Алгоритм построения геологических разрезов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Традиционные методы построения геологических разрезов

В этой главе описываются методы, применяемые структурными геологами для создания геологических разрезов на настоящий момент. Их можно разделить по источнику исходных данных, используемых при построениях, на две группы: первая в своей основе имеет элементы залегания слоев горных пород, а вторая использует стратоизогипсы - вспомогательные построения, которые позволяют установить положение кровли или подошвы слоя на глубине. Ниже дано подробное описание сути каждого из этих методов.

Часто задача заключается в необходимости построить разрез по данным об элементах залегания и расположению границ свит (обычно это карта, маршрутные наблюдения или данные бурения скважин).

Построение разреза возможно лишь при наличии некоторых предположений относительно формы складок. А именно, складка должна быть близкой к цилиндрической или же, по крайней мере, она должна состоять из фрагментов, имеющих цилиндрическую форму. При этом шарнир складки должен быть горизонтален.

Среди методов построения разреза по известным элементам залегания наиболее широко распространены следующие: метод Баска-Вебера, метод кинк-зон и метод изогон. Причем, использование того или иного метода во многих случаях определяет, насколько правильным является построенный разрез. По этой причине, прежде чем начать строить разрез, необходимо тщательным образом проанализировать все имеющиеся материалы, и лишь затем выбрать метод и приступить к построению. Необходимо так же помнить, что если используемый нами элемент залегания находится не непосредственно на профиле, то его положение на профиле определяется как проекция параллельно шарниру складки, причем с учетом гипсометрической отметки, на которой находилось само обнажение.

2. Методы построения разреза по известным элементам залегания

2.1 Метод Баска-Вебера (метод радиусов)

Вероятно, это самый первый метод построения разреза, который получил научное обоснование. Метод был предложен практически одновременно в 20-ых - начале 30-ых годов английским геологом Баском и российским ученым Вебером. Метод применяется для концентрических складок с округлыми зонами шарниров. На картах такие складки характеризуются постепенным изменением углов падения на крыльях складок.

Суть метода изображена на рисунке 2.1. Предполагается, что нам известны элементы залегания слоев в точках A, B и C.

Рисунок 2.1. Построение разреза по методу Баска-Вебера (Marshak, Mitra, 1988)

Рассмотрим последовательность действий, необходимых для построения разреза. Сначала проводим перпендикуляры к элементам залегания, вынесенным на профиль, и находим точки пересечения перпендикуляров к соседним элементам залегания. Затем, из точек пересечения двух перпендикуляров между ними строим дуги окружностей через соответствующие элементы залеганий. Дуги <оборванных> слоев достраиваем, пользуясь тем же методом.

Данный метод допускает введение поправок, если его непосредственное применение приводит к ошибкам. Пример такого случая приведен на рисунке 2.2. Здесь предполагается, что нам известны элементы залегания в точках A, B, C и D. Предполагается, что в точках A и D выходит один и тот же горизонт, прослеживание горизонта из точки A приводит нас в точку G, но не D.

Рисунок 2.2. Введение поправок в метод Баска-Вебера (Marshak, Mitra, 1988)

Здесь поправка вводится на участке, где мы имеем наименьшее число наблюдений, то есть наибольшую дугу круга. Скорректированный разрез строится следующим образом.

Обычным способом строятся дуги из точек A и G. На соседних перпендикулярах получаем точки E и W, которые соединяем прямой линией EW. Далее через точки E и W проводятся касательные к проведенным дугам кругов, то есть перпендикуляры к линиям OE и QC. Перпендикуляры пересекаются в точке R, из которой на линию EW опускается перпендикуляр, пересекающий уже построенные радиусы в точках T и S. Дуги EH и HW отстраиваются так, как если бы точки S и T были бы центрами соответствующих окружностей. При этом перпендикуляр к прямой RTS в точке U является предполагаемым элементом залегания, необходимым для соединения горизонта, обнажающегося в точках A и D.

