Горизонтальное залегание слоёв

Принимается, что ненарушенные слои осадочных пород в грубом приближении залегают горизонтально. Горизонтальным залеганием горных пород называют такое залегание, когда поверхности напластования слоёв в целом совпадают с горизонтальной плоскостью. Но нельзя полностью отождествлять горизонтальное залегание слоёв с первичным залеганием, так как непрерывные колебательные движения земной коры, сопровождавшие процессы осадконакопления, приводят к изменению угла наклона первично горизонтальных слоёв до 1-2º и более. Горизонтальное залегание пород характерно для четвертичных и более древних пород, сформированных в платформенных условиях и не подвергшихся впоследствии деформациям.

На геологической карте с горизонталями границы горизонтально залегающих пластов изображаются линиями, идущими параллельно горизонталям рельефа.

На аэрофотоснимках границы горизонтально залегающих пород будут криволинейны, описывать рельеф, а степень кривизны будет зависеть от степени расчленённости рельефа.

На геологических разрезах границы горизонтально залегающих пород параллельны. При построении геологических разрезов вертикальный масштаб может быть произвольный – увеличен при небольшой глубине разреза и наличии слоёв малой мощности, либо уменьшен, если глубина разреза большая, и слои имеют большую мощность.

Определение истинной мощности горизонтально залегающего пласта.

Истинная мощность горизонтально залегающего слоя – кратчайшее расстояние между подошвой и кровлей пласта. На геологической карте она определяется по разности высот между кровлей и подошвой слоя, путем интерполяции высотных отметок границ кровли и подошвы по горизонталям рельефа. Ширина полосы (выхода) пласта на карте представляет собой проекцию видимой мощности на горизонтальную поверхность и зависит от истинной мощности пласта и крутизны склона. Чем круче склон, тем меньше ширина выхода. Чем больше истинная мощность при одной крутизне склона, тем шире полоса.

В поле обычно определяется видимая мощность – расстояние от подошвы слоя до кровли по уклону склона в перпендикулярном направлении. Истинная мощность горизонтального слоя устанавливается либо с помощью вертикальных горных выработок (шурфов, буровых скважин), либо по видимой мощности по формуле: m = M (sin β),

где m – истинная мощность, M – видимая мощность, β – угол наклона линии измерения (склона, дна канавы или расчистки).

Истинную мощность также легко определить по видимой мощности графическим путём. Необходимо построить прямоугольный треугольник, в котором: угол между горизонтальным катетом и гипотенузой (угол наклона склона) – β; гипотенуза (видимая мощность слоя, отложенная в масштабе) – М; горизонтальный катет – проекция гипотенузы на горизонтальную плоскость; вертикальный катет (истинная мощность слоя в масштабе) – m.

Для определения мощностей горизонтально залегающих слоёв, толщ, серий комплексов широко используются геофизические методы исследований, например, вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) или сейсморазведочный. При бескерновом бурении применяются различные виды каротажа скважин.

1.2.2. Наклонное залегание слоёв

Наклонное залегание слоёв осадочных пород в большинстве случаев является нарушенным или вторичным (рис. 1.25.). При наклонном (или моноклинальном) залегании слои на обширных территориях наклонены в одном направлении и имеют постоянный угол наклона. Такое залегание широко распространено в осадочных отложениях многих геотектонических структур. Углы падения слоёв могут достигать 30º и более. Моноклинальное залегание может быть также в крыльях складок и флексур.

Рис. 1.25. Пример наклонного залегания слоёв при нормальном залегании пород.

Границы наклонно залегающих стратиграфических подразделений (слоёв, толщ и т.д.) и другие наклонные геологические границы на геологических картах с топоосновой (с горизонталями) криволинейны и пересекают горизонтали. При одинаковой степени расчленённости рельефа – чем круче залегают границы, тем большее количество горизонталей они будут пересекать и меньше их криволинейность.

Вертикально залегающие границы (стратиграфические, тектонические, несогласия), пересекающиеся с эрозионной (дневной) поверхностью на карту проецируются в виде прямой линии.

