Структурная геология

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. 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.

Мощность

Расстояние между подошвой и кровлей называется мощностью пласта (рис. 1).
Виды мощности (рис. 2):

• Кратчайшее расстояние от подошвы до кровли пласта – по перпендикуляру – называется истинной мощностью (М_и),
• расстояние в горизонтальной плоскости – горизонтальной мощностью (М_г),
• расстояние по вертикальной линии – вертикальной мощностью (М_в).
• Расстояние вдоль земной поверхности – видимая мощность (М_вид) – 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 мощность (М_сохр) – расстояние от земной поверхности до подошвы пласта, кровля которого разрушена;
• вскрытая мощность (М_вскр) – расстояние от земной поверхности до кровли пласта, подошва которого находится на глубине.

Элементы залегания

Элементы залегания (рис. 3) – 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. 4).
Азимут простирания (рис. 5) – 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. 6) – угол между направлением на север и проекцией линии падения на горизонтальную плоскость. Азимуты измеряются по часовой стрелке.

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». Изображение на карте:

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

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 Изображение на карте:

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

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

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.

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 (рис. 7). Подобную картину можно наблюдать даже на обзорных картах платформенных областей.

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

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. 9).

М_и = М_г · sin α

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 (рис. 10). При уменьшении угла падения линия выхода приближается к горизонталям, при увеличении – приближается к прямой.
Расстояние между подошвой и кровлей на карте – проекция видимой мощности на горизонтальную плоскость.

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

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, h – сечение горизонталей и стратоизогипс, выраженное в масштабе карты, α – угол 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. 12). 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. 13).
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. 14).
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. 15).

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. 16). 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).

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

С помощью стратоизогипс можно изображать любую поверхность, не только плоскую, но и изогнутую. В этом случае и стратоизогипсы будут криволинейными. Построения с помощью стратоизогипс – один из основных приемов горной геометрии.

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?