Рисунок 2.3. Номограмма для определения угла наклона в косом разрезе. Кривые - истинные углы падения, по оси Y (ординат) углы наклона слоев в косом разрезе, по оси X (абсцисс) углы между простиранием пласта и линией разреза (Михайлов, 1974)

Метод Баска-Вебера может быть применен как к профильным, так и к косым сечениям. В последнем случае, однако, на профиль должны выноситься не истинные элементы залегания, а кажущиеся углы наклона, которые можно рассчитать по номограмме на рисунке 2.3. Данная номограмма может использоваться в различных случаях, когда необходимо определить кажущиеся углы падения.

Метод Баска-Вебера дает хорошие результаты в полосе между самыми ближними точками, принимаемыми за центры окружностей, из которых проводятся дуги кругов разного радиуса. За их пределами появляются остроугольные точки с бесконечной кривизной (сингулярные точки), а сама структура изображается пологой. Пример такого эффекта представлен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4. Эффект выполаживания при использовании метода Баска-Вебера (Marshak, Mitra, 1988)

2.2 Метод кинк-зон

Данный метод разработан в конце 60-ых - 80-ых годах и сейчас имеет весьма широкое распространение. Он применяется к складчатым структурам, имеющим изломанные плоские крылья и зоны шарниров, то есть состоящим из кинк-зон. На картах такие структуры характеризуются наличием зон, в пределах которых доминируют сходные элементы залегания, то есть дискретным набором возможных значений углов падения. Границы между зонами резкие и проходят по плоскости. Метод кинк-зон может быть применен как для складок с постоянной, так и переменной истинной мощностью слагающих их слоев.

2.2.1 Складки с постоянной мощностью

Суть метода изложена на примере рисунка 2.5. Имеется профиль, в пределах которого обнажаются пачки песчаников, сланцев и известняков, а в точках A, B и C сделаны замеры элементов залегания. Установлено, что известняки обнажаются в ядре антиклинальной складки.

Рисунок 2.5. Построение профиля методом кинк-зон для концентрических складок (Suppe, 1985, Marshak, Mitra, 1988)

Построение разреза происходит путем прослеживания границ, наиболее близких к точкам замера элементов залегания. Рассмотрим последовательность действий. Сначала определяем положение шарниров и осевой плоскости кинк-зон. Если у нас нет дополнительных данных, то через точки X и Y проводим линии с теми же наклонами слоев, как и в точках B и C соответственно. Излом контакта известняк/сланец (Ls/Sh) происходит в точке L. Через точку L проводим биссектрису угла XLY - линию ab, являющуюся осевой плоскостью кинк-зоны на восточном крыле складки. Через точку Z отстраивается контакт песчаник/сланец до пересечения с ab в точке M, а далее эта граница продолжается параллельно сегменту XL. Далее через точку W проводится контакт песчаник/сланец с наклоном как в точке A до пересечения в точке N с его фрагментом, проведенным из точки M. Через точку N проводим биссектрису угла WNM - линию cd, являющуюся осевой плоскостью кинк-зоны на западном крыле складки. Теперь, зная положение осевых плоскостей, реконструируем положение остальных контактов. В точке e две осевые плоскости соединяются в одну, которая продолжается вдоль биссектрисы угла cea. Слои отстраиваются параллельно слоям на крыльях складки.

2.2.2 Слои с изменяющейся мощностью

Здесь предполагается, что на разных крыльях слои имеют разную мощность. В принципе, подход такой же, как и для концентрических складок, но здесь требуется наличие данных на разных высотах. Эти данные необходимы для выделения кинк-зон в разрезе. Предполагается, что в точках A и C выходит кровля одного и того же горизонта, в точке B - его подошва, а в точке h проходит граница зон - осевая плоскость кинк-зоны. На рисунке 2.6 предполагается, что сделаны еще и замеры в скважине, но они с таким же успехом могут быть сделаны и на склоне горы.

Последовательность построения разреза следующая. Сначала проводим осевую плоскость кинк-зоны hi. Затем параллельно слоям в точках B и C проводим прямолинейные сегменты CGJ и BEF с точками излома G и F. Стоит отметить, что из-за изменения мощностей на крыльях осевая плоскость не является биссектрисой углов CGJ и BEF.

