互动科普

一项用于为弹道导弹潜艇导航的一度保密的技术现在可帮助地质学家们寻找埋藏在地下的资源。

在冷战年代，铁幕两边的潜艇乘员们都面临着如何引导他们的潜艇在暗黑的大洋深处航行的问题。虽然他们可以始终打开潜艇上的声纳以探测前方的障碍物或潜艇下方的水的深度，但这样做将会发射出声音信号，即响亮的声脉冲，它很快就会向敌方暴露出潜艇之所在，因此，头脑清醒的潜艇乘员们都不愿意这样做。

美国和苏联海军都曾致力于研究更隐蔽的水下导航方法，在这一研究过程中，它们设计出一些灵敏的仪器，能够测量海底山脊或山脉所引起的重力的微小变化。但是，除了Tom Clancy虚构的“红十月”(Red October)号潜艇以外，没有一艘苏联潜艇真正携载过这种精巧的装置。只有美国的弹道导弹潜艇利用过这些称为“重力梯度仪”的先进设备。多年来这类设备一直是保守得很好的军事机密，但是现在我和其它一些文职地质学家正利用类似的重力梯度仪确定地下深处的石油和天然气储藏的位置。

有趣的是，地质学家们现在对这项一度保密的技术的利用工作似乎又回到了对重力进行测量的某些最初的研究工作上。1890年，匈牙利物理学家Roland Von Eotvos借助一台简单仪器以一种新颖的方法来测量重力。其它一些十九世纪的物理学家通过测定钟摆摆动的时间来测量月球和太阳潮汐引起的重力大小的微弱变化。但是Eotvos的仪器的灵敏度更高：它可以测量某一地方因附近存在着重物而引起的重力的微小变化(即重力梯度)。

他的仪器就是一根两端装有重物的金属横梁。如果重力随位置而变，那么作用于横梁某一端上的重物的力就将与作用于另一端的重物的力不同。这样，重力的差异就可能产生一个作用于横梁的旋转力(横梁是通过系在其中点处的一根细金属丝悬吊起来的)。 Eotvos通过测量横梁的扭转而得以测定出重力如何随位置而变。他的装置称为扭力天平(Torsion Balance)，是第一种成功地测量出这类重力梯度的仪器。

碰巧的是，匈牙利地质调查的负责人Hugode Boeckh当时一直在注意 Eotvos的工作。他意识到，如果他能够劝说 Eotvos把这台精巧的扭力天平从实验室搬到野外，那么他们就能够通过重力梯度来探测隐藏在地面下的令人感兴趣的地质结构。经过某些磋商后 Eotvos和deBoeckh在1901年进行了一系列实验。

最初他们关心的主要问题是，天然的重力梯度是否大得足以影响扭力天平。作为一项初始检验，他们对一个冰冻的湖进行了测量。他们推想，如果这台仪器工作正常，那么它绘出的重力梯度图就应当反映出湖底盆地的构形，而湖底的形状已经通过前几年夏天进行的测深工作搞得相当清楚了(这些测深是用一根绳索和吊在绳上的重物进行的)。当deBoeckh和 Eotvos把用扭力天平测得的结果绘在一张地图上并发现其图形与湖底的等高线吻合时，他们感到非常高兴。然后他们开始着手进行该地区的难度更大的地质调查工作，他们的工作很快就引起了世界各地的石油勘探公司的注意。

对盐层的兴趣

在第一次世界大战造成了相当长一段时间的耽搁之后，美国地质学家们决定尝试用 Eotvos的仪器来寻找石油。特别是他们希望这种仪器能够探测到他们想要寻找的目标之一种称为“盐穹”(SALTDOME)的地质构造。这些磨菇状的地下结构其厚度有时超过1公里(0．6英里)，通常在它们的侧面蕴藏着大量的石油和天然气。但是，由于盐不一定延伸到地面上，因此这类盐穹可能很难发现。然而盐的密度比大多数岩石的密度都小，因此它产生的引力作用也比较弱。这样，埋藏在地底下的盐体的轮廓就可以通过测量重力向异常的低值的转变而勾画出来。

