的仪器装备具有更强的可靠性以及安全性。
虽然，现阶段国家的能源战略主要集中在海洋领域，但是陆地上的资源也是我国未来发展的重中之重。目前为止，中国陆上还存在很多的地质盲区，在一些地区很难进行常规的地球物理勘探和地质调查研究(湖泊、沼泽地、丛林、崎岖山区、沙漠、冰层覆盖区、陆一水交界处、自然保护区、河流三角洲等等)，很多潜在矿藏和油气藏难以勘查。尤其是在我国西部地区还存在着大面积的地质空白区，主要分布在青藏高原、新疆天山地区，面积大约为195 万平方公里。同样，在西北、西南、华南以及东北三江平原还有着大面积的区域地质、地球物理勘查程度比较差的地区。常规的地球物理勘探方法不仅很难较好地开展，而且工作人员还存在着较大的危险，同时勘探成本非常巨大。但是，这些地区的资源对于现在飞速发展的经济具有非常重要的推动作用。虽然，高精度航空、船测重力和重力梯度仪的主要研究应用目标是深海，但是其研究成果同样可以应用于这些复杂的陆地区域能源、资源勘探，并填补我国陆地地质盲区，为今后全国大范围的地质构造研究提供重要地球物理数据支撑。
随着国家对于能源需求的加大，航海、航空重力和重力梯度勘探已经迫在眉睫，科学家们应该加快这方面仪器的研究，紧随世界发展的方向，确保我国在未来发展中处于有利地位。
一、重力、重力梯度勘探应
⒈资源勘探领域应用
经过长时间的地球物理勘探发展，常规的地球物理勘探方法已经形成一套完整的工作体系，在目前的地球物理勘探中起到非常重要的作用，解决了大部分的资源勘探、地质构造特征等问题。虽然如此，但是还有开发更多的地球物理方法来解决目前存在的多种问题． 尤其是在环境恶劣的地区以及海洋地区，常规的地球物理勘探方法(例如地震勘探)很难在这些区域发挥以往的作用，为此我们需要开发出具有更强灵活性的勘探设备和对应的研究方法。其中，重力是一种非常有效的地球物理勘探方法，为了解决海洋重力勘探和复杂山区的重力勘探问题，国外首先开展了航海、航空重力测量仪器以及数据处理技术的研究，随后为了更加精细地研究这些区域的地下资源分布以及地质构造情况，提升勘探效率以及降低勘探成本，国外开展了更高精度的航海、航空重力梯度仪器以及数据处理解释方法的研究，在一些以往难以突破的地区取得了一定的进展，以北美墨西哥湾的大型油田为例，航空重力和航空重力梯度测量能力以及解释方法的拥有，使得人们发现很多未知的油气资源。同时，重力和重力梯度的测量关系着国家的安全，对于我国国防以及军事具有非常重要的作用． 近几年国内的航海、航空重力仪器已经得到飞速发展，测量精度已经达到勘探要求。目前，国内中船重工第七〇七研究所、华中科技大学等高校和研究所已经在开展这方面工作了，并取得巨大的成功，相信在不久的将来我们也可以掌握这门技术。
在过去的资源勘探中，重力和重力梯度方法在石油和金属矿勘探中的启到非常重要的作用，局部构造或岩体、矿体引起的局部异常在重力和重力梯度数据处理过后非常明显且突出。无论是重力数据还是重力梯度数据，它们都具有非常高的水平分辨率，尤其是重力梯度数据，利用边界分析方法其可以在二维水平面上可以对其异常源进行定位，从而可以发挥其在资源勘探和地质构造研究中的重要作用。重力异常梯级带可以清楚地显示出一些大构造、大断裂的水平位置。在通常情况下，控制油气藏或矿体的次一级裂被较大的构造所掩盖，应用重力垂向导数的进行相关分析，能够有效地发现这些次级断裂。目前，重力和重力梯度勘探方法已经发挥了非常重要的作用，各种重力和重力梯度处理反演方法已经在能源、资源勘探中发挥非常重要的作用． 其中，在墨西哥油田勘探过程中，普通的地震勘探方法虽然可以很好地找到岩丘分布位置，但是由于岩丘中地震波很难穿透，在某些区域很难确定岩丘的界面，因此就很难将储油的具体断裂位置找到，为后期的钻井勘探工作带来很高的成本(图1)。