На аэрофотоснимках при выровненном рельефе трудно судить о залегании пород. Если рельеф расчленён, то границы слоёв будут зигзагообразно изогнуты, и конфигурация этих границ будет зависеть от формы рельефа и угла наклона слоёв. При вертикальном залегании выходы границ образуют на снимках прямые линии, пересекающие рельеф независимо от его формы.

На геологических разрезах величина наклона наклонно залегающих пластов будет зависеть от истинного угла падения пластов и от угла между направлением разреза и простиранием пород. При перпендикулярном соотношении (разрез вкрест простирания слоёв) углы наклона границ будут соответствовать истинным углам падения слоёв. Чем острее угол, тем положе будут углы наклона. И если разрез построен по направлению простирания слоёв, то границы будут горизонтальны. Для пересчёта углов наклона слоёв в разрезах, построенных под углом к простиранию, существуют графические, геометрические методы и номограмма (приложение № 1).

При изображении наклонно залегающих пластов на геологическом разрезе горизонтальный и вертикальный масштабы должны быть равными. Иногда делается исключение – вертикальный масштаб увеличивается. И тогда изображение слоёв будет отличаться от действительного – углы падения будут больше действительных и, соответственно будут искажены мощности слоёв. В таких случаях истинные углы падения можно определить графическим путем.

1.2.3. Нормальное и опрокинутое залегание

Наклонно залегающие пласты могут иметь нормальное и опрокинутое залегание (рис. 1.26, 1.27). При нормальном залегании кровля пласта расположена выше его подошвы, а при опрокинутом – наоборот.

	Рис. 1.27. Нормальное и опрокинутое залегание в вертикальном разрезе. Ниже линии АБ слои залегают в нормальном положении(кровля располагается выше подошвы). Выше линии АБ слои опрокинуты (кровля располагается ниже подошвы. Угол падения слоёв – α.
Рис. 1.26. Примеры нормального (А) и опрокинутого (Б) залегания

Отличить опрокинутое залегание от нормального можно по ряду характерных признаков:

1. По возрасту руководящих остатков фауны и флоры, если таковые имеются.

2. По признакам, однозначно указывающим на положение кровли и подошвы (знаки ряби, косая слоистость, следы размыва, волноприбойные знаки, трещины усыхания, иероглифы, следы потоков, градационная слоистость, скопления миндалин и подушечная отдельность в кровле и зоны закалки у подошвы потоков лав и.т.д.) (рис. 1.26).

3. По результатам датирования пород изотопно-геохронологическими методами.

Элементы залегания наклонного слоя.

При наклонном залегании слоёв (и во всех других случаях тектонических нарушений) положение слоя в пространстве характеризуются элементами залегания – азимутами простирания и падения и углом падения поверхностей наслоения (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Блок-диаграмма прикровлевой части наклонного слоя. Слой рассечён вкрест простирания (штриховка) и под острыми углами к простиранию (стрелки).

Простиранием (линией простирания) называется линия пересечения поверхности слоя (кровли или подошвы) с горизонтальной поверхностью. На поверхности слоя можно провести бесчисленное множество линий простирания.

Падением (линией падения) называется направление (вектор), перпендикулярное линии простирания и направленное в сторону его уклона, или направление максимального наклона слоя к горизонту.

Восстание (линия восстания) – направление обратное линии падения.

Углом падения называется угол, заключенный между линией падения и проекцией её на горизонтальную плоскость.

Положение линии простирания определяется азимутом простирания, а положение линии падения – азимутом и углом падения. Азимутом заданного направления называется правый векториальный угол, заключенный между северным направлением истинного меридиана и заданным направлением, определенный по часовой стрелке. Линия простирания имеет два противоположных направления, поэтому и замеры азимутов простирания одного и того же направления будут различаться на 180º. Азимутом падения называется правый векториальный угол между проекцией линии падения на горизонтальную поверхность и северным направлением истинного меридиана, определенный по часовой стрелке. Падение имеет одно направление и, соответственно, один азимут, отличающийся от азимута линии простирания на 90º. Значение угла падения не может быть больше 90º.

