巖層真厚度計(jì)算中負(fù)厚度的處理及其地質(zhì)意義

朱正勇, 熊意林, 魯顯松, 胡 飛, 劉 嘉, 杜翌超

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

巖層真厚度計(jì)算中負(fù)厚度的處理及其地質(zhì)意義

朱正勇, 熊意林, 魯顯松, 胡 飛, 劉 嘉, 杜翌超

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

以野外實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面在DGSInfo系統(tǒng)剖面庫中的巖層真厚度計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值及0值進(jìn)行探討,并與以列昂托夫斯基公式為厚度計(jì)算公式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,且對(duì)DGSInfo系統(tǒng)剖面庫及列昂托夫斯基公式中巖層傾向與坡向的關(guān)系進(jìn)行探討,在此基礎(chǔ)上,確認(rèn)巖層厚度計(jì)算中負(fù)厚度識(shí)別及負(fù)號(hào)的應(yīng)用,并厘定較為合理的巖層厚度計(jì)算公式和在計(jì)算巖層總厚度時(shí)較為科學(xué)的負(fù)值處理方法,進(jìn)而對(duì)出現(xiàn)負(fù)厚度及0值厚度的原因進(jìn)行分析,且對(duì)巖層負(fù)厚度所代表的地質(zhì)意義作了較為詳細(xì)地解釋。

實(shí)測(cè)剖面;負(fù)厚度;sign值;DGSInfo;地質(zhì)意義

1 概述

巖層真厚度計(jì)算為地質(zhì)工作中最基礎(chǔ)、最常見的工作之一,其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性事關(guān)眾多地質(zhì)問題的解決。自20世紀(jì)50年代引進(jìn)列昂托夫斯基公式并使用至今,厚度計(jì)算公式形式變化多樣,但其關(guān)鍵及難點(diǎn)問題始終為負(fù)厚度的識(shí)別和負(fù)號(hào)的應(yīng)用。此文以野外剖面實(shí)測(cè)工作為基礎(chǔ),前人經(jīng)驗(yàn)為參考,厘定較為科學(xué)、全面的巖層厚度計(jì)算公式,并對(duì)DGS系統(tǒng)中的負(fù)厚度和0值出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析及對(duì)巖層負(fù)厚度地質(zhì)意義進(jìn)行探討。

2 理論基礎(chǔ)

巖層厚度原始計(jì)算公式為20世紀(jì)50年代引進(jìn)的列昂托夫斯基(簡(jiǎn)稱“列氏”)公式[1],表述如下:

M=L(cosεsinβsinγ±sinεcosβ)

式中:M為某一測(cè)次所控制巖層真厚度;L為該測(cè)次的導(dǎo)線長(zhǎng)度;ε為該測(cè)次導(dǎo)線之傾角(即地形坡角);β為該測(cè)次中巖層之傾角;γ為該測(cè)次中巖層走向與導(dǎo)線方向之間所夾正銳角。

其中0°<ε<90°,0°<β<90°,0°≤γ≤90°。

(當(dāng)巖層傾向與地形坡向相反時(shí),符號(hào)為正;當(dāng)巖層傾向與地形坡向相同時(shí),符號(hào)為負(fù))。

上述公式引進(jìn)較早,且發(fā)展至今在列昂托夫斯基公式基礎(chǔ)上演變較多[2],如:①列氏公式的推導(dǎo)公式:實(shí)質(zhì)為列氏公式在具體情況下的特殊形式[3-4];②何氏公式:中國科技工作者何昌祥(1990)對(duì)列氏公式的改進(jìn)形式[5];③葉氏公式:中國科技工作者葉東戶(1976)提出的“導(dǎo)線與巖層走向線的斜交”情況下的計(jì)算公式,與列氏公式?jīng)]有親緣關(guān)系,從形式到證明方法均具較強(qiáng)獨(dú)特性[6];④其他公式:有關(guān)文獻(xiàn)未進(jìn)行證明或未注明出處,主要為具體情況下的計(jì)算公式。