1924年，AmeradaHess公司聘用的—批地质学家首创了一项历史第一：他们根据用 Eotvos扭力天平所获得的重力梯度测量结果，发现了一个隐藏的盐穹。其它许多发现很快地接踵而至。地质学家们还借助重力梯度仪绘出了更复杂的地下构造。休斯敦市现在所在地区下面的地质构造——因受一个移动盐层的影响而变形了的并被断层切开的倾斜沉积岩结构——就是用一台扭力天平首次绘制出来的。到1935年，通过测量重力梯度来探测地表下的结构已成了石油勘探中常用的方法。

虽然取得了这些初步的成功，但重力梯度测量术的全盛时期却被证明仅是昙花一现。存在的一个问题是，这类测量做起来难度非常之大。操作一台扭力天平的测量小组必须沿着8个不同的方向清理平整出一条延伸达100米的狭长地带。在这些呈星形的空地的中央，测量人员必须建起一座小建筑物把扭力天平围住，以防风或温度的变化对扭力天平产生干扰。其它造成读数误差的因素包括沉重的皮带扣环、低垂的电话线以及附近的地下室等等。相比之下，仅记录总的重力大小的仪器(这类仪器也是在三十年代期间开始大受石油地质学家的欢迎）受邻近物体的影响要小得多。对总的重力大小进行测量既不需要砍倒许多树木，也不需要建一座小房子以保护仪器。

地质学家往往很难理解重力梯度测绘的结果，这一事实也使得重力梯度测绘受欢迎的程度大大降低。多数地质学家宁愿同一目了然的重力强度等值线地图打交道，而不愿意同详尽的梯度测量图打交道，因为后者总是充满了谜一般的线条与箭头。由于地质学家喜欢简单的强度地图，再加上这类测量结果比较容易收集，因此人们很快就完全放弃了对于重力梯度的研究工作。

当时与现在

同如今的许多地球物理学家一样，我的重力梯度测量术的知识最初也仅是靠阅读教科书中有关的历史评论章节而获得的。但是我相当精通测量重力强度的方法。例如，我曾把一台比较复杂的电子重力仪安装在一架飞机上并飞越南极洲西部上空，以考察隐藏在那里厚厚的冰盖之下的地质结构。然而我涉足重力梯度测量则纯属偶然。

4年前，我情不自禁地渴望走出去搞点科研活动。我第二个孩子将于10月出生，正好是南极洲夏季现场考察季节开始的时候，因此我想要找个不需要长时间的现场考察的问题来研究研究。我到Roger N．Anderson的办公室去征求他的意见。(Anderson是我的一位合作者，他一直在研究墨西哥湾的平展盐体，这些盐体有时形成了巨大的盐层。)当地质学家们想要借助于标准的地震测量术来绘制盐层之下的地质结构图时，这些广泛分布的盐层就象蓬松的鸭绒被一样，常常使寻找石油的地质学家们感兴趣的底层结构显得模糊不清。(地震测量术与海上使用的声波测深法相似，都是依靠有穿透能力的声波。)Anderson问我是否能够把我的机载重力仪装在飞机上飞越他的研究区域，并把所得的测量结果与船上所收集到的类似的重力测量结果相比较。这一设想的目的是要考察重力如何随高度而变——它也是重力梯度测量法的一种形式。

虽然这一方法从理论上讲相当不错，但我凭我的实践经验知道，在飞机上以必需的精确度进行此类测量将是何等困难。即使在最顺利、最平稳的飞行条件下，从飞机上测量重力也是不大可靠的，因为飞机始终都有点上下颠簸。所以我马上就向Anderson解释说，从噪声这样大的测量数据中得出梯度几乎是不可能的事。但是那天夜里的晚些时候我忽然想起，潜艇上使用的重力梯度仪或许能解决这个问题。我曾从我在南极洲使用的重力仪的制造厂商那里听说过这类重力梯度仪。这种现代军用仪器使用由6对旋转的重力传感器组成的一套装置来测量完整的重力梯度(有5个独立分量的一个三维量)。真正的问题在于，区区几位热心的地质学是否能突破围绕着这一保密军事技术的重重帷幕。

