| 作者：Kontarovich R. S.、Mogilevsky V. E. |
目前，俄罗斯扩大矿产资源基础，特别是寻找油气藏的工作，主要集中于西伯利亚、远东的偏远地区，以及北部和东部海域的大陆架。遗憾的是，这些地区的地球物理调查程度，特别是重力调查程度，仍然严重不足。已出版的《俄罗斯地球物理调查质量图》（A. I. Burde主编，1995年）以棕色和紫色标示了大片地区，分别表示1:200000国家重力测量质量较低或不符合现代要求。海域则仍完全未开展调查（图1）。
主要远景区重力调查程度如此薄弱，自然影响地质勘查成效，因此必须改善。在可预见的未来，传统方法无法解决这一问题。在交通不便地区，对一幅1:200000图幅进行同比例尺地面重力测量，可能耗资数千万卢布，历时3—5年。不过，存在其他重力调查方法。
目前，全球对航空重力测量——在飞行中的飞机或直升机上测量重力——的兴趣日益增长。与传统重力测量相比，该方法具有若干无可争议的优势：资料获取迅速、经济效益高（尤其适用于山区、沼泽化苔原、海洋和湖泊以及过渡带等交通不便地区），并可在三维空间中，即不同高度层上研究重力场。
我国对航空重力测量的系统研究始于三十多年前，由VNIIGeofizika的V. V. Fedynsky和A. M. Lozinskaya领导开展[3]。这一任务非常复杂，需要付出大量努力。在飞机上测量重力的主要问题，是消除和／或计及载体加速度对测量系统的影响；其幅度可超过重力异常幅值数万倍。
目前已研制相关仪器，并建立了在AN-30型飞机上使用无惯性振弦重力仪进行航空重力测量的方法，误差为0.7—0.8 mGal，满足1:200000重力测量的要求。
近年来，我国航空重力调查主要集中于GNPP Aerogeofizika。目前，它是俄罗斯唯一具有生产规模1:200000测量经验的公司。
作为示例，图2给出了阿尔汉格尔斯克州北部航空重力测量得到的布格重力异常图，面积为14000 km2，覆盖四幅1:200000地形图。作业效率约为每月10000 km2。旁边列出了根据1:200000地面和海洋重力测量成果编制的同类图件，以便比较。两图中陆地范围内（区域中部和南部）的重力场特征全部吻合。北部白海海域的显著差异，是由于当地缺乏较完整且规则的海洋重力测点网。将航空重力图与一千多个点的高精度（0.25 mGal）地面数据比较，估得误差为0.76 mGal。该图空间分辨率为5—6 km。
这些资料有力表明，航空重力测量适用于广大交通不便地区的中比例尺（1:200000）重力场填图。
卫星数据也被成功用于研究地球重力场。因此，需要界定航空测量与卫星重力测量，特别是水面卫星测高的适用领域。卫星测高研究已开展约30年。目前正在实施两个项目：美国的TOPEX/POSEIDON和欧洲的ERS，两者精度特征大致相同。
测高的原始成果是卫星相对于水面的平均高度，以约1 Hz的频率记录；观测足迹沿飞行轨迹延伸6—7 km，宽约1 km。据此确定大地水准面高度及重力场扰动。
目前已有数套地球重力场目录，其中海域重力值来自测高数据（陆地异常则根据小比例尺地面测量及人造地球卫星轨道摄动观测计算）。其中较完整的一套为Sandwell D.和Smith W.目录9.2版[6]。
根据该目录绘制的阿尔汉格尔斯克州航空重力作业区重力异常图也见图2。图件误差为4.4 mGal。其他研究人员在世界大洋不同区域比较测高与重力数据时，也得出了类似估计[1,5]。由此可得出结论：卫星测高获得的地球异常重力场模型，其详细程度和精度相当于1:1 000 000及更小比例尺的重力测量成果。该方法的一系列基本特点，使其在可预见的未来难以显著改善这些参数。因此，在中比例尺作业中，卫星重力测量不能替代航空测量。
