Определение элементов залегания слоя в полевых условиях

При проведении полевых работ для определения пространственного положения геологических тел непременно используется геологический компас. К сожалению, в общем-то простое устройство и понятное использование этого наиболее известного геологического инструмента обычно ставят в тупик многих студентов, особенно по прошествии некоторого времени после аудиторных занятий в первых полевых маршрутах. Рецепт «излечения» от стеснения в общении с геологическим компасом один - надо несколько раз самому провести последовательные и правильные измерения любых поверхностей. И в этом случае подсказки сыграют роль «плохого обезболивающего»: зачет получен, а знаний и навыков для полевой работы нет. Отчасти в качестве полевых методов определения элементов залегания слоя, любой его поверхности (кровли или подошвы) рас­сматриваются замеры по данным двух видимых измерений и по материалам бурения нескольких скважин (не менее трех). В обоих случаях определение пространственного положения слоя можно представить графически, но исходные данные получены при проведении полевых работ.

2.11.Определение элементов залегания геологических тел, в частности наклонно залегающих слоев,

с помощью геологического компаса

Исходная геологическая ситуация.При работе на геологических объектах важно правильно опре­делять гипсометрическое положение поверхностей выделенных слоев и их ориентацию в пространстве. Большое количество измерений позволяет при последующем анализе во время проведения камеральных работ наиболее достоверно определить положение всех выявленных образований и проследить общие за­кономерности структурного плана территории исследований. Впоследствии установленные особенности структурного плана и будут отражены на геологической карте как с помощью значков элементов залега­ния, так и собственно отображением контуров, ширины выхода геологических тел на земную поверхность. Последующий анализ геологических, пластовых и структурных карт разного масштаба позволяет вынести каждому геологу свои представления о структуре слоев, слагающих верхнюю часть осадочного чехла, о происхождении складок и времени их формирования и т.д.

Используемые данные и материалы.При выполнении этой задачи необходимо располагать исправ­ным геологическим компасом. Перед использованием компаса следует проверить, не сбит ли лимб отно­сительно основной отметки - обычно штрих красного цвета отметка «О», она же «360», - правильность установленного магнитного склонения, значение которого принято для данной местности, и это значение указывается на топографических картах. Также следует проверить работоспособность магнитной стрелки клинометра (угломера).

Потребуется небольшая плоская жесткая пластина (картон, фанера и т.п.) для относительного вырав­нивания поверхности слоя, изначально неровной из-за избирательного выветривания или наличия знаков ряби и т.п. В полевых условиях всегда надо иметь под рукой молоток, лопату и нож (раскопочный) для вы­равнивания поверхности породы, параллельной подошве или кровле слоя.

Алгоритм.Поскольку существуют разновидности геологических компасов (квадратные с зеркальны­ми отражателями и прямоугольные с площадками уровней), рассматривается общий вариант использова­ния геологического компаса по прямому его назначению. Известные отклонения в том или ином варианте компаса по возможности объяснены в тексте.

Используются два варианта исходного положения компаса - начиная с поиска линии падения или с определения положения линии простирания. Отличия между двумя этими вариантами не столь принципи­альны, но представляется наиболее удобным и понятным первый подход, с определения линии падения, который и рассматривается ниже.

1.Компас следует расположить ребром на поверхности слоя (рис. 5) так, чтобы угломер (клинометр) находился в нижней части и в рабочем положении (у многих компасов угломер обычно стопорится винтом или листовой пружиной). При этом собственно компас северной стороной должен быть направлен по па­лению слоя, т.е. отметка «360», или «0» (север) на лимбе компаса должна быть ориентирована по падению измеряемой поверхности. Геологические компасы прямоугольной формы, которые были широко распро­странены в последней четверти XX в. в СССР и России, в этом отношении были удачно приспособлены для проведения измерений: лимб располагался в «северной» части компаса, а одно из продольных его ребер подработано для расположения на плоской поверхности. В этой же части лимба располагался и угломер.