При определении истинных азимутов падения или простирания наклонных слоев, поверхностей наслоения и прочих геологических границ горным компасом необходимо учитывать магнитное склонение. В случае восточного магнитного склонения истинный азимут определяется путем прибавления к магнитному азимуту величины магнитного склонения, а в случае западного – наоборот, отнимается. Можно определять истинные азимуты без дополнительных математических операций, если лимб компаса повернуть на величину магнитного склонения по часовой стрелке (при восточном склонении) или против часовой стрелки (при западном склонении).

Элементы залегания на картах изображаются с помощью условных графических знаков (рис. 1.28). Для нанесения элементов залегания на карту через точку, в которой произведен замер (или в которой нужно нанести элементы залегания), проводят меридиан, от него по часовой стрелке с помощью транспортира или горного компаса откладывают значение истинного азимута линии падения или линии простирании, а затем наносят значок, соответствующий замеру и характеру залегания.

Рис. 1.28 Условные обозначения геологических границ, залегания пород и точечных объектов. 1 – геологические границы установленные (а) и предполагаемые (б); 2 – граница несогласия; 3 – Горизонтальное залегание; 4 – вертикальное залегание; 5 – наклонное залегание нормальное (а) и опрокинутое (б); 6 – преобладающее наклонное залегание; 7 – точки наблюдения (а), коренной выход (б); 8 – элювий (а) и делювий (б); 9 – канава (а), шурф (б), устье скважины (в); 10 – карьер (а), вертикальный уступ (б).

Определение элементов залегания наклонно залегающих геологических границ.

Элементы залегания геологических границ (пластов, поверхностей напластования и несогласий, тектонических) не всегда удаётся замерить в обнажениях. Их можно определить: по видимым наклонам в обнажениях, шурфах и канавах; по данным бурения; по трём точкам выхода пласта на поверхность; методом пластовых треугольников; методом стратоизогипс.

1. Определение элементов залегания по видимым наклонам. Видимым наклоном называется падение поверхности слоя в любом направлении, не совпадающем с направлением наибольшего наклона. Линия пересечения поверхности обнажения или стенки шурфа с поверхностью напластования называется линией видимого наклона. Угол погружения линии видимого наклона равен углу между линией и её проекцией на горизонтальную плоскость.

Определить элементы залегания можно графическим геометрическим методом по двум замерам элементов залегания (азимут и угол погружения) линий видимого наклона в двух смежных плоскостях обнажения или стенках шурфа.

Рис. 1.29. Определение элементов залегания наклонного слоя в шурфе по двум смежным стенкам. Вверху – перспективное изображение. Внизу – геометрическое построение.

Например (рис. 1.29), есть два замера элементов залегания видимых наклонов, сделанных в смежных стенках шурфа: аз.пад. 245ºÐ45º, аз.пад. 135ºÐ30º. На ориентированном по странам света листе бумаги из произвольной точки a наносятся линии ab и ac по направлениям, соответствующим азимутам падения линий видимых наклонов.

В точке a восстанавливаются к этим линиям перпендикуляры ad и ae одинаковой величины (ad = ae) и откладываются в точках d и e соответствующие углы до пересечения с линиями простирания. Через точки f и q проводится линия и к ней из точки a восстанавливается перпендикуляр ah. Затем, из точки a восстанавливается перпендикуляр ai (ai = ad = ae) и точка i соединяется с точкой h. Угол ahi является истинным углом падения, а направление ah – азимутом истинного падения.

2. Гораздо проще можно определить истинные элементы залегания по замерам видимых уклонов, используя сетку Баумана (рис. 1.30) или стереографическую сетку Вульфа.

Рис. 1.30. Пример определения элементов залегания пласта по двум видимым замерам с помощью стереографической сетки Баумана.