在一周之内，我们一行人就飞到了纽约州布法罗市，拜访了贝尔航空航天公司(现在是洛克希德一马丁公司的一部分)生产潜艇用重力梯度仪的工厂。在前几年，这个工厂的生产规模必定要大得多，但我们到这个厂参观时它的雇员人数已不足100人，洞穴般的厂房似乎只听到我们的脚步的回响声。由于不再有来自军方的源源不断的订单，该公司生产的仪器看来注定只能布满灰尘。有些驻厂工程师曾设想过用这些灵敏的仪器来监测过往卡车的载重，但他们推销这一设想的努力没有取得多大成效。因此，我们关于利用这些装置去探寻石油的想法激起了人们相当大的兴趣。

在John J.Brett的协助下(他当时是一位非常熟悉保密军事项目的退休工程师)，我们很快就说服了贝尔航空航天公司、美国海军和几家石油公司的官员帮助我们确定重力梯度仪是否能够提供有关墨西哥湾下面的含油地质构造的新信息。我们选择了新奥尔良东南130公里(81英里)处的一个现场区域作为我们的试验场所，那里有一个巨大的靴状盐体。德士古石油公司的地质学家提供了水面下地质图，这是他们先前根据在这个地区进行的地震勘探结果而制作出来的。美国海军则同意使用安装在海军的一艘考察船上的军用重力梯度仪来测量这一地区的重力梯度。我们根据地震勘探资料所预测的重力信号与新的重力梯度仪测量的结果如有差异，那就意味着取得了关于该地区地质构造的重要发现。

接下来我们遇到了这一实验中最困难的一个问题。由于潜艇重力梯度仪系统仍然是一项保密的军用技术，设计实验方案以及评估原始资料的大部分工作都是关起门来秘密进行的，不让参加实验的文职地质学家接触。因此我们把注意力转向开发一些可以帮助我们判读重力梯度的方法。在某种意义上，我们不得不设法对付我们的前辈在三十年代所遇到的某些同样的问题。幸运的是，我们有台式计算机来帮助完成这项任务。在其后的几个月中，随着“清过毒的”一组组数据(也就是从中得出的信息不会泄露任何军事机密的数据)从布法罗紧闭着的门后面源源不断地流出来，重力梯度测量术的威力就变得一清二楚了。

我们的首批结果证明，海军考察船测得的重力梯度与根据地震勘测资料所预测的重力梯度相似，但随后的分析表明二者存在着难以理解的差异。虽然在总重力的图上差异不容易看出来，但是当我们考察重力梯度所形成的模式时，差异就明显得令人吃惊了。这些测量表明，该地区存在的物质比我们根据地震勘测资料所预测的要多。重力梯度为我们准确地指出了这些物质所在的位置并以极佳的详细程度揭示了它的形状。这一新发现的地层是形状有点象帽子的一个高密度岩石单元。

在确信我们对重力梯度的解释是正确的以后，我们试图检验我们的结论直接检验是不可能的，因为它需要花费数百万美元对埋在地下的盐层进行钻探。因此我们同德士古石油公司聘用的地球物理学家Bryant E．Korn进行了接触，想看看我们的结果是否同他对水面下地质构造的最新评估相符合，Korn考察了德士古石油公司刚刚在这同一地区上收集的一次新的地震勘测资料，而且，尽管没有从我们这里得到任何要他特别注意某一个地点的提示，他仍然辨认出了先前被忽略的一个地质构造，其所在位置恰好与我们根据我们的重力梯度测量资料所推测的地方相同。他的独立分析也表明，新发现的构造其形状象一顶帽子。这一验证说明，对重力梯度的测量能够测绘出埋藏在地下的盐体，其有效程度不亚于详尽的地震勘测，因此它使得利用潜艇技术寻找石油的前景变得分外光明了。

