Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Геометрия пласта

Горная геометрия (геометрия пласта) – раздел структурной геологии – рассматривает геометрические характеристики геологических объектов.

Идеальный пласт

Основное понятие горной геометрии – идеальный пласт (слой) – часть пространства, ограниченная двумя параллельными плоскостями. Из них верхняя называется кровлей, нижняя – подошвой (рис. 1). Это понятие может быть применено к разным реальным геологическим объектам плоской формы: пластам осадочных пород, покровам вулканических пород, пластовым интрузиям и дайкам, контактовым зонам интрузий, жильным образованиям, разрывным нарушениям и др.

 

Рис. 1. Идеальный пласт

Мощность

Расстояние между подошвой и кровлей называется мощностью пласта.
Виды мощности:

  • Кратчайшее расстояние от подошвы до кровли пласта – по перпендикуляру – называется истинной мощностьюи),
  • расстояние в горизонтальной плоскости – горизонтальной мощностьюг),
  • расстояние по вертикальной линии – вертикальной мощностьюв).
  • Расстояние вдоль земной поверхности – видимая мощностьвид) – зависит от соотношения между падением пласта и уклоном земной поверхности. Расстояние между подошвой и кровлей на карте – проекция видимой мощности на горизонтальную плоскость – может принимать любые значения.

Неполная мощность наблюдается в том случае, когда отсутствует одна из поверхностей пласта (или обе):

  • сохранившая мощностьсохр) – расстояние от земной поверхности до подошвы пласта, кровля которого разрушена;
  • вскрытая мощностьвскр) – расстояние от земной поверхности до кровли пласта, подошва которого находится на глубине (рис. 2).

Рис. 2. Виды мощности

Элементы залегания

Элементы залегания – угловые величины, характеризующие положение пласта в пространстве – азимут простирания, азимут падения и угол падения.
Линия простирания (а-а) – линия пересечения поверхности пласта горизонтальной плоскостью,
линия падения (б-б) перпендикулярна линии простирания и проходит по поверхности пласта сверху вниз.
Угол падения (α) – угол между линией падения и ее проекцией на горизонтальную плоскость. Лучшая модель горизонтальной плоскости – поверхность спокойной воды. Обнажение наклонного пласта на берегу озера наглядно отображает элементы залегания (рис. 3).
Азимут простирания (рис. 4а) – угол между направлением на север и линией простирания. Может иметь два значения, различающиеся на 180°. Однако принято записывать северо-восточное или северо-западное значение.
Азимут падения (рис. 4б) – угол между направлением на север и проекцией линии падения на горизонтальную плоскость. Азимуты измеряются по часовой стрелке.

Рис. 3. Элементы залегания

Рис. 4. Элементы залегания: а - азимут простирания, б - азимут падения

Измерение элементов залегания, запись замеров и изображение их на карте

Для измерения элементов залегания используют горный компас.

Результаты замеров следует сразу же записать в полевом дневнике и отметить на карте. Форма записи элементов залегания стандартная и её следует придерживаться, чтобы избежать путаницы.

При горизонтальном залегании нет ни угла падения, ни азимутов простирания и падения. Поэтому записывается просто:
«Залегание горизонтальное».

При вертикальном залегании нет азимута падения. Поэтому записывается азимут простирания, например:
«Аз. пр. СВ 40 ∠ 90».

При наклонном залегании записываются азимут простирания, азимут и угол падения, например:
«Аз. пр. СВ 40, аз. пад. ЮВ 130 ∠ 20».
На практике обычно ограничиваются записью азимута и угла падения, т. к. азимут простирания легко вычислить.

При опрокинутом залегании также записываются азимут и угол падения, но уточняется, что залегание опрокинутое, например:
«Аз. пад. ЮВ 130 ∠ 70 (опрокинутое)».

Обратите внимание на то, что знак "°" – "градус" – не пишется, чтобы избежать ошибок (наспех записанный знак "градус" можно принять за ноль).

Знаки элементов залегания показаны на рис. 5.

Рис. 5. Изображение на карте залегания: а - горизонтального; б - вертикального; в - наклонного; г - опрокинутого

Горный компас

Горный компас имеет конструктивные особенности, которые делают его удобным для измерения элементов залегания:
1) оцифровка лимба против часовой стрелки, что позволяет снимать значения азимутов непосредственно по северному концу стрелки компаса;
2) прямоугольное основание, длинная сторона которого параллельна направлению север-юг;
3) наличие эклиметра для измерения углов в вертикальной плоскости;
4) в некоторых конструкциях имеются также пузырьковый уровень для горизонтирования компаса, приспособления для визирования и механизм разворота лимба для ввода поправки на магнитное склонение.