3. Определение элементов залегания по выходу пласта на поверхность (рис. 1.31). На геологической карте с горизонталями нужно найти хотя бы две точки пересечения какой-либо горизонтали с одной и той же поверхностью слоя (кровлей или подошвой). Найденные точки соединяем прямой линией, которая будет линией простирания пласта и её высота будет равна высоте горизонтали. Далее, находим две новые точки пересечения вышележащей или нижележащей горизонтали с той же поверхностью слоя, соединяем их прямой линией и получаем вторую линию простирания с высотой равной отметке другой горизонтали. Затем проводим между ними перпендикулярную линию и помечаем стрелочкой направление падения – оно будет направлено в сторону более низкой отметки линии простирания. Через одну из точек пересечения её с линией простирания проводится линия в направлении «север-юг». По часовой стрелке от северного направления до направления линии падения транспортиром определяем азимут падения.

Для определения угла падения необходимо проделать следующие операции. От одного конца перпендикулярной линии между двумя линиями простирания в любую сторону откладывается в масштабе карты разница между высотными отметками двух этих линий, и эта точка соединяется с другим концом перпендикуляра. Угол между этой линией и линией падения будет углом падения слоя (границы).

3. Определение элементов залегания по трём точкам выхода пласта на поверхность или по данным трёх скважин (рис. 1.32). Три точки соединяются линиями. Получается треугольник, вершины которого имеют разные высотные отметки. Рёбра треугольника разбиваются на определенное количество частей, которое равно разнице между высотными отметками двух смежных точек (углов), разделенной на величину сечения горизонталей. Точки на рёбрах треугольника с равными высотными отметками соединяем линиями, и это будут линии простирания. И далее определяем азимут и угол падения пласта так, как это было описано в предыдущем пункте.

Рис. 1.31. Определение элементов залегания по линии выхода пласта на поверхность с помощью заложения. α – азимут линии простирания; β – азимут линии падения; φ – угол падения.

Рис. 1.32. Определение элементов залегания слоя по данным глубины залегания его в трёх вертикальных скважинах.

4. Определение элементов залегания по пластовым треугольникам. Линия выхода наклонного пласта на поверхность пересечённой местности, спроецированная на карты, изогнута таким образом, что образует сравнительно резко выраженные углы в самой низкой и в самой высокой точке рельефа. Если соединить стороны этих углов прямыми линиями, то получим треугольники, которые носят название пластовых треугольников.

Рис. 1.33. Изменение формы пластовых треугольников в зависимости от угла падения пласта в плане (а) и на вертикальном разрезе (б).

Величина угла, указывающего на направление падения, в пластовых треугольниках зависит от наклона слоёв и формы рельефа. Чем круче залегают породы при одинаковом рельефе, тем больше угол (при вертикальном залегании граница будет прямолинейной), чем круче рельеф при одинаковом наклоне пласта, тем острее (меньше) угол (рис. 1.33).

Если угол наклона слоёв круче наклона поверхности рельефа, вершина угла, образованного изгибом слоя, направленная в сторону падения слоя, будет расположена в самой низкой точке рельефа (рис. 1.34).

Рис. 1.34. Определение направления наклона пород по пластовым треугольникам в случае наклона слоёв круче поверхности рельефа.

Рис. 1.35. Определение направления наклона пород по пластовым треугольникам в случае наклона слоёв меньше угла наклона поверхности рельефа.

Если угол наклона слоёв положе наклона поверхности рельефа, вершина угла, образованного изгибом слоя, направленная в сторону падения слоя, будет расположена не в самой низкой точке, а на водоразделе (рис. 1.35).

5. Определение углов падения пластов по аэрофотоснимкам можно сделать с помощью вычисления превышений по разности продольных параллаксов. Выбирается пластовый треугольник и строится линия простирания, а через вершину треугольника – проекцию линии падения. Затем измеряется превышение между линией простирания и вершиной пластового треугольника и определяется угол наклона пласта обычным графическим методом. Определение превышений разности продольных параллаксов может быть использовано для вычисления по аэрофотоснимкам истинных мощностей слоёв и построения геологических разрезов.