Структурная геология и геологическое картирование - часть 1

Учебное пособие. Специальности: 020301(011100) - геология, 020302(011200) – геофизика, 020304(011400) – гидрогеология и инженерная геология, 130301(080100) - геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых

ВОРОНЕЖ

Утверждено научно-методическим советом геологического факультета (18 ноября 2004 г., протокол № 3)

Авторы: Коваль С.А., Лукьянов В.Ф., Старухин А.А., Шишов В.В.

Учебное пособие подготовлено на кафедре общей геологии и геодинамики геологического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов дневного и заочного отделений геологического факультета ВГУ. В данном пособии содержатся указания по анализу топографической карты, геологических карт с горизонтальным и наклонным залеганием пород, методам определения элементов залегания, составлению геологических разрезов. Учебное пособие иллюстрируется рисунками.

	СОДЕРЖАНИЕ
I.	ТОПОГРАФИЧЕСКАЯ КАРТА И ЕE АНАЛИЗ ………….
2.	ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА (ОПРЕДЕЛЕНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ, ОФОРМЛЕНИЕ) …………………………..
	2.1.	Геологические карты с горизонтальным залеганием слоев………………………………………………………
	2.2.	Геологические карты с наклонным залеганием слоев...
		2.2.1.	Определение элементов залегания графическими методами …………………………………….
		2.2.2.	Определение глубины залегания слоев в заданной точке ………………………………………..
		2.2.3.	Определение мощности слоев по геологической карте ……………………………………………..
		2.2.4.	Построение выходов наклонно залегающих слоев на карте с горизонталями (проложение слоев) …………………………………………….
		2.2.5.	Построение геологических разрезов при наклонном залегании слоев ……………………….
	Приложение №1. Таблица искажений угла падения пластов при увеличении вертикального масштаба разреза……
	Приложение №2. Номограмма для определения угла наклона в косомразрезе………………………………………..
	Приложение №3 / Условные обозначения для геохронологических подразделений………………………………………….
	Приложение №4. Международная геохронологическая шкала ………………………………………………………..
	ЛИТЕРАТУРА………………………………………………..

I. ТОПОГРАФИЧЕСКАЯ КАРТА И ЕЕ АНАЛИЗ

Основой геологической карты является топографическая карта, на которой с разной степенью детальности, зависящей от масштаба, изображен рельеф, гидрографическая сеть и другие данные.

На топографической карте рельеф чаще всего изображен с помощью горизонталей (изогипс), отсчет которых обычно ведется от уровня мирового океана, высотные отметки при этом называются абсолютными. Превышение смежных горизонталей называется высотой сечения или сечением горизонталей. Чем меньше сечение горизонталей, тем детальнее передается рельеф. При уменьшении масштаба сечение горизонталей увеличивают во избежание перегрузки карты. Для горной местности берется большее сечение горизонталей, чем для равнинной. Например, при масштабе 1:100 000 для равнинного рельефа сечение горизонталей принимается обычно через 10-20 м, для горного - через 50-100 м. Отметка горизонтали пишется в разрыве этой линии и на полях карты в месте пересечения горизонтали с рамкой карты. Кратчайшее расстоя­ние между смежными горизонталями на карте называется заложением. На крутых участках склонов горизонтали сближаются, на пологих - расходятся.

Каждая впадина склона обрисовывается изгибом горизонталей, обращенным выпуклостью в сторону более высоких горизонталей, каждый выступ склона или мыс - выпуклым изгибом в сторону более низких горизонталей. На дне долин нижние горизонтали, идущие вдоль подош­вы обоих склонов, постепенно сближаются и в точке, где дно подни­мается на их уровень, смыкаются между собой. Долины рек, овраги, балки, имеющие узкое дно, вырисовываются на карте в виде V-образных углов, вдающихся в сторону вышележащих горизонталей, причем они тем острее, чем уже и длиннее долины. У долин, имеющих широкое днище, горизонтали замыкаются более плавно.