2.В зависимости от характера замыкающего устройства угломера постоянно удерживаем угломер в свободном положении или периодически нажимаем на фиксатор так, чтобы стрелка угломера свободно вращалась. При этом поворачиваем компас ребром по поверхности слоя, чтобы отметить его положение при максимальном значении угла падения по угломеру. Эта операция может повторяться несколько раз для

повышения точности измерений и для их проверки. Когда определено искомое максимальное значение по угломеру, а это по определению и есть истинный угол падения, вдоль ребра компаса проводим линию - ли­нию падения. Значение угла падения записывается в полевой дневник в конце описания данного интервала разреза.

3.С помощью компаса в верхней части линии падения проводим перпендикулярную линию - линию простирания. Здесь значение угломера должно составлять «О» градусов.

4.Переводим компас в горизонтальное положение, для чего наблюдаем за площадками уровней или за поведением стрелки компаса, которая у большинства этих устройств должна быть освобождена от стопо­рящего фиксатора. Сориентировав компас северной его частью по направлению падению слоя, отмечаем значение азимута падения слоя - это отсчет по северному концу стрелки на лимбе.

5.Компас по-прежнему удерживаем в горизонтальном положении, но вращаем его так, чтобы его ме­ридиональная ось (северная часть) располагалась вдоль линии простирания. Определяя значение на лимбе по северному концу стрелки, устанавливаем азимут простирания слоя. Полученные данные записываются в полевой дневник. Значения азимутальных углов легко проверить, так как по определению они должны различаться на 90 градусов.

Во избежание ошибок следует проверить рабочее состояние компаса, в частности не сбит ли лимб, и помнить, что отсчет всегда берется по одному и тому же (северному) концу стрелки, а также что компас ориентируется северной своей частью по направлению падения слоя. Ранее в полевых условиях для запо­минания последнего положения использовалось довольно вульгарное, но весьма доходчивое выражение, характеризующее положение компаса: «Нордом от морды».

Практические задания

Задание 1. Произвести десять измерений различных поверхностей - временных и стационарных. Резуль­таты измерений представить в виде таблицы (табл. 1). Отчет состоит в том, чтобы продемонстрировать приемы работы с геологическим компасом с помощью учебных моделей, в том числе на примере выполненных измере­ний на выбранных объектах.

Таблица 1

Значения элементов залегания наклонных поверхностей, установленных с помощью геологического компаса в пределах Саратовского, Уральского, Северокавказского и Жирновского учебных полигонов геологического факультета, а также по­лученные на макетах в учебных аудиториях

№ и наименование объекта (индекс)	Азимут падения	Азимут простирания	Угол падения	Примечания
1- сл. 1. J2k
2 - сл. 2. J3km
3 - сл. 3. K1 а
4-сл. 4. K1 al
5 - сл. 5. К2 s
6-
7-
8 -
9-
10-
11 -
12-

2.1.2. Вычисление элементов залегания геологических тел, в частности наклонно залегающих слоев, методом пересчета двух известных видимых значений залегания одного и того же слоя (его поверхности)

в одной точке наблюдения

Исходная геологическая ситуация.В практике полевых геолого-съемочных работ бывают случаи, когда в точке наблюдения один и тот же слой (поверхность одного и того же слоя) выходит на поверхность в двух и более стенках разреза. При этом либо сразу очевидно, либо выясняется при определении элементов залегания с помощью компаса, что в каждой стенке этот слой характеризуется разными значениями пространственного положения: различаются значения угла падения и азимута простирания. Подобное явление возможно, когда естественные и искусственные геологические объекты образованы несколькими стенками: верховья оврагов и распадков, участки слияния двух оврагов (рек), смежные стенки карьеров и шурфов. Совершенно очевидно, что у одного и того же слоя в одной точке, если пласт не нарушен разрывными нарушениями или дислоцирован в виде мелких складок, не может быть двух различных значений элементов залегания - угла падения и азимута падения. Наличие же различных значений параметров пространственного положения слоя свидетельствует о том, что эти значения (или одно из них) видимые и предстоит определить истинные значения элементов зале­гания слоя.