黄线为重力梯度反演得到的岩丘底界面
图1 墨西哥湾某研究区域的地震剖面
而其与重力梯度勘探方法的相结合可以很好地解决这一方面的问题。重力勘探和重力梯度勘探在非常的发展中一定是相辅相成的，利用低成本的重力勘探设定异常靶区，再利用重力梯度对特定靶区进行更加细致地研究，利用这种勘探方法可以有效地降低深海资源勘探的成本并且提升深海资源勘探的效率。这些都是由于重力勘探很难解决这种精细的地质问题，很难更好地反演岩层的倾斜度、浅部的构造变化形态等细节问题，重力梯度测量方法的出现正好拟补了这部分缺陷。在地下空间的微细变化研究中，重力方法也发挥着非常重要的作用，利用重力梯度静态测量可以有效对油气藏具有随时间变化进行有效监测，利用该方法可以监测生产过程中石油的移动轨迹等。利用重力梯度变化特征可以研究盆地与盐丘的边界变化特征，对于油气的运移过程研究提供相应的地球物理信息提出了一个寻找地下岩石密度的突变方法———应用重力异常水平梯度极大值的位置，通过这种方法可以研究、识别密度边界及地质接触带的倾斜方向，从而找出地下地质构造发生变化的位置，可以更好地找到油气运移的通道。同时，重力、重力梯度相互结合，提升各自勘探方法的性能以解决浅部地质问题或者微小构造问题，可以很好地解决在陆地油气资源勘探已经成熟的区域，开发该区域的油气继续开发潜力。高性能、高机动性地航空重力、重力梯度测量可以很好地应用于地质填图，包括确定区域构造形态、类型和分布，划分断裂构造，区分火成岩特征和地下地质体密度特征等。
⒉军事国防领域应用
重力测量在军事国防领域主要包括四个方面: ①远程武器精确制导中的应用，地球重力场的各项参数对于战略武器的命中的影响主要体现在初始对准和精确制导的影响。根据各项资料显示，地球重力场要是对战略导弹的影响可以达到2～3km。为了提高重力信息在远程武器中的应用，美国率先开展各项重力测量技术，作为重要的战略武器支持，早在20世纪50年代就针对该项技术制定了全球重力测量计划。通过卫星、航空、航海等重力测量手段在其本土领域布置了精密的重力网，同时还利用各项技术在其能测量的范围进行高精度重力信息获取，于此同时还收集了各国的重力信息资料来对其全球重力信息计划进行丰富；②潜艇水下长时间自主导航中的应用，确保高精度惯性导航系统的精确定位，降低由于重力信息引起的累积定位误差；③卫星高精度定轨中的应用，根据全球的重力场信息对地球椭球模型进行更加精细地描述，确定与真实情况最相符合的重力椭球模型参数。该项研究对于军事成像侦查卫星，定轨精度以及精确的轨道参数将直接影响其对地观测的精度；④潜艇水下安全航行，根据实时获取的重力信息可以有效地评估潜艇与水下山体的大致位置，进而来确保潜艇在水下航行的安全；⑤水下和地下军事设施以及军事活动探测，美国曾在加州Vandenberg 空军基地的地下导弹发射设施上方利用重力梯度仪进行勘测实验，并测到了30E的重力梯度异常。
地球重力场信息无论是在资源领域勘探应用，还是在军事领域都有着至关重要的作用。因此，快速发展我国重力测量能力对为了发展是非常重要的。航海、航空重力和重力梯度测量具有快速、经济、灵活等特点，还可以针对人类难以进入的未知区域进行探查，填补国家在陆地未知区域的地质构造研究和矿藏分布特征，在难以开展地震勘探的山区的油气资源进行探查。致力于国家的未来发展需要，在全面进入海洋时代，填补国家在海洋重力、重力梯度勘探方面的空白，进行快速的海洋重力、重力梯度填图，支援国家深海计划，解决将要面临能源匮乏的问题以及国家军事安全领域问题。