Изолированные возвышенности и впадины обрисовываются концентрическими замкнутыми горизонталями, передающими в плане их очертания, причем выпуклые формы легко отличают от вогнутых как по цифровым обозначениям, так и по косвенным признакам (изгибы горизонталей, общая тенденция рельефа к подъему или понижению).

При построении геологического разреза прежде всего составляется для заданного направления (линии) топографический профиль земной поверхности и на него наносятся геологические данные.

Топографические профили могут составляться и самостоятельно - для облегчения анализа характера рельефа вдоль определенных направлений. По топографической карте можно вычертить профиль земной поверхности вдоль любой заданной линии, приняв за основание разреза ту или иную абсолютную высоту (кратную сечению горизонталей), обязательно меньшую, чем самая низкая отметка рельефа по линии профиля. Для большей наглядности профиля к мелкомасштабным картам можно увеличить вертикальный масштаб (рис.1). Профиль задается, как правило, от одной рамки карты до другой, пересекая минималь­ные и максимальные высотные отметки. При этом на профиле слева должны быть западные направления (запад, северо-запад, юго-запад), а справа - восточные (восток, северо-восток, юго-восток). При ориентировке же профиля север-юг слева располагается юг, справа - север. Профиль имеет шкалы вертикального масштаба с делениями через 1,0 см (на обоих концах профиля) и бук

венные обозначения, привязывающие его к карте.

Рис. 1

Географические ориентиры (реки, озера, населенные пункты, вершины гор), через которые проходит линия профиля, указываются сносками над профилем и сопровождаются названиями ориентиров (рис.1). В этом случае, если на карте русло реки представлено тонкой линией, на разрезе оно изображается вне масштаба V-образным углублением (примерно I x 1,5 мм), середина ко­торого соответствует точке пересечения линии профиля и русла реки. Всегда положение V-образного углубления ниже горизонтали, замыкающей в данном участке русло (см. профиль - рис.1).

При составлении профилей возможны случаи многократных пересечений его линией одной и той же горизонтали. Это не дает составителю права считать (и изображать на профиле) рельеф плоским. Необходимо проанализировать положение линии профиля в промежуточных участках между пересечениями с одноименной горизонталью (рис.2). Таким образом, на профиле

Рис.2 Рис.3

должна быть не прямая, а волнистая линия, которая колеблется между двумя (выше- и нижележащими) отметками соседних горизонталей, не достигая их.

Топографический профиль, изображая рельеф участка по заданной линии, позволяет в любой его части определить наклон склона по отношению к горизонтальной поверхности (только по направлению этой линии и если горизонтальный и вертикальный масштабы одинаковы). Подобные определения можно сделать и по топографической карте с помощью масштаба покатостей (заложений). Покатость склона или градиент уклона измеряется отношением вертикального расстояния между горизонталями (сечение горизонталей) к их расстоянию на карте (горизонтальная проекция склона - рис.3). То и другое берется в одинаковых единицах (обычно в метрах) в масштабе карты.

Сечение горизонталей (а) представляет собой катет прямоугольного треугольника, противолежащий углу (α), а расстояние между горизонталями на карте (в) есть катет, прилежащий к этому углу. Зная сечение горизонталей и масштаб карты, можно вычислить угол для участка АС на карте (ctg α=b:a).

Для того, чтобы определить угол склона в любом участке данной карты без подсчетов для каждой линии, составляют масштаб покатостей (заложений). На листе бумаги проводят вертикальную линию, которая пересекается системой равноотстоящих горизонтальных линий. Слева от вертикальной линии против горизонтальных пишутся углы (обычно от 0° до 45°, реже до 60° и больше), а справа от нее откладываются на соответствующих горизонтальных линиях в масштабе карты отрезки, равные расстояниям между горизонталями на карте (в) для соответствующего угла при данном сечении горизонталей. Например, при сечении горизонталей а = 10 м и масштабе карты 1:100 000 для α = 1°, отрезок в = 10·Сtg 1° = 10·57,29=572,9 м; в масштабе карты это будет 0,5729 см или 5,73 мм, т.е. при α = 1° в = 5,73 мм. Эта величина откладывается на горизонтальной линии против значения 1°. До 5° откладываются подряд значения каждого градуса, после 5° до 20° можно брать интервал через 5°, а затем - через 10°, потому что в последнем случае изменение значений котан­генсов невелико. Концы отрезков, соответствующих значениям "в" при данных "α", соединяются плавной кривой.