上述公式對(duì)于某一單測(cè)次所控制的厚度絕對(duì)值均一致,且出現(xiàn)負(fù)厚度的情況,而負(fù)厚度是指實(shí)測(cè)剖面過程中,某一測(cè)次重復(fù)了的巖層厚度。據(jù)負(fù)厚度定義的內(nèi)涵,擬定:導(dǎo)線從巖層下層面往上層面方向前進(jìn)時(shí)所控制的巖層厚度為正厚度,從巖層上層面往下層面所控制的巖層厚度為負(fù)厚度[7]。前人在利用列氏公式計(jì)算巖層總真厚度時(shí),對(duì)負(fù)厚度的處理方式各有不同,主要有如下幾種選擇:

(1)M=|A+B+…| 取各項(xiàng)代數(shù)和的絕對(duì)值。

(2)M=|A|+|B|+|C|+… 取各項(xiàng)絕對(duì)值的和。

(3)M=max{|A| or |B| or |C|+…} 取單項(xiàng)絕對(duì)值最大者(單層總厚)[8]。

(4)M=所有單項(xiàng)負(fù)數(shù)的絕對(duì)值的和,所有正數(shù)舍去(正值少時(shí))[9]。

圖1 湖北麻城福田河中元古界福田河巖組實(shí)測(cè)地層剖面PM09部分示意圖(摘自湖北麻城福田河—白果鎮(zhèn)地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查,2015年)

(5)M=所有單項(xiàng)正值的和,所有負(fù)數(shù)舍去(A、B、C代表巖層每一單測(cè)次的計(jì)算厚度)。

3 實(shí)例分析

以湖北省麻城市福田河中元古界福田河巖組實(shí)測(cè)地層剖面PM09為例,剖面上主體巖性為黑云二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖、黑云斜(二)長(zhǎng)變粒巖及淺粒巖等,為大別山地區(qū)結(jié)晶基地上的一套老沉積蓋層,其經(jīng)歷了多期多階段的構(gòu)造、變質(zhì)變形等。因此,準(zhǔn)確測(cè)定該區(qū)巖層真厚度較為重要。在DGSInfo系統(tǒng)剖面PM09數(shù)據(jù)庫(表1)中,可知巖層單測(cè)次真厚度(表1中真厚度1)及單層總厚度均存在0值及負(fù)值的情形,而列氏計(jì)算公式結(jié)果亦有0值及負(fù)值的出現(xiàn)(表1中真厚度2)。

表1 DGSInfo、列氏計(jì)算公式、新厘定公式確定的剖面PM09巖層單測(cè)次厚度統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

注：1)真厚度1為DGSInfo系統(tǒng)中剖面庫自動(dòng)生成；數(shù)據(jù)來源于項(xiàng)目《湖北麻城福田河—白果鎮(zhèn)地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查》;2)真厚度2為列氏公式,D=L×(sinα×cosβ×cosγ±cosα×sinβ)，sin(90°+(A-B))=COS(A-B)式中巖層傾向與地形坡向相反時(shí)用+號(hào)，反之用-號(hào)(常用)；3)真厚度3為當(dāng)巖層傾向與地形坡向相反：M=L(cosεsinβsinγ+sinεcosβ)；4)當(dāng)巖層傾向與地形坡向一致，且?guī)r層傾角大于地形坡角,M=L|(cosεsinβsinγ-sinεcosβ)|；5)當(dāng)巖層傾向與地形坡向一致，且?guī)r層傾角小于地形坡角M=L(sinεcosβ-cosεsinβsinγ)。