Для определения положения второй осевой плоскости (lm) нам нужны дополнительные данные об изменении мощностей на крыльях и в замке складки. Если их нет, в этой части структуры мы предполагаем постоянство мощностей и отстраиваем структуру так же как в предыдущем примере - определяем положение точки K как пересечение следов слоя из точки A и продолжения линии GJ, проводим биссектрису угла AKG, отстраиваем линию BNO.

Рисунок 2.6. Построение профиля методом кинк-зон для складок с разной мощностью слоев на разных крыльях (Suppe, 1985, Marshak, Mitra, 1988)

После соединения осевых плоскостей hi и lm вместе в точке S, мы оцениваем, насколько отличается мощность слоев на разных крыльях, и отстраиваем слои, сохраняя пропорциональное изменение мощностей слоев. В этом случае положение единой осевой плоскости получается автоматически по положению точек излома слоев.

2.3 Метод изогон

геологический разрез построение стратоизогипса

Приведенные выше методы радиусов и кинк-зон применимы лишь при соблюдении целого ряда условий, и, прежде всего, они хороши лишь для сравнительно простых складок. Однако во внутренних частях складчато-надвиговых систем складки имеют очень сложную форму со значительными изменениями мощностей на крыльях и в замках складок, которые не могут быть учтены столь простыми способами. Обычно в таких случаях разрез отстраивается "на глаз" - по данным элементов залегания на поверхности слои экстраполируются вглубь, причем на форму складок часто не накладывается никаких ограничений. Тем не менее, хотя общих методов построения разрезов в таких ситуациях не существует, есть возможность приближенной оценки формы складок, что позволяет сделать разрез более достоверным.

Этот метод называется методом изогон. Изогоны - это линии, соединяющие точки на поверхности слоев, касательные к которым наклонены под одним и тем же углом к осевой плоскости складки. Если нам удастся отрисовать изогоны, мы сможем восстановить и элементы залегания соответствующих слоев, и, следовательно, достаточно точно изобразить их на разрезе.

Таким образом, основная задача сводится к поиску метода, позволяющего определить положение изогон. Хотя универсального метода и не существует, но обычно считается, что форма складок зависит не от их размера, а от литологии сминаемых слоев и, следовательно, для изучения поведения изогон возможно использование складок масштаба обнажения. Другая возможность - использование разрезов, построенных другими методами, позволяющими восстановить геометрию хотя бы одной типичной складки. Итак, допустим, что нам необходимо отстроить разрез через деформированную песчано-сланцевую толщу, в которой большинство мелких складок имеют форму, близкую изображенной на рисунке 2.7.

Для обеих разностей пород (песчаники и сланцы) составляется график зависимости угла наклона изогон от угла падения слоистости. После того, как такой график составлен, от точек со сделанными на поверхности замерами элементов залегания (допустим, среди сланцев) отстраиваются изогоны. Граница песчаника и сланцев проводится "на глаз", но с учетом полученных данных об элементах залегания вдоль изогон. Затем по приведенным на графике данным отстраиваются изогоны внутри слоя песчаников, и проводится его подошва, и т.д. Построенный таким способом разрез обычно оказывается достаточно достоверным в пределах области, где есть фактические данные, и приводит к существенным ошибкам за их пределами.

Рисунок 2.7. Построение разреза методом прослеживания изогон (Marshak, Mitra, 1988)

3. Метод стратоизогипс

Стратоизогипсой называется линия, принадлежащая какой-либо поверхности напластования и расположенная на определенной высоте. Такие линии можно сравнить с горизонталями, описывающими рельеф местности, с той разницей, что стратоизогипсы описывают поверхность пласта (его кровлю или подошву).

Метод построения геологических разрезов с помощью стратоизогипс используется в тех случаях, когда мы не имеем достаточного количества элементов залегания, измеренных при полевых работах. В этом случае невозможно применить методы рассмотренные выше.