Замеры, выполненные горным компасом, показывают магнитные азимуты. Магнитный полюс земного шара смещен относительно географического полюса. Положение магнитного полюса неустойчиво с меняется с течением времени. Угол между направлениями на магнитный и географический полюсы называется магнитным склонением и зависит от положения наблюдателя на поверхности земного шара относительно полюсов. Величина магнитного склонения меняется в пределах от 0 до 30° (наибольшие значения наблюдаются в Арктике). Магнитное склонение указывается на полях топографических карт, и его необходимо учитывать при нанесении элементов залегания на карту. Если магнитный полюс смещен для наблюдателя относительно географического полюса к востоку (восточное склонение), для получения истинного азимута нужно к магнитному азимуту прибавить величину магнитного склонения, а если магнитный полюс смещен к западу (западное склонение), то величину склонения нужно вычесть из магнитного азимута. Как отмечалось выше, в некоторых конструкциях компаса есть устройство для разворота лимба, позволяющее ввести поправку на магнитное склонение. Если магнитное склонение восточное, то лимб компаса поворачивают по часовой стрелке на угол, равный величине склонения. Если же склонение западное, то лимб поворачивают против часовой стрелки на соответствующий угол.

Элементы залегания можно определить и косвенными методами – по трем обнажениям или скважинам, вскрывающим подошву или кровлю пласта и не лежащим на одной прямой, либо по двум произвольным (косым) сечениям поверхности пласта вертикальными поверхностями, например, стенками шурфа или естественными обрывами.

Определение элементов залегания по трем обнажениям, не лежащим на одной прямой

Вначале нужно определить высотные отметки обнажений (рис. 6). Самое высокое (3) и самое низкое (1) обнажения соединяются отрезком прямой. На этом отрезке находится точка с такой же отметкой, как и у оставшегося обнажения (2). Через эту точку и обн. 2 проводится прямая, которая является линией простирания. Из обн. 3 на нее опускается перпендикуляр, который являеся проекцией линии падения на горизонтальную плоскость. От точки пересечения этого перпендикуляра с линией простирания откладывается отрезок h, равный превышению обн. 3 над обн. 2, выраженному в масштабе карты. Конец этого отрезка соединяется с обн. 3. Получаем угол падения (α).

Рис. 6. Определение элементов залегания по трем обнажениям, не лежащим на одной прямой

Определение элементов залегания по двум косым сечениям

Чтобы понять прицип последующего построения, вначале построим схематическую блок-диаграмму (рис. 7а), на которой:
β1, β2 - азимуты косых сечений; α1, α2 - углы видимых падений в косых сечениях; β - азимут падения; α - угол падения. BC - линия простирания; AD - линия падения, OD - ее проекция на горизонтальную плоскость. Далее изобразим эту блок-диаграмму в виде развёртки на горизонтальную плоскость.

Рис. 7. Определение элементов залегания по двум косым сечениям: а - изображение в виде блок-диаграммы; б - развертка блок-диаграммы на горизонталную плоскость

Само построение выполняется так (рис. 7б): из некоторой произвольно выбранной точки O проводятся два луча по направлениям косых сечений β1 и β2 . При точке О в вершине угла восстанавливаются перпендикуляры к обоим направлениям и на них откладываются отрезки OA1 и OA2 произвольной, но равной длины. При конце перпендикуляра к первому направлению видимого падения (точке A1) строится угол, дополнительный к углу видимого падения по этому направлению, т. е. 90°–α1. При конце второго перпендикуляра (точке A2) строится угол, дополнительный к углу видимого падения по второму направлению, т. е. 90°–α2. Стороны этих углов продолжаются до пересечения с направлениями видимых падений в точках B и C. Через эти точки проводится прямая – линия простирания. Из точки O на линию простирания опускается перпендикуляр OD – направление падения (β). Из точки O восстанавливается перпендикуляр к направлению падения и на нем откладывается отрезок OA3 , равный отрезкам OA1 и OA2. Точка A3 соединяется с точкой D отрезком прямой. Полученный угол A3DO и является искомым углом падения (α).