在巖層真厚度計(jì)算時(shí),DGSInfo系統(tǒng)剖面庫和列氏公式中均涉及到巖層產(chǎn)狀與坡向關(guān)系的探討,在DGSInfo系統(tǒng)剖面庫中自動(dòng)生成sign值,對(duì)巖層傾向與坡向的關(guān)系進(jìn)行定義。現(xiàn)將DGSInfo系統(tǒng)中自動(dòng)生成的sign值、列氏公式生成的sign值列于表2,在表2中“1”代表巖層傾向與坡向相反,“-1”代表巖層傾向與坡向相同。PM09剖面中巖層片麻理產(chǎn)狀為210°～240°∠12°～36°,剖面方位從起點(diǎn)到終點(diǎn)為45°,巖層傾向在剖面圖中基本為左傾,另因坡角為負(fù)時(shí)地形線右傾(表2中綠色區(qū),圖1),坡角為正時(shí)地形線左傾(表2中黃色區(qū),圖1),因此,sign值為1時(shí)基本代表坡角為負(fù)值,sign值為-1時(shí)基本代表坡角為正值,且系統(tǒng)中默認(rèn)坡角為0值時(shí),sign值為1(表2中褐黃色區(qū))。

在DGSInfo系統(tǒng)剖面庫和列氏計(jì)算公式中,對(duì)sign值的判斷均存在一定的錯(cuò)誤。在表2及圖1中,紅色所代表的異常區(qū),其中第30層紅色異常區(qū),根據(jù)野外實(shí)測(cè)和剖面圖,坡向與傾向相反,應(yīng)為正1,DGS判斷錯(cuò)誤;第33層紅色異常區(qū)對(duì)應(yīng)為一花崗巖脈,其產(chǎn)狀左傾,與坡向相反,sign值為1正確;第34層紅色異常區(qū),對(duì)應(yīng)的為一變粒巖,其產(chǎn)狀局部發(fā)生變化,右傾,與坡向一致,為1,正確;第48層為一右傾的糜棱巖化片巖,與坡向傾斜方向一致,取-1;第52層紅色異常區(qū),巖層傾斜方向與坡角相反,應(yīng)為1;第49層坡角為0°處,應(yīng)為1。對(duì)上述錯(cuò)誤修改后,重新厘定sign值,列于表2(見表2中sign3)。

因此,本文實(shí)測(cè)剖面中巖層真厚度的計(jì)算以列氏公式為基礎(chǔ),制定符合DGSInfo系統(tǒng)及野外實(shí)際的厚度計(jì)算公式如下:

當(dāng)巖層傾向與地形坡向相反時(shí),

M=L(cosεsinβsinγ+sinεcosβ)

(1)

當(dāng)巖層傾向與地形坡向一致,且?guī)r層傾角大于地形坡角時(shí),

M=L|(cosεsinβsinγ-sinεcosβ|

(2)

當(dāng)巖層傾向與地形坡向一致,且?guī)r層傾角小于地形坡角時(shí),

M=L(cosεsinβsinγ-sinεcosβ)

(3)

運(yùn)用上述巖層厚度計(jì)算公式,重新計(jì)算剖面PM09巖層單測(cè)次厚度及單層總厚度,計(jì)算結(jié)果列于表1。

4 負(fù)厚度地質(zhì)意義討論

4.1 出現(xiàn)負(fù)厚度的情況分析

在DGS系統(tǒng)剖面分層數(shù)據(jù)庫中,某一巖層單測(cè)次厚度指該測(cè)次的起點(diǎn)刻度到下一刻度處。而巖層真厚度計(jì)算中,負(fù)厚度是指實(shí)測(cè)剖面過程中,某一測(cè)次重復(fù)了的巖層厚度。據(jù)負(fù)厚度定義的內(nèi)涵,導(dǎo)線從巖層下層面往上層面方向前進(jìn)時(shí)所控制的巖層厚度為正厚度,從巖層上層面往下層面所控制的巖層厚度為負(fù)厚度。

現(xiàn)據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),將出現(xiàn)負(fù)厚度的幾種情況總結(jié)如下[10]:

(1) 導(dǎo)線前進(jìn)方向與巖層傾向相同,坡向與傾向相同,|β|>α(圖2中3-4導(dǎo))。

(2) 導(dǎo)線前進(jìn)方向與巖層傾向相反,坡向與傾向相反(圖3中1-2導(dǎo)、3-4導(dǎo))。

(3) 導(dǎo)線前進(jìn)方向與巖層傾向相反,坡向與傾向相同,|β|<α(圖4中0-1導(dǎo))。

(β為地面坡度角,沿導(dǎo)線前進(jìn)方向仰角為正,俯角為負(fù);α為巖層在導(dǎo)線方向上的視傾角。)

上述(2)、(3)兩種情況主要見于特殊剖面條件,即當(dāng)巖層內(nèi)揉皺造成局部?jī)A向反向時(shí),或當(dāng)受地形障礙影響迫使導(dǎo)線突然反向前進(jìn)時(shí),只要把握住導(dǎo)線與上、下層面的關(guān)系,也不難識(shí)別負(fù)厚度。

圖2為巖層露頭不夠良好的情況下測(cè)的剖面,對(duì)于某些巖性變化不大的巖層,常因被浮土掩蓋而不易找到同一層面的對(duì)應(yīng)點(diǎn),在剖面導(dǎo)線平移也有困難的情形下,為了求得巖層的厚度,往往只好作連續(xù)的剖面丈量,可能有的測(cè)次是從巖層的下部向上部丈量(如圖2中1-2導(dǎo)、2-3導(dǎo)、4-5導(dǎo)等),又有的測(cè)次是從巖層的上部向下部丈量(如圖2中3-4導(dǎo)),這一上一下的測(cè)量,實(shí)際抵消了部分巖層厚度,會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

表2 DGSInfo、列氏公式、新厘定公式確定的剖面PM09巖層單測(cè)次的sign值統(tǒng)計(jì)表

Table 2 Statistical table of sign value of thickness of profile of PM09 strata by DGSInfo， Legalia calculation formula and new redefinition formula

注：1)數(shù)據(jù)來源于《湖北麻城福田河—白果鎮(zhèn)地區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查》；2)sign1.DGSInfo系統(tǒng)剖面中分層庫自動(dòng)生成；sign2.列氏公式計(jì)算生成；sign3.依野外實(shí)際厘定；1.巖層傾向與坡向相反；-1.巖層傾向與坡向相同。

圖2 實(shí)測(cè)剖面中導(dǎo)線前行方向與巖層方向相同,坡角小于和大于巖層傾角示意圖(據(jù)文樸,1980)Fig.2 Schematic diagram of strata inclination of wire precession and strata in the same direction in measured section

圖3中,巖層左傾,剖面方位向右,巖層單測(cè)次厚度分別為a1、b1、a2、b2,其中a1、a2為正數(shù),b1、b2為負(fù)數(shù),正數(shù)中a1代表巖層厚度。圖4中,0-1導(dǎo)處,坡角小于視傾角時(shí),巖層單測(cè)次厚度為負(fù)。

在某些較特殊的情況下,也會(huì)出現(xiàn)0值真厚度的情形,如:①工程線(剖面線)與巖(礦)層層面平行;②工程線(剖面線)與巖(礦)層走向平行。

4.2 地質(zhì)意義解釋

前人對(duì)于巖層真厚度計(jì)算中出現(xiàn)的負(fù)厚度作了簡(jiǎn)要的地質(zhì)分析,本文結(jié)合野外剖面實(shí)測(cè)工作,對(duì)巖層厚度計(jì)算中可能出現(xiàn)負(fù)厚度的地質(zhì)情況解釋有:①地表長(zhǎng)期剝蝕,造成局部地形變化;②局部地層揉皺反向;③實(shí)測(cè)時(shí),因地形導(dǎo)致導(dǎo)線必須反向;④植被及覆蓋物強(qiáng)、露頭差時(shí),對(duì)應(yīng)層標(biāo)志點(diǎn)未對(duì)應(yīng)等。

圖3 實(shí)測(cè)剖面中導(dǎo)線前進(jìn)方向與巖層傾向相反,坡向與傾向相反時(shí)的示意圖Fig.3 Schematic diagram of strata inclination of wire precession and strata in the opposite direction in measured section