Суть метода достаточно проста. На рисунке 3.1 изображены стратоизогипсы, построенные для границы между породами различного возраста (J₁ и J₂). Для их нахождения достаточно соединить соответствующие по высоте точки пересечения границы J₁/J₂ с горизонталями. Далее проводим линию разреза и сносим на плоскость профиля каждую точку пересечения со стратоизогипсой на высоту последней.

Таким образом, на профиле оказывается набор точек, соединив которые мы получаем границу, для которой были построены стратоизогипсы. Повторив процедуру для других границ, мы находим их положение на разрезе.

Описанная методика, по существу, является вычислением элементов залегания моноклинально залегающих участков складки с горизонтальным положением шарнира. При этом, угол падения графически определяется для различно ориентированных линий разреза - как при проведении ее вкрест, так и при неперпендикулярной ориентировке к простиранию слоев. При этом отпадает необходимость пользоваться номограммой, представленной на рисунке 2.3.

Недостатком данного метода является тот факт, что для его применения необходимо, чтобы рельеф местности был достаточно расчлененным.

Рисунок 3.1. Стратоизогипсы для подошвы пород средней юры

Метод стратоизогипс, в традиционном понимании, применим лишь для моноклинально залегающих участков складок, имеющих горизонтальный шарнир. В этом случае линии стратоизогипс являются прямыми и расположены примерно параллельно друг другу на карте. Именно для таких структур предназначена программа, написанная автором в качестве демонстрации работы базового блока алгоритма, рассматриваемого в данной работе.

Однако автор полагает, что метод можно применять и для складок, чьи шарниры ориентированы произвольным образом. В этом случае стратоизогипсы становятся кривыми линиями. Модифицированный таким образом метод стратоизогипс положен в основу алгоритма в целом и будет подробно рассмотрен в следующих главах.

4. Алгоритм построения разреза

Согласно положениям общей теории систем, системный подход позволяет представить процесс построения любой информационной системы в виде схемы (рисунок 4.1), содержащей семь этапов, которые определяют создание системы от постановки задачи до ее реализации.

Рисунок 4.1. Этапы построения информационной системы

Данная схема вполне пригодна и для темы настоящей диссертации (по крайней мере, этапы до четвертого включительно), поскольку разрабатываемый автором алгоритм впоследствии в рамках дальнейшего исследования проблемы предполагается реализовать в виде сложного программного комплекса для решения различных структурно-геологических задач. Далее повествование оформлено в виде подглав, описывающих становление алгоритма в соответствии с последовательностью этапов, изображенной на рисунке 4.1.

Заключение

1. Процедура построения геологического разреза может быть автоматизирована и реализована в виде компьютерной программы, которая производит операции над исходными данными (геологическая карта и дополнительная информация о взаимном положении структурных элементов, содержащаяся в пояснительной записке).

2. В процессе работы алгоритма формируется математическая модель исследуемой геологической структуры - ее каркас, представленный системой стратоизогипс - которая может быть пополнена за счет появления новых структурных данных. А также, модель может быть повторно использована для решения других структурно-геологических задач.

3. Численная природа модели обеспечивает возможность количественной оценки тех или иных параметров геологической структуры.

Список литературы

1. Белоусов В.В. Структурная геология. Изд. 2-е. - М., 1971.

2. Васильков Ю.В., Василькова Н.Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании. - М., 2002.

3. Вистелиус А.Б. Основы математической геологии (определение предмета, изложение аппарата). - Л., 1980.

4. Гайдук В.В., Прокопьев А.В. Методы изучения складчато-надвиговых поясов. - РАН, 1999.

5. Дэвис Дж.С. Статистический анализ данных в геологии. В 2 кн. - М., 1990.

6. Заика-Новацкий В.С., Казаков А.Н. Структурный анализ и основы структурной геологии: Учеб. Пособие. - К., 1989.

7. Методология геологических исследований. Отв. Ред. Ю.А. Косыгин. - ДВНЦ АН СССР, 1976.

8. Михайлов А.Е. Структурная геология и геологическое картирование. Изд. 4-е. - М., 1984.

9. Павлова А.А. Начертательная геометрия: учебник для студентов ВУЗов. - М., 1999.

Размещено на Allbest.ru