二、航空、航海重力仪和重力梯度仪研制情况
为了更加快速发展在地球重力场方向测量以及研究，各国针对不同测量物理量，研制出不同类型的重力测量仪器可分为标量重力仪、矢量重力仪和重力梯度仪。其中，标量重力仪只能对地球重力场的垂直分量进行测量；矢量重力仪除了可以对地球重力场垂直分量进行测量，同时还有分辨地球重力场在水平方向的分量；最为关键的的重力测量设备是重力梯度仪，该设备的可以获取地球重力位场在水平和垂线三个方向的二阶导数，具有更高的分辨率，对地球密度扰动更加敏感，因此比重力异常具有更小尺度的空间分布特征，能够提供更加全面、更加丰富的重力特征信息，可对局部信息进行精细描述。
⒈国外航空、航海重力和重力梯度仪发展情况
目前，矢量重力仪的研制并不是特别完美，因此我们所说的重力仪一般都是指的是标量重力仪。航空、航海重力仪的原理主要分为三种：双轴陀螺稳定平台式、三轴惯性稳定平台式和捷联数学稳定平台式。双轴陀螺稳定平台航空、航海重力仪是最早可以应用的动态重力仪，在20世纪50年代美国Lacoste＆Romberg公司生产出第一台带稳定平台且可以应用于动态测量重力仪，该仪器的核心敏感器是零长金属弹簧，并将其安装在稳定平台上隔离载体的运动。在接下来的发展中，德国、俄罗斯等也开发出类似原理的航空、航海重力仪，只是核心敏感器的材料有所差异。主要的代表产品有：美国Lacoste＆Romberg 公司的L＆R系列(图2)和贝尔航空公司的BGM 系列、德国Bodenseewerk公司的KSS系列以及俄罗斯中央科学研究所的Chekan-Am 重力仪。目前，国外研制的动态重力仪的测量精度均在1mGal左右，动态测量范围小于20Gal． 在后续的研究中，人们发现双轴陀螺稳定平台难以完全消除水平加速度对敏感器的输出结果的影响，很大程度地限制了仪器在高动态环境下的应用性能。为此，各国科学家在21世纪初在原有的双轴平台上再增加一个方向，研制出三轴惯性稳定平台的航空、航海重力仪，具有更强的环境适应性。主要的代表有加拿大SGL公司的AIRGrav(图片3)重力仪，其原理方案是三轴稳定平台加石英挠性加速度计敏感器方案。该设备在1999年进行首次试飞，其测量精度可达到0.5mGal，分辨率优于2km，动态测量范围为在2000Gal内，在此型重力仪基础上开发出海洋重力仪———Marine AIRGrav，同样具有很好的测量性能。
图2 L＆R海洋重力仪
图3 AIRGrav重力仪
此后，2001年莫斯科重力测量技术公司进行GT-1A航空重力仪首次试飞。GT-1A也是基于三轴平台原理开发的，只是其有两个加速度计作为其核心敏感器。后续为了适应重力测量应用领域需求，对GT-1A进行升级改造研制出GT-2A(图4)性重力仪，并以此为基础研制了海洋重力仪GT-2M(图5)。目前，该仪器是国内应用比较广泛的海空重力仪． 其测量精度可以到达0.6 mGal，分辨率在2km附近，动态量程为10Gal。该原理重力仪是目前在实际应用中效果最好，精度最高的，正在逐步取代双轴阻尼稳定平台重力仪，成为未来市场的主要测量仪器。捷联式航空、航海重力仪:根据陀螺仪和加速计的特征研制的一种数学平台通过后续的数据处理，来去掉动态环境下引起的误差。其发展历程为：加拿大Calgrary大学在2世纪90年度出去开展了捷联惯导系统的航空标量重力测量系统(SISG)的研究，其测量精度为1.5mGal/2km。还有其他多个国家针对该项技术展开研究，但是没有形成较有竞争力的产品。
图4 GT-2A航空重力仪
图5 GT-2M海洋重力仪