Изображение горизонтальных, наклонных и вертикальных слоев на геологических картах в равнинном и расчлененном рельефе

I. Горизонтальные слои

А) В равнинном рельефе
Равнинный рельеф можно представить в виде горизонтальной плоскости. Поверхности напластования также представляют собой горизонтальные плоскости. Поэтому в равнинном рельефе на поверхности будут обнажаться одни и те же слои, т.е., на карте вся поверхность будет закрашена одним цветом. Однако поскольку даже равнинные местности прорезаны долинами водотоков (рек, ручьев), то в этих долинах в виде узких полос вскрываются более древние слои. Подобную картину можно наблюдать даже на обзорных картах платформенных областей.

Рис. 8. Горизонтальные слои в равниннои рельефе: а - на блок-диаграмме; б - на карте

Б) В расчлененном рельефе
При горизонтальном залегании поверхности напластования в любой точке имеют одну и ту же высотную отметку. Поэтому горизонтальные пласты на карте местности с расчлененным рельефом ограничены криволинейными контурами, огибающими горизонтали рельефа земной поверхности и нигде их не пересекающими (рис. 9).

Расстояние между подошвой и кровлей на карте – проекция видимой мощности на горизонтальную плоскость. Истинную мощность можно вычислить как разность отметок подошвы и кровли.

Рис. 9. Горизонтальные слои в расчлененном рельефе

II. Наклонные слои

А) В равнинном рельефе.
Равнинный рельеф можно представить в виде горизонтальной плоскости. Поверхности напластования – наклонные плоскости – при пересечении с горизонтальной плоскостью образуют прямые линии, расстояние между которыми – горизонтальная мощность – зависит от угла падения. При одной и той же истинной мощности горизонтальная мощность тем меньше, чем больше угол падения (рис. 10).

Ми = Мг · sin α

Рис. 10. Наклонные слои в равниннои рельефе: а - на блок-диаграмме; б - на карте

Б) В расчлененном рельефе
При наклонном залегании линия выхода поверхности пласта на земную поверхность имеет разные отметки в разных точках. Наклонные пласты на карте ограничены криволинейными контурами, пересекающими горизонтали рельефа земной поверхности. При уменьшении угла падения линия выхода приближается к горизонталям, при увеличении – приближается к прямой (рис. 11).
Расстояние между подошвой и кровлей на карте – проекция видимой мощности на горизонтальную плоскость.

Рис. 11. Наклонные слои в расчлененном рельефе

III. Вертикальные слои

При вертикальном залегании поверхности напластования проецируются на горизонтальную плоскость прямыми линиями. Поэтому вертикальные пласты на карте, независимо от характера рельефа, ограничены параллельными прямыми, пересекающими горизонтали рельефа земной поверхности и совпадающими с простиранием пласта (рис. 12).

Расстояние между подошвой и кровлей на карте – горизонтальная мощность, совпадающая с истинной мощностью.

Рис. 12. Вертикальные слои в расчлененном рельефе

Построение выхода наклонного пласта

Чтобы построить выход поверхности (подошвы или кровли) наклонного пласта на карте местности с расчлененным рельефом, нужно изобразить эту поверхность в стратоизогипсах с тем же сечением, что и у горизонталей рельефа. Для этого нужно знать элементы залегания пласта и его отметку хотя бы в одной точке.

Заложение стратоизогипс определяется исходя из угла падения и масштаба карты, графическим способом или по формуле

d = h · ctg α

где d заложение стратоизогипс, выраженное в масштабе карты, hсечение горизонталей и стратоизогипс, выраженное в масштабе карты, αугол падения.

Затем нужно найти точки пересечения стратоизогипс и горизонталей с одинаковыми отметками и соединить эти точки плавной кривой.
Эта кривая не должна пересекать ни горизонтали, ни стратоизогипсы в других местах, кроме найденных точек (рис. 13).

Рис. 13. Построение выхода наклонного пласта на карте местности с расчлененным рельефом с помощью стратоизогипс

В зависимости от соотношения между направлением и углом падения пласта и направлением и углом наклона рельефа местности выход наклонного пласта имеет различную форму в плане. Здесь возможны три основных случая:

1) если направление падения пласта совпадает с направлением склона рельефа, а угол падения больше, чем угол склона, то выход пласта образует изгиб в сторону, противоположную изгибу горизонталей рельефа (рис. 14а);

2) если направление падения пласта противоположно направлению склона рельефа, то выход пласта образует изгиб, направленный в ту же сторону, что и у горизонталей рельефа, но более плавный, чем изгиб горизонталей (рис. 14б);

3) Если направление падения пласта совпадает с направлением склона рельефа, а угол падения меньше, чем угол склона, то выход пласта образует изгиб, направленный в ту же сторону, что и у горизонталей рельефа, но более резкий, чем изгиб горизонталей (рис. 14в).