除飞机测量外，GNPP Aerogeofizika还试验性地开展直升机航空重力测量。直升机飞行速度明显较低，因此可提高测量详细程度。结果表明，可以实现误差0.3—0.5 mGal、空间分辨率2—3 km的航空重力测量。这些参数相当于交通不便地区的大比例尺（1:100000—1:50000）重力测量。
在国外（美国、加拿大、澳大利亚），相关研究既由公共机构（Lamont-Doherty Earth Observatory 、US National Science Foundation 等）开展，也由大型商业公司（Carson Services、Edcon Aero Surveys、Sander Geophysics、Fugro LCT）开展。其测量精度参数与GNPP Aerogeofizika相同。
目前，互联网上有关航空重力测量的报告和出版物已达数百项。因此，可以认为，一种新的航空重力测量方法已开始在地球物理调查实践中得到广泛应用。
下面讨论航空重力测量在地球重力场研究中的地位。首先，从所有可能的重力场不均匀性中，选出参数上可作为航空重力观测对象的一类异常，然后评价在运动飞机上测量重力时不可避免的畸变。下文中的法耶异常，是加入自由空气改正后的常规异常。布格异常则是在测点处，以负号计及陆地上大地水准面与实际地表之间全部地形质量的引力，并在水域以正号计及海底与海平面之间质量亏损的结果。
对于测线穿过的任一单独异常，初步近似下只需用两个参数表征：幅值和水平尺度（可约定将异常值超过其最大值30%的区域宽度作为尺度）。在以这两个量为坐标轴的图中，该异常表示为一个点。因此，识别航空测量可能记录的异常，就转化为圈定相应点集。
重力异常的强度和水平尺度并非完全独立的参数。与磁化强度不同，岩石密度差只能在很有限的范围内变化。因此，决定相应重力异常强度的地质体显著剩余质量，只能来自其较大的几何尺寸。由此，重力场中不存在幅值极大的局部异常。
据此，我们首先尝试在坐标平面上识别与空中可能遇到的异常对应的点集。通过模拟可能的自然地理和地质条件来解决这一问题。显然，最值得关注的是水平尺度从数公里到数十公里的异常。更小的场结构属于详细地面重力测量的研究对象，而航空测量能够绘制更大异常则毋庸置疑。
测量高度层与潜在密度不均匀体之间的距离，是模拟中的重要参数。为尽量减小干扰加速度，航空重力测量在恒定气压高度进行，不随地形起伏飞行。因此，飞行高度通常由测区地形决定。对于油气勘探最关注的对象，即我国亚洲部分地形较平缓的广大平原以及海洋大陆架，飞行高度通常为平均地面高程或海平面以上数百米。
模拟结果见图3A和3B（横轴采用对数尺度）。其中曲线1和2给出了在陆地（不包括山区）和大陆架上方300—400 m测量高度层，大多数可能的法耶异常对应点集的上界。换言之，陆地和海洋上方最常见的异常位于相应曲线下方区域。我们将其称为自由空气异常的存在域。
下面评估这些异常中有多大部分可以在飞行中记录。在飞机上测量，与任何运动基座上的测量一样，存在两个因素，使实际重力场的所有特征原则上无法全部识别：精度和详细程度有限。后者源于处理时必须对数据进行低通滤波，以抑制短周期干扰加速度的影响。在航空重力测量中，无惯性振弦重力仪的瞬时读数采用某种对称滤波器处理，例如余弦形式的汉明滤波器。这一过程引起场的幅值畸变，但不产生相位畸变。
若测量识别的异常经滤波后的幅值超过测量误差的两倍，则将其视为可靠异常[2]。图3A中的曲线3—5表示在三种不同滤波区间、测量误差为0.75 mGal时，满足这一条件的最小异常幅值。图3B中的曲线3—6对应8 km滤波区间下不同误差的情况。
每条这样的曲线与曲线1或2共同在坐标平面上限定一个区域。其中的所有异常都可能在测量过程中出现；若出现，在相应测量精度和滤波区间长度下，便可可靠确认其存在。这些区域可称为航空重力测量的工作域。
目前，使用An-30型飞机时，航空重力测量工作域的下界为参数8 km和0.75 mGal的曲线。参数4 km和0.5 mGal的曲线对应Mi-8直升机测量。未来将航空重力测量工作域扩展至参数2 km和0.25 mGal的曲线是切实可行的。为直观起见，图3C分别以1、2、3标示这三个区域。