重力梯度仪主要用于地球重力位场在三个方向的二阶导数———重力梯度张量。在20世纪70年代，为了满足军事领域需求，美军投入数十亿美元用于动态重力梯度仪器的研制，多家单位进行竞标研制，最后由贝尔宇航公司(现隶属于LOCKHEED MARTIN 公司)胜出，其研制的重力梯度仪的核心原理为旋转加速度计重力梯度仪，其最初的研制目的是为了辅助美国海军核潜艇的隐蔽航行，1982 年第一台产品交付且为美国国防核心秘密。在冷战结束后，该项技术进行部分解密并成功应用于其他领域如地质调查研究和地球物理勘探等，这种原理的重力梯度仪是目前唯一可以投入实际生产的重力梯度仪。该种原理重力梯度仪主要包括几种类型：FALCONTM部分张量重力梯度仪，Air-FTGTM全张量重力梯度仪，eFTG重力梯度仪，FTGeXTM重力梯度仪，这些重力梯度仪的测量精度在10E 左右，这类仪器装备的研制代表可移动式重力测量设备的最高精尖技术。 另外一类可以用于实际应用的重力梯度仪是法国ONERA实验室的静电加速度计重力梯度仪，在欧洲航天局(ESA)2009年发射的GOCE卫星成果应用，并为地球科学问题和军事领域问题提供巨大帮助。还有一些并没有走出实验室的重力梯度仪研制方案分别为：超导重力梯度仪和冷原子重力梯度仪，这些原理的重力梯度仪是未来更高精度的应用需求的保证，虽然研制难度巨大，但是是未来应用需求的根本。
目前，国际上重力梯度仪的发展理念就是从三个方向进行：①提高传统旋转式重力梯度仪的精度，更好地满足现阶段应用；②研制应用超导原理的重力梯度仪，对比传统重力梯度仪大幅度提升精度，也是目前最有希望成为产品的重力梯度仪，其代表就是英国ARKeX公司的EGG重力梯度仪；③具有更大潜力的冷原子重力梯度仪，作为新兴技术应用于未来重力梯度仪的研制，其代表就是斯坦福大学研制的重力梯度仪，目前可以用于车载测量。
⒉国内航空、航海重力和重力梯度仪发展情况
国内从20世纪60年代就开始了航海重力仪的研制。1965 年，中国科学院测量与地球物理研究所研制出了我国首台HSZ-2型海洋重力仪。 随后，在1977年中国地震局地震研究所研制出我国首台ZYZY型海洋重力仪，其原理为摆式重力仪。1984年，中科院测地所与地震研究所一起合作研制出DZY-2性海洋重力仪，并成功应用于海洋重力测量，其精度为2. mGal。在1986 年，中科院测地所成功研制出CHZ型海洋重力仪，该设备采用垂直零长弹簧作为核心敏感器，在海洋上做了多次试验，测量精度接近1mGal。总参西安测绘研究所是最早从事航空重力仪研制的单位，自1995年承担CHAGS航空重力仪研制，之后根据L＆R型航空重力仪开发出对应航空重力数据处理软件，并于2002年通过签定。在2000年后，惯性技术的专业研究所进入重力测量仪器研制领域． 最开始是中船重工集团公司天津航海仪器研究所根据海军需求，在“十五”期间开展海洋重力仪的研制，根据其特性主要是两种原理方法的重力仪分别为两轴惯性平台加金属零长弹簧原理重力仪(图6)和三轴稳定平台加高精度石英挠性加速度敏感器原理的重力仪(图7)，经过长期海洋和航空重力测量研制，其测量精度在1 mGal 左右。
图6 两轴平台重力仪
图7 三轴平台重力仪
其中，还有国防科技大学研究的基于激光陀螺和石英挠性加速度的捷联式航空重力仪原理样机(SGA-WZ01)，北京航天控制仪器研究所也采用同样的原理方案的航空、航海重力仪SAG原理样机和北京自动化控制设备研究所GIPS-1AM重力仪原理样机，其原理是三轴惯性平台加石英挠性加速度计。