Определения по масштабу заложений делаются следующим образом: раствором циркуля (или измерителя) замеряют расстояние между горизонталями на карте, а затем на масштабе заложений подбирают соответствующее значение "в", по которому определяют число градусов уклона при данном значении "в".

Упражнение по топографической карте может быть дано по картам №№ 1,2,3 из атласа карт Е.В.Милановского или любой заранее подготовленной топографической карте.

Задание заключается в следующем:

1. На основе анализа гидрографической сети и с учетом сечения горизонталей, дать значения последних. Рекомендуется не использо­вать нулевую и отрицательные отметки.

2. Составить топографический профиль по линии, проведенной через участок, наиболее полно отражающий характер рельефа.

Горизонтальный масштаб профиля равен масштабу карты, верти­кальный же масштаб может быть увеличен.

3. Составить масштаб заложений к данной карте и, используя его, выполнить замеры крутизны склонов на различных участках. Участки на карте обозначить буквами. Результаты замеров свести в таблицу (рис.4).

4. Составить условные обозначения к топографической карте, в которых указать горизонтали, реки и направление их течения, линию разреза и др.

Все графические материалы монтируются на один лист по образ­цу, указанному на рис.4.

Рис.4.

2. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА (ОПРЕДЕЛЕНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ, ОФОРМЛЕНИЕ)

Геологические карты представляют собой изображение на топо­графической карте с помощью условных знаков распространения и ус­ловий залегания горных пород, разделенных по возрасту, составу и происхождению. Они дают возможность составить представление о строении не толь­ко поверхности, но и на глубину, поэтому каждая геологическая карта обязательно сопровождается геологическим разрезом. Возраст­ные и структурные взаимоотношения развитых в районе стратифициро­ванных пород (в том числе не обнажающихся на дневной поверхности и вскрытых скважинами или горными выработками) и их состав указы­ваются в стратиграфических колонках (рис.5). В горизонтальном направлении колонка делится на три основные части.

1. Хронологическая, в которой указывается возраст пород (сис­тема, отдел, ярус) и индексы самого дробного стратиграфического подразделения - эта часть располагается слева от колонки; ширина вертикальных столбцов, указывающих возраст и индекс, 8-9мм.

2. Собственно колонка (ширина 30 мм), на которой условной штриховкой обозначается состав осадочных, вулканогенных и метаморфических пород, известных на территории района, изображенного на карте. При этом должны быть показаны отложения как обнажающиеся на поверхности земли, так и вскрытые скважинами и другими горными выработками, а также установленные геофизическими методами.

Масштаб для изображения мощностей выбирается такой, чтобы длина колонки примерно соответствовала длине вертикальной рамки карты, но не более 45 см. Если из-за большой мощности одного или нескольких стратиграфических подразделений длина стратиграфической колонки резко увеличивается, то в колонке для этих подразделений разрешается делать пропуск ("разрыв") внутри литологически однородных слоев. Эти "разрывы" в колонке показываются двойной (с расстоянием 1,0 мм) волнистой линией, ограничивающей рисунок литологического состава (рис.5). Структурные взаимоотношения отложений в стратиграфической колонке показываются различными условными знаками: прямой линией - согласное залегание, волнистой - параллельное несогласие, пилообразной - структурное несогласие (рис.5). Породы в колонке наносятся в возрастном порядке: вверху - молодые, чем ниже - тем древнее. Четвертичные отложения в колонке не показываются. Для районов широкого распространения четвертичных отложений дается отдельная схема их соотношений.