圖4 實(shí)測(cè)剖面中導(dǎo)線前進(jìn)方向與巖層傾向相反,坡向與傾向相同,坡角小于視傾角時(shí)示意圖Fig.4 Schematic diagram of strata inclination of wire precession and strata in the opposite direction in measured section

5 小結(jié)

本文以野外實(shí)測(cè)剖面工作為基礎(chǔ),通過總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn),得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 合適的巖層厚度計(jì)算公式及負(fù)厚度處理方法,事關(guān)巖層厚度計(jì)算工作的成敗。

(2) DGSInfo系統(tǒng)在計(jì)算巖層真厚度時(shí),存在一定的不足,仍需地質(zhì)人員結(jié)合野外實(shí)際進(jìn)行判定。

(3) 負(fù)厚度不僅出現(xiàn)在實(shí)測(cè)剖面中,在鉆孔、槽探、坑道等地質(zhì)工程中計(jì)算巖(礦)層真厚度時(shí),亦會(huì)出現(xiàn)此種情況,其處理方法相類似。

[1] 文樸.論巖層真厚度的計(jì)算方法[J].成都地質(zhì)學(xué)院院報(bào),1980(2):80-90.

[2] 徐少康.巖層真厚度計(jì)算的新公式[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì),2006,28(4):209-217.

[3] 武漢地質(zhì)學(xué)院,成都地質(zhì)學(xué)院,南京大學(xué)地質(zhì)系,等.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1979.

[4] 漆樹基.利用袖珍計(jì)算器計(jì)算巖層真厚度[J].中國區(qū)域地質(zhì),1991(2):188-193.

[5] 何昌祥.巖層真厚度計(jì)算的改進(jìn)公式[J].中國區(qū)域地質(zhì),1990(1):78-81.

[6] 葉東虎.巖層真厚度計(jì)算手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1976.

[7] 許邊遠(yuǎn).試用矢量表示巖層真厚度[J].中國區(qū)域地質(zhì),1998,17(1):80-86.

[8] 劉書才,杜圣賢,張貴麗.實(shí)測(cè)剖面地層厚度計(jì)算方法探討[J].山東國土資源,2006,22(9):37-39.

[9] 朱顯芝.關(guān)于地層真厚度計(jì)算公式的商酌[J].地質(zhì)論評(píng),1965,23(6):496-498.

[10] 郭福生,林銀山.巖層真厚度計(jì)算公式的修正[J].江西地質(zhì),1992,6(3):280-286.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Discussion on Geological Significance and Treatment of Negative Thicknessin Calculation of the True Thickness of Strata

ZHU Zhengyong, XIONG Yilin, LU Xiansong, HU Fei, LIU Jia, DU Yichao

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

According to the comparison of analysis about the negative thickness and the zero value of the calculation of the true thickness of strata appearing at the Digital Section System and the result calculating from Leon tibor scitovsky formula in a geological section, and the knowledge of mankind all clearly indicate the importance and difficulty in recognition and using of the negative sign about the calculation of the true thickness of strata. The paper detailedly analyses the value of “sign” from the Digital Section System and the Leon tibor scitovsky formula, in which “1” stands for the tendency of rock stratum is contrary to the slope, and “-1” stands for the tendency of rock stratum is same to the slope. Based on the above analyses, the paper formulates the reasonable calculation formulas and the scientific handling methods in negative thickness,analyses the geological meaning of the negative thickness.

measured section; negative thickness; value of “sign”; DGSInfo; geological meaning

2015-08-10;改回日期:2015-09-07

中國地質(zhì)調(diào)查局中南地區(qū)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào):12120114048401。

朱正勇(1987-),男,助理工程師,碩士,地質(zhì)工程專業(yè),從事礦床學(xué)研究和礦產(chǎn)普查與勘探工作。E-mail:339075731@qq.com

P624

A

1671-1211(2016)02-0217-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.018

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1056.016.html 數(shù)字出版日期:2016-03-03 10:56