国内重力梯度仪的研制起步较晚，基础非常薄弱，而且国外在该项技术研究中是对我国全面封锁。目前，我们的研制状态与国外先进技术相比还有很大差距。国内的重力梯度仪的研制路线也是紧随国外的研制路线进行的，主要分为传统重力梯度仪原理方法和新型重力梯度仪原理方法，也是瞄准两个方向进行研究。天津航海仪器研究所、北京航天控制仪器研究所和华中科技大学等研究机构和单位以旋转式加速度计原理为设计方案进行研究，经历了3个五年计划，基本上完成了重力梯度仪研制的相关理论，高精度、高分辨率石英挠性加速度计核心，重力梯度稳定平台研制等关键技术。目前，天津航海仪器研究所研制的重力梯度仪完成原理样机的技术成熟度最高，正向着工程化应用方向迈进，其重力梯度敏感器实验室静态分辨率达到70E的水平，取得了非常显著的进步。这项技术的成功也标志着我国将要打破国外在该技术领域对我国的封锁，也标志着该研究所拥有自主研发高精尖仪器设备的能力。另外一条主线是新技术原理重力梯度仪的研制，其目标是瞄准国际先进水平，追赶国际先进水平。主要分为超导重力梯度仪和冷原子梯度仪。这些新原理技术的重力梯度仪主要研制单位是华中科技大学、浙江工业大学和武汉物数所等相关单位。
航空、航海重力梯度仪的研制成功将预示着我国未来在深海能源、资源战略和国防、军事领域取得巨大进步，真正意义上拥有我们自己关键核心装备。
三、重力信息在资源领域的应用
重力场是地球基础场之一，重力场的变化预示着地下密度结构变化，也就是预示着地下地质构造变化和矿物的赋存情况。因此，重力信息的探测是非常重要的能源、资源勘探信息。
⒈重力信息国外应用实例
20世纪70年代，随着美国海军的1项秘密技术———新型的重力梯度仪以及三维重力梯度测量技术的解密，该项技术在海洋石油勘探测试中发挥巨大作用，对美国墨西哥湾油田的发现具有非常大的作用，根据测量航空重力梯度数发现一些与油气相关的岩丘构造，进而发现一些巨大油田———Lovell Lake油田、Texas和Houston油田等。而且，美国在整个Los Angeles盆地和Texas的一部分盆地相继地完成了重力位场测量和勘探研究，在早期石油和天然气勘探方面已经取得巨大的突破，10亿桶以上的石油及至少79个产油构造的发现归因于重力位场勘探研究。这项技术曾经为美国军事重要研究，并对华进行技术封锁． 目前，该仪器在美国、加拿大、澳大利亚、英国、俄罗斯等国家应用中取得巨大应用价值，探测储油和天然气构造方面均取得了很好的效果，在寻找陆地、海洋中与石油、天然气有关的地质构造和断层，推断盆地和隆起形状、类型、基底深度，划分断裂构造，圈定盐丘的位置和形态，区分火成岩特征，分析地质体的密度特征，确定油气远景区及钻探井位等取得重大突破。
地球物理学家利用FALCON AGG系统在澳大利亚西部巴斯海峡进行油气资源勘探，从数据的初步处理结果分析出油气资源的分布位置，与已有的油气钻井资料进行对比结果一直，油气均位于重力高值区的两侧，重力梯度测量在油气资源勘探中发挥巨大作用。全张量重力梯度数据也在地质调查中拥有非常高的价值，图8为Bell公司在2005 年应用用Air-FTGTM 在南非某地区进行区域地质跳槽，对仪器输出的重力梯度进行响应的数据改正。
图8 南非某地区航空重力在地下空穴中的应用
最后得到的经地形改正后的Tzz、Txy、Txz和Tyz重力梯度张量数据，黑色的椭圆区域为与地下空穴相对应的异常，白线为推断的区域线性构造，通过高精度的航空重力梯度测量可以发现地下的地质构造情况，为地球科学研究提供重要参考资料。