3. Справа от колонки литологического состава указываются данные о мощности выделенных стратиграфических подразделений в метрах (ширина графы мощностей 9 мм) и графа "Характеристика пород", где дается краткое описание пород с указанием остатков важнейшей фауны, флоры и наличие полезных ископаемых. Ширина последней графы зависит от объема текста.

Нижняя часть колонки ограничивается сплошной черной линией.

Справа от карты помещаются условные обозначения. Знаки располагаются в следующем порядке (сверху вниз):

а) стратиграфические подразделения (в том числе вулканогенные и метаморфогенные образования), начиная с более молодых;

Рис.5

б) обозначения интрузивных пород, также начиная с более молодых;

в) знаки маркирующих горизонтов, контактовых и других измененных горных пород;

г) знак, показывающий форму залегания пород и все прочие обозначения, изображенные на карте условными знаками.

Все графические материалы монтируются на один лист по образцу, приведенному на рис.6.

С помощью геологических карт могут быть сделаны выводы о строении и развитии земной коры и закономерностях размещения полезных ископаемых. Последнее, в свою очередь, позволяет более целенаправленно вести поисковые работы.

2.1. Геологические карты с горизонтальным залеганием слоев

Ненарушенное горизонтальное залегание слоев легко определяется по геологической карте, на которой рельеф показан горизонталями. Основные признаки такого залегания:

Рис.6

а) границы между слоями на карте повторяют очертания основных элементов рельефа (т.е. очертание горизонталей), а иногда совпадают с горизонталями;

б) абсолютные высотные отметки одной и той же поверхности напластования одинаковы в пределах всего района;

в) в основании разреза лежат наиболее древние слои, каждый вышележащий слой моложе того, который он перекрывает; таким образом, на возвышенностях располагаются более молодые слои, чем в пониженных участках рельефа.

Все эти особенности относятся к коренным породам.

При горизонтальном залегании направление разреза задается так, чтобы пересекались самые высокие и низкие отметки рельефа, а тем самым максимально возможное количество слоев для данного участка. При наличии скважин линии разрезов целесообразно проводить через них.

Обычно линии разрезов прямые и пересекают геологическую карту от рамки до рамки, но при необходимости они могут быть и ломаными. В последнем случае на изгибах разрезов подписываются буквы. На концах линии разреза также ставятся буквенные обозначения. Горизонтальный масштаб разреза берется равным масштабу карты, вертикальный масштаб при горизонтальном залегании пород выбирается в зависимости от мощностей изображенных на разрезе слоев. Самый маломощный слой или стратиграфический горизонт должен иметь на разрезе ширину не менее I мм. Пример: на карте масштаба 1:100 000 показаны отложения, в которых наименьшая мощность отдельных слоев достигает 10 м, так как 10 м должно на разрезе соответствовать I мм, то приравняем 10 м к I мм или 10 000 мм к I мм и получаем знаменатель вертикального масштаба 10 000. Таким образом, вертикальный масштаб увеличивается по сравнению с масштабом карты (горизонтальным) в 10 раз.

После выбора вертикального масштаба составляется топографический профиль по заданной линии с увеличенным вертикальным масштабом и на него переносятся точки пересечения геологических границ с заданной линией (правильность их положения для горизонтально лежащих слоев контролируется высотными отметками). Шкалы высот должны быть не меньше, чем суммарная мощность отложений, показанных на разрезе.

К географическим ориентирам могут быть добавлены горные выработки (скважины, шурфы и др.), через которые проходит линия разреза, их нумерация дается в сносках выше линии топографического профиля. Геологические границы показываются тонкими линиями.

Стратиграфические подразделения на геологических разрезах раскрашиваются и индексируются в строгом соответствии с геологической картой.

Если линия разреза пересекает речную долину, имеющую аллювиальные отложения, мощность которых неизвестна, то глубина вреза долины в коренные породы дается вне масштаба в виде V-образного углубления (рис.6).