Иногда уже возможно приложить некоторые физические и умственные усилия и установить значения ис­тинного падения слоя (расчистить стенку, совместить поверхность слоя в двух стенках с помощью плоской пластины и т.д.). Чаще подобные предпринятые усилия не приводят к решению проблемы. Тогда традиционно предпринимают графический способ пересчета видимых элементов залегания слоя с целью определения ис­тинных значений его залегания.

В данном случае наиболее наглядно представление о том, что азимут падения слоя - это, в сущности, ази­мут ориентации плоскости стенки того геологического объекта, где производись полевые измерения.

Используемые материалы.Лист бумаги формата А4, транспортир, простые и цветные карандаши, линей­ка, ластик.

Значения залегания слоя, полученные при работе на геологическом объекте (данные для рассмотрения алгоритма решения задачи). Исходные данные (рис. 6).

1-е измерение: азимут падения 140 градусов, угол падения 10 градусов; 2-е измерение: азимут падения 230 градусов, угол падения 25 градусов. Алгоритм (см. рис. 6)

1.В верхней части листа записать номер задания и по строкам выписать полученные значения залегания с я по стенкам карьера. В самой нижней части листа справа написать специализацию, номер группы и фамилию, имя и отчество исполнителя работы.

2.В средней части листа провести черновую линию, обозначающую линию северного меридиана. Как и . \ чаях с геологическими картами, здесь также все стороны листа приобретают азимутальную ориентацию: в р х листа - север, низ - юг, левая и правая стороны - запад и восток соответственно.

На меридиональной линии чуть выше середины листа отмечаем точку, означающую точку наблюдения, откуда следует откладывать известные видимые значения залегания слоя. Эту точку удобнее определить какточку О.

4.С помощью транспортира и линейки отложить от выбранной точки О значения видимых азимутов па­дения: 140 и 230 градусов. Полученные линии - проекции линий падения - предварительно отображаются в черновом варианте и на значительном протяжении.

5.Теперь, зная положения аксиомы о взаимоотношении проекции линии падения и линии простирания (они всегда взаимно перпендикулярны), можно отложить в точке О от каждой проекции линии падения линию под углом в 90 градусов - это видимые линии простирания. Эти линии желательно отобразить цветным каран­дашом, чтобы легче их отличить от ранее нанесенных.

6.Для проведения дальнейших построений необходимо определить точки выхода слоя на поверх­ность, но для этого надо графически отобразить значения видимых углов падения. Чтобы найти достовер­ное местоположение этих точек, следует произвести дополнительные построения и учесть некие извест­ные истины.

7.Для удобства графических построений нарисуем окружность любого диаметра с центром в точке О. Чтобы чертеж получился понятным, диаметр окружности рекомендуется выбрать не менее 5-7 см. Окружность необходима лишь для удобства построений, ее наличие позволяет легко оперировать с отрезками линий равной длины как вписанными радиусами одной окружности. Это определение в данном случае относится к отрезкам видимых линий простирания. Равные значения линий простирания показывают, что мы выбрали равные значе­ния глубины погружения (восстания) одного и того же слоя. Точки пересечения видимых линий простирания с окружностью обозначим точками A₀ иA₁соответственно (см. рис. 6).

8.Теперь, чтобы найти видимые линии падения, противолежащие прямому углу треугольника, образо­ванному линией простирания и видимой линией падения, возможно рассчитать значение угла при вершине треугольника A₀ и A₁. Поскольку известно, что сумма углов в прямоугольном треугольнике 180 градусов, производим возможные вычисления. Суммируем известные нам значения углов при вершине О (90 граду­сов) и при вершинах Б₀и Б₁ (10 и 25 градусов) - известные значения видимого падения слоя - отдельно для каждого треугольника. Полученную сумму (90+10 и 90+25) вычитаем из значения в 180 градусов. Таким образом, получаем в треугольнике ОА₀Б₀(180 - 100 = 80) угол при вершине A₀, равный 80 градусам, а в треугольнике OA₁Б₁(180 - 115 - 65) угол при вершинеА₁равный 65 градусам. С помощью транспорти­ра отложим полученные значения при соответствующих вершинах углов. Отобразим полученную линию (видимые линии падения) до пересечения с видимыми проекциями линий падения, где выделяется точка вершины треугольника Б₀ и Б₁соответственно. Проведенные построения можно проверить, определив значения видимых углов падения при вершинах Б₀ и Б₁, которые должны совпасть с измеренными на гео­логическом объекте (10 и 25 градусов).