为此，其他国家也开展了相关的重要研究与应用。英国AＲKeX 公司与切萨皮克能源公司合作，利用全张量重力梯度仪(FTGeX)确定美国中部地区的远景构造。ARKex公司目前给切萨皮克能源公司作航空重力勘探3D反演、综合应用叠前深度数据、FTG、井数据等解决单独用地震数据得出的盐岩基底构造(BOS)分辨率低这一难题，将清晰的构造图反馈回叠前数据模拟进行迭代处理(图1)。在深水域的应用，FTG全张量重力梯度数据反演与叠前深度反演一致，改变了人们对重力勘探只能用于浅层勘探的错误认识，FTG能用来探测和分辨6000m以下地质特征。
在国外的地质和能源勘探中，利用重力和重力梯度对固体矿产资源勘探以及水文和工程地质勘察启到非常重要的作用。澳大利亚BHP公司的FALCON航空重力梯度测量系统已在澳大利亚开展了大面积的航空重力测量，并发现了多处异常区域。同时，在巴西进行的重力勘探也发现大量金属矿藏区域。并且利用重力、重力梯度的数据处理和数据的三维反演方法得到勘探区域地下的矿体分布状态。
澳大利亚BHP公司利用这套重力、重力梯度系统在澳大利亚昆士兰州的Cannington 地区进行银、铅、锌矿勘探，以及在加拿大的Ekati 地区进行金刚石矿的勘探飞行，并且已在Ekati 附近发现一处可能含金刚石的矿藏；在澳州一处铁矿地区发现了新靶区。在南美国王乔治地区的航空重力梯度测量工作中，测量线间距为200m，飞行高度为120m，发现了以往无法开展地面重力测量的Cu-Au异常点(图9)，从而得到了优先升级勘探地位，根据模型计算异常埋深小于200m，结果在110～170m处打到了多个目标体，不同的异常反映了复杂的目标，取得了非常好的勘探效果。
图9 国王乔治地区的航空梯度测量发现无法开展地面重力测量的Cu-Au异常点
在阿尔伯克基和新墨西哥中北部地区以及周边的盆地，区域重力模型是研究地下水变化的关键技术 (图10)，重力信息对地下水的变化是非常敏感，利用重力勘探方法可以很好地观测地下水的变化和赋存情况，解决相应地质问题和环境问题。利用获取的重力和重力梯度数据，并对该数据进行处理、解释、反演等一系列处理方法得到研究区域地下空间的地下水流动情况，给出该区域地质构造模型特征和地下水随时间的变化特征，因此利用重力数据配合相应的解释方法可以很好地解决地下水资源问题。
图10 利用重力勘探研究阿尔伯克基和新墨西哥中北部地区以及周边的地下水变化情况
目前，在国外油、气资源勘探中，航空、航海重力和重力梯度测量起到了非常重要的作用，最成功的应用案例就是墨西哥湾某油气资源的勘探，由于该区域存在大量的岩丘等盐岩构造，使得常规地震勘探方法难以发挥其全部能力，发现深部油气资源的赋存情况，航空、航海重力和重力梯度的出现解决了这一问题，获取深部地质情况的准确情况，为油气资源勘探提供重要的信息。K-2区域盐岩构造研究就是非常好的一个实例(图11)。利用重力以及重力梯度数据可以有效的确定研究区域的重力信息特征，分析岩丘的物理特性与重力和重力梯度数据之间的对应关系，岩丘就出现在重力和重力梯度低值区域，经过后期的地球物理方法以及钻探验证说明这种勘探方法的巨大前景。
图11 墨西哥湾油气资源勘探中的K-2油田的发现
⒉重力信息国内应用实例
中国南海区域深水油气勘探主要集中在南海南部和南海北部陆坡区。2006年7月经加拿大哈斯基能源公司钻探，取得了南海北部陆坡油气勘探的重大突破。 在珠江组下部和珠海组地层发现56m厚的气层，经初步估算荔湾3-1构造天然气可采储最约1133～1699亿立方米。巴拉望盆地是深水盆地，天然气可采储量1226亿立方米，石油可采储量6754万吨． 在这部分油气田下部含有石油环，产层为下中新统尼多礁灰岩，经估算，其天然气储量为764 亿立方米，石油储量500 万桶，凝析油储量8500万桶。盆地内新生界厚度大于10000 ～ 12000m，主要为三角洲—浅海—深海沉积。