因此，在飞机测量中，水平尺度为1—2 km的小异常，只有幅值超过6—10 mGal时才可记录。延伸3—5 km的局部异常，在强度超过2—4 mGal时可识别。对于尺度超过7—8 km的区域异常，1.5—2 mGal的幅值即可满足要求。在直升机测量中，公里级异常在幅值超过2—3 mGal时可记录，而从3—4 km起，只需1—1.5 mGal的幅值即可识别。
对于具体地质剖面，可以评价航空重力测量的地质信息含量，即赋予其工作域“地质内容”。例如，当基底平均埋深为1 km时，横向尺度3—4 km的单个基底块体，若相对抬升或下降300—400 m，其异常便落入工作域1（图3С）。因此，这类构造可由飞机航空重力测量识别。若基底埋深变化范围为100—200 m，相应重力异常落入工作域2，需采用直升机观测才能记录。
下面评价航空测量中滤波可能造成的重力异常畸变量。由于法耶异常反映了地形和地质两类不均匀性，可写出以下显然成立的恒等式：
∆g= ∆g* + (∆gр — ∆gр*)+ (∆gг — ∆gг*)
其中，∆g*为∆g的平均（滤波）值，下标р 和г 分别表示地形起伏和地质因素造成的异常分量。
因此，航空测量中任一点的场畸变由两部分组成，其中一部分，即第一组括号内的项，可以计算并计入改正。地形质量相对于周围介质具有较大的密度差，且最接近测量高度层，因此通常形成实测重力场中频率最高的分量。第一组括号因而描述了畸变的重要部分，对其进行改正可使测量结果实际趋近于法耶异常真值。
这正是我们编制相应图件时采用的所谓法耶异常间接插值法[4]所执行的过程。其含义是：在计及地形质量引力之后，将剖面数据（经滤波的布格异常）转换到规则网格，然后在网格节点上恢复未经平滑的地形改正。
下面估算第二组括号内的项，即数据滤波造成的不可消除的重力场畸变。为此，采用实际岩石密度差模拟可能的地质条件，构建与上述类似、但针对布格异常的存在域（图3D，曲线1）。同图还给出曲线2—4，表示采用汉明滤波器对原始数据进行三种平滑处理时，最大可能重力异常畸变随水平尺度的变化。
采用8 km滤波区间时，沿测线长度小于3—4 km的异常，其畸变可能超过航空测量实际误差的两倍。尺度为6—12 km的异常畸变与测量误差相当。更大尺度的场结构实际上可无畸变地记录。实际情况下，畸变量通常更小，因为这些估计针对的是相对少见的强异常。
参考文献
1. Ermakov B. V.等：《赤道剪切带：独特地质—地球物理环境的综合分析》。俄罗斯基础研究基金项目No. 08-05-64927，莫斯科，1999年。
2.《重力勘探规程》，莫斯科，1980年。
3. Lozinskaya A. M.、Mogilevsky V. E.、Popokov S. G.、Fedynsky V. V.、Yashayaev I. L.：《飞机上的重力测量》，《应用地球物理》，第82辑，莫斯科，1976年。
4. Ogorodova L. V.、Shimbirev B. P.、Yuzefovich A. P.：《重力测量》，莫斯科，1978年。
5. McAddo D.C., Childers V.A., Laxon S. “ERS satelite gravity and airborne gravity over the Atlantic Ocean : a comparison” Earth System Monitor Vol. 9, No 1, 1998.
6. Sandwell D.T. and Smith W.H.F. “Marine Gravity from Geosat and ERS1 Satelite Altimetry” J. Geoph. Res. V 102 no B5, pp 10039-10054, 1997