Рис. 14. Три основных случая выхода наклонного пласта в расчлененном рельефе

Определение элементов залегания и мощности пласта с помощью стратоизогипс

Определение элементов залегания

Для определения элементов залегания используется одна линия выхода (подошва или кровля) и две горизонтали рельефа с разными отметками, каждая из которых пересекает линию выхода в двух точках (рис. 15).

Через эти точки проводятся стратоизогипсы (на рисунке 180 п и 200 п). Любая стратоизогипса является линией простирания. Перпендикулярно стратоизогипсам проводится линия падения (она направлена в сторону стратоизогипсы с меньшей отметкой). Для построения угла падения от точки пересечения линии падения со стратоизогипсой откладывается отрезок (h=200-180=20 м), равный разности отметок стратоизогипс в масштабе карты. Через конец этого отрезка и точку пересечения линии падения со второй стратоизогипсой проводится линия. Угол между этой линией и линией падения – это угол падения пласта (α).

Рис. 15. Определение элементов залегания с помощью стратоизогипс

Определение мощности

Для определения мощности используются две линии выхода (подошва и кровля) и одна горизонталь рельефа, которая пересекает линии выхода в двух точках каждую (рис. 16).

Через эти точки проводятся стратоизогипсы (на рисунке 180 п и 180 к). Перпендикулярно стратоизогипсам проводится отрезок прямой, который представляет собой горизонтальную мощность пласта (Мг). Отложив определенный ранее угол падения пласта (α), строим так называемый треугольник мощностей, второй катет в котором – вертикальная мощность (Мв), а высота, опущенная на гипотенузу – истинная мощность (Ми).

Рис. 16. Определение мощности с помощью стратоизогипс

Выводы

  1. Горная геометрия – раздел структурной геологии, который рассматривает геометрические характеристики геологических объектов.
  2. Основное понятие горной геометрии – идеальный пласт. С его помощью можно охарактеризовать размеры и положение в пространстве реальных геологических объектов плоской формы.
  3. Положение пласта в пространстве определяется элементами залегания.
  4. Для измерения элементов залегания используют горный компас, однако их можно определить также и косвенными методами: по трем обнажениям или скважинам, не лежащим на одной прямой, или по двум косым сечениям.
  5. Чтобы построить выход поверхности (подошвы или кровли) наклонного пласта на карте местности с расчлененным рельефом, нужно изобразить эту поверхность в стратоизогипсах с тем же сечением, что и у горизонталей рельефа. Затем требуется найти точки пересечения стратоизогипс и горизонталей с одинаковыми отметками и соединить эти точки плавной кривой.
  6. Построения с помощью стратоизогипс – один из основных приемов горной геометрии.

Вопросы для самопроверки

  1. Чем характеризуется горизонтальное и наклонное залегание пластов?
  2. Что называется элементами залегания пласта?
  3. Что называется азимутом и как он замеряется?
  4. Почему азимуты простирания рекомендуется записывать в северных румбах?
  5. Как записывают и изображают на карте элементы залегания пластов?
  6. Как находят линию простирания пласта с помощью горного компаса?
  7. Описать порядок работы по определению элементов залегания пласта в поле при помощи горного компаса.
  8. Как наносят элементы залегания пласта на геологическую карту?
  9. В каких случаях применяются косвенные способы определения элементов залегания пласта и в чем они заключаются?
  10. В чем заключается различие определения элементов залегания пласта по трем точкам на топографической карте с горизонталями и по трем скважинам на этой же топографической карте?
  11. Как замеряют азимуты стенок выработки (шурфа) при определении элементов залегания пласта по двум косым сечениям (по двум видимым падениям) в этой выработке?
  12. Как определяют угол наклона пласта в косом сечении по известному углу падения? В чем практическое значение этого измерения?
  13. Что называется истинной, видимой, горизонтальной и вертикальной мощностью пласта?
  14. Каковы три основных случая зависимости выхода наклонного пласта от рельефа?
  15. Каковы основные правила построения выхода пласта в зависимости от рельефа?
  16. Что называется стратоизогипсами пласта? Каково их значение?