Упражнение по карте с горизонтальным залеганием слоев дается по карте № 5 из атласа карт Е.В.Милановского. При выполнении его следует руководствоваться "Программой и методическими указаниями к лабораторным занятиям по структурной геологии и геологическому картированию".

2.2. Геологические карты с наклонным залеганием слоев

Нарушения первичных (горизонтальных) форм залегания пород, связанные с тектоническими движениями, могут привести к возникновению наклона слоев в одном направлении на больших территориях. Такая форма залегания называется моноклинальной.

Главным признаком наклонного залегания слоев на геологических картах является пересечение геологических границ с горизонталями рельефа дневной поверхности, поскольку одна и та же поверхность слоя в разных участках местности при наклонном залегании находится на разных абсолютных отметках.

В случае отсутствия на карте горизонталей признаком наклонного залегания слоев являются изгибы их выходов в долинах и на водоразделах (пластовые фигуры – треугольники и другие). В редких случаях, когда наклонные слои выходят на горизонтальную дневную поверхность, их геологические границы на картах имеют вид прямых линий. При этом слои наклонены в сторону более молодых отложений.

Положение наклонного слоя (или серии слоев) в пространстве относительно стран света и горизонтальной поверхности определяется элементами залегания: простиранием, падением и углом падения слоев.

Простирание слоя определяется ориентировкой линии простирания относительно меридиана, т.е. азимутом простирания слоя.

Линия простирания - это любая горизонтальная линия, лежащая в плоскости напластования, т.е. линия пересечения подошвы или кровли слоя с горизонтальной плоскостью (аб, а₁б₁ на рис.7).

Рис. 7

Азимут линии простирания (азимут простирания) отсчитывается по ходу часовой стрелки от северного направления географического меридиана до линии простирания и может меняться от 0 до 360°. Так как любая линия простирания имеет два взаимно противоположных направления, то и азимут простирания может быть выражен двумя значениями, отличающимися на 180° (α₁ и α₂ на рис.7).

Падение слоя определяется двумя показателями: направлением падения и углом падения.

Направление падения слоя определяется азимутом линии падения.

Линия падения - это линия, перпендикулярная к линии простирания, лежащая в плоскости наслоения и направленная в сторону наклона слоя (вг). Линия падения указывает направление максимального ("истинного") наклона слоя.

Азимут линии падения(азимут падения) представляет собой угол между направлением на север и направлением падения, измеряемый в горизонтальной плоскости по ходу часовой стрелки ( на рис.7). Он может меняться в пределах от 0 до 360°, но в отличие от линии простирания имеет только одно значение.

Другая линия, лежащая также в плоскости наслоения и перпендикулярная к линии простирания, но направленная в сторону обратную линии падения (т.е. вверх по слою), называется линией восстания.

Угол падения - угол между линией падения (вг) и ее проекцией (ге) на горизонтальную плоскость (угол α на рис.7). Угол падения изменяется от 0 до 90°. При опрокинутом залегании он измеряется в тех же пределах, т.е. от 0 до 90°, однако на карте ставится особый условный знак – опрокинутое залегание.

"Видимым" падением поверхности напластования называют падение ее по любому направлению, не совпадающему с истинным падением. Угол, образованный линией видимого падения с горизонтальной плоскостью, называется видимым углом падения, он всегда меньше истинного.

Элементы залегания могут быть определены как с помощью горно­го компаса, так и графическими методами. При этом полученные ре­зультаты записываются следующим образом: Аз.прост. СВ 10; аз.пад. ЮВ 100 Ð 32.

2.2.1. Определение элементов залегания графическими методами

Наиболее часто в практике используются следующие графические методы определения элементов залегания: по трем точкам поверхности напластования, не лежащим на одной прямой; по выходу пласта на геологической карте с горизонталями; по двум видимым углам падения в направлениях, азимуты которых известны; по "перекрытым" разрезам.