高技术犁头

自从冷战结束以后，防务技术的“军转民”已经成了一种普遍的趋势。美国政府顺应这一潮流，宣布对有关军用重力梯度仪的资料解密，现在石油公司可以利用这一方法来补充它们的地震探测法。至今已有7家石油公司开始研究重力梯度测量术，以协助调查墨西哥湾水下可能藏有石油的地方。例如，壳牌石油公司的地质学家Edward K．Biegert发现，通过绘出一个盐穹周围的重力梯度，他能够更有把握地确定地面的地质构造。在他先前绘出的一个盐穹周围的水下地质图中，盐穹的底部显得模糊不清，界限很不分明，但是，利用从重力梯度仪获得的信息，盐体的底部就变得非常清晰了。采矿业也非常渴望考察重力梯度仪是否能够协助发现埋藏在难于到达的或有潜在危险的地区的小型矿体。矿业公司先前已在机载重力仪上花费了数百万美元，希望利用这种仪器从空中探测出矿体的位置，但是飞机抖动的问题使它们最好的努力都劳而无功。对重力梯度进行测量可能为绕开这个难题提供一条出路：湍动的空气造成的加速度可能不容易与重力的总的作用区分开来，但是这类抖动不会产生虚假的重力梯度。

这种可能性或许将开辟一个新的应用研究领域。澳大利亚的工程师们已经开发出一种适合于飞机携带的超导型 Eotvos旋转仪。作者本人和Anderson在1994年协助创办的一家公司一一贝尔地球空间公司正在利用为潜艇设计的技术来建造能够用于飞机上的重力梯度仪。这些进展可能将使重力梯度测量术对某些地质学家产生很大的吸引力，正如它一度曾对潜艇艇长们产生了很大的吸引力一样。以前使用的进行这类测量的方法有可能扰乱大片大片的地面，因为在现场工作的地质勘测人员开着卡车和推土机把当地的景色搅得乱七八糟，但在飞机上进行重力梯度测量不会对被勘测的地区造成任何危害。正如《红十月号》潜艇利用重力梯度仪在水下航行而不会被人发现一样，地质学家们可能很快就将拥有一种新的工具来帮助他们寻找稀少的资源而不会使环境受到干扰。

力争使图象更清晰

为了收集有关埋藏在地底下的隐蔽物质的更多信息，地质学家可以测量重力梯度，而不仅仅是测量总的重力。重力(G)在数学上仅用3个元素描述(这3个元素分别代表重力在x轴、Y轴和z轴方向上的分量)，但梯度则需要用9个不同的量来表示。这9个元素构成一个方阵，通过所谓张量的形式来表示重力场(右图)。

例如，梯度张量中的元素Gxy表示重力在x轴方向上的分量(Gx) 在沿着Y轴方向运动时其变化率的犬小，而元素Gyz则表示重力在Y轴方向上的分量(Gy) 沿着z轴方向运动时其变化率的大小，如此类推。由于Gxx，Gyy和Gzz之和必须为零，而其它几个元素必须相等(例如，Gxy等于Gyx)，因此，只需要5次测量便能决定整个梯度张量。

绘出重力梯度能够提供地表下更详尽的图景，从而改进了传统的重力勘测法。例如，让一架装有适当仪器的飞机飞过一座山脉(质量盈余)或一个低密度的地下盐体(质量亏损)，只能显示出总的重力出现了很不容易觉察到的变化。但是，对重力梯度进行相应的测量将立刻显示出这些结构的存在(见下图)。在任何一个单独由的重力剖面图中飞机的无规律运动都将形成相当大的“噪声”，但是在测量两个重力传感器之间的差异以获得梯度值时这一误差源就自动地消除了。