生油岩为塞塔普深海页岩(时代为上渐新统—下中新统)，最大厚度约为5000m。中新统砂岩是主要油气产层。在其中一块区域打评价井，油田地质储量约7亿桶，而在深部遇到更高品质的原油。2000年美国地质调查局对中国海区海上盆地的资源所做的估计为：石油280 亿桶，天然气266 万亿立方米。经调查：东海大陆架可能是世界上最丰富的油田之一，钓鱼岛附近水域可能成为第二个中东，石油储量应该超100亿吨。通过对该区域的地质调查可以很好地发现该区域存在大量的油气资源，上述的地质勘探结果也说明了航空、航海重力和重力梯度测量能力的拥有可以对于我国未来在深海油气资源勘探具有非常深远的意义。
在陆地资源勘探中，这种勘探方法也同样具有非常重要的作用． 在我国西部地区还存在着大面积的重力空白区，主要分布在青藏高原、新疆天山地区，面积大约为195万平方公里。在西北、西南、华南以及东北三江平原还有着大面积的区域重力工作程度比较差的地区，这些地区早年开展过1100万区重测量，已经不能满足地区经济发展和矿产资源勘探的要求，需要开展1∶25万以上的中、大比例尺重力测量。尤其是这些地区的沙漠、沼泽地带及森林覆盖地区，地面工作很难开展，迫切需要开展航空重力测量。在海陆交互地带，只有少部分做过一些滩涂和浅海的重力测量工作，大部分区域还是地面重力和海上重力工作的盲区，这些地区的重力资料无论是在基础科学研究，矿产资源勘查，还是在大地测量、军事应用方面都有极其重要的作用，航空重力测量可以发挥它的空中优势，是解决这样地区重力测量的最佳途径。
由此可见，我国存在大量未开发的重要资源、能源，航空、航海重力和重力梯度测量以及应用在我国有着广泛的应用前景及应用领域，开展此项工作十分必要。
四、结论
在已开发的陆地资源匮乏的今天，海洋资源和陆地未开发区域的资源是未来的主要研究方向。航空、航海重力和重力梯度仪器的研究正在快速地进行着，在未来几年中，将会有突飞猛进的发展，国家在海洋研究中投入了大量的人力和资金，希望可以在未来海洋资源战略中占据有利地位，航空重力和航空重力梯度仪器的研制成功，将使陆地未开发区域的地质情况和地下能源情况得到更好的了解，填补我国西部地区存在大面积盲区。从国外的研究经验中，可以看出重力在油气资源勘探中有其独有的作用，可以辅助传统地震勘探进行更深层次的油气资源探测，重力梯度数据可以更加精细地找出地下能源的位置，为钻井勘探提供准确靶区。同时，重力和重力梯度数据对于国防也是有着非常重要的作用，海洋重力、重力梯度测量可以丰富海洋的重力和重力梯度数据，为未来国家安全提供保障。在未来几年中，海洋重力、重力梯度的测量将成为我国资源和国防安全的重力组成部分，航空重力、重力梯度测量不仅仅可以在内陆盲区进行填补式研究，同时以其快速数据采集的特点，也将成为海洋区域重力、重力梯度测量的关键技术。
【致谢】感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！
【作者简介】本文作者/李红雨 曹诚 李凤婷 孟兆海，分别来自河南省地矿信息中心和天津航海仪器研究所；第一作者李红雨，男，1988年生，河南省南阳人，硕士研究生，长期从事地球物理勘探领域的科研工作；本文为基金项目，国家重点研发计划“深地资源勘探开采专项”(2017YFC0601601)；文章来自《地球物理学进展》（2019年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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