9.Вершины треугольников Б₀ и Б₁ — точки выхода слоя на выбранную поверхность, имеющие равные гип­сометрические отметки. Это означает (учитывая определение линии простирания), что при проведении через эти точки линии мы получим истинную линию простирания Б₀Б₁. Рекомендуем линию (Б₀Б₁) также отрисо­вать цветным (например, красным) карандашом.

10.Исходя из известных постоянных соотношений можем отрисовать истинную проекцию линии паде­ния - это линия, перпендикулярная истинной линии простирания (Б₀Б₁), проведенная из точки О. Эту линию (истинную проекцию линии падения) желательно отобразить цветом, красным или розовым. Теперь можно с помощью транспортира определить истинный азимут падения слоя - правый векториальный угол между север­ным меридианом и проекцией линии падения.

11.Продолжим определение истинных элементов залегания путем графических построений: зная азимут падения (ориентацию проекции линии падения), можем отобразить жестко сопряженную линию - линию про­стирания, которая, исходя из свойств азимутальных параметров слоя, расположена под углом в 90 градусов, т.е. перпендикулярна проекции линии падения. Проводим перпендикулярную линию через точку О (в качестве диаметра или любого радиуса) и получаем истинную линию простирания и значения истинного азимута про­стирания (с помощью транспортира).

Точку пересечения истинной линии простирания с окружностью определим как вершину будущего треу­гольника А. Все отрезки - АО, A₀O₀, А₁O₁ —равны между собой как катеты вписанных треугольников и как радиусы одной окружности (см. пункт 7 алгоритма).

12.Остается определить истинный угол падения слоя. Для этого надо найти и отрисовать истинную линию падения, а угол падения составляют в плане и в вертикальном разрезе линия падения и проекция линии паде­ния. Линия падения проводится (см. пункт 8 этого алгоритма) от точки А (пересечение линии простирания с окружностью) до точки Б (пересечение истинной линии простирания с истинной проекцией линии падения) -это и есть истинная линия падения (линия отображается цветом, розовым или красным), представленная в горизонтальной плоскости.

13.С помощью транспортира определяем угол при вершине Б - это истинный угол падения.

14. Полученные истинные значения элементов залегания слоя записываются под выполненным рисунком.

Желательно условными знаками, индексами или штриховкой обозначить на выполненном чертеже одно­именные линии - линии падения, простирания и проекции линии падения. Цвет линий отображает лишь два уровня графики - линии видимых значений (серый или черный цвет, а окружность - в черном отображении, светло-серый оттенок) и линии истинных значений (любой цвет) параметров.

Если выполнить данные построения на плотной бумаге, ватмане или картоне, то можно изготовить модель залегания слоя с учетом видимых значений его залегания. Для этого из чертежа нужно вырезать многоугольник, объединяющий ранее построенные треугольники, и подготовить линии перегиба, совпадающие с видимыми проекциями линий падения. Поскольку все видимые линии простирания (A₀O₀ и А₁O₁) соединяются в точке О,то эти линии модели совмещаем в виде одной вертикальной линии. При этом отчетливо выделяется треу­гольник Б₀ОБ₁- поверхность наклонно залегающего слоя, где и возможно отобразить или проверить правиль­ность проведения истинной линии падения. Составление таких моделей в 60-70-е гг. двадцатого столетия было обязательной частью самостоятельной работы студентов при выполнении этого задания.