【地质剖面图】是什么_如何建立

地质剖面图是什么?

地质剖面图是在垂直平面上对地下物质分布的说明的图示。

地质剖面是地下地质体与某一方向的垂直面相交的一种图示。它是地形中不同类型岩石、岩石组成和内部结构及其几何关系表征的一个截面。它是深处真实岩石分布的近似模型,地表和地下的信息一致。它还可以代表在地表上被侵蚀的结构材料的延伸外推。

地质剖面是地质图不可缺少的补充;地图和剖面图是利用不同类型的数据解释岩石排列的结果,这些数据通常是不完整的,具有不同程度的不确定性。两者都是地质现实的二维表现,共同使我们能够了解岩体的三维结构,从而了解一个区域的地质历史。

地质剖面具有非常重要的经济和社会意义。它们是规划工程的基础,从根本上是影响地表和地下(道路、隧道、公用事业)的线状工程,以及水、石、矿物和能源等地质资源的勘探和生产。

建立地质剖面

地质剖面图的建立涉及到岩石排列的解释,包括深度和地形表面。这包括整理所有可用的地表和地下数据,以建立一个连贯的地质模型。因此,地质剖面的建立需要运用该地区所有的地质特征知识,在目前的理论知识框架内进行解释。

地表的数据可以在野外直接获得 (方向和倾斜地层或其他结构类型的接触,地层单位的厚度,它们之间的横向关系……等等)(图1)或从现有地质图(地质地层或制图单元、岩石类型,与地表所交的角度、点信息等)。

地质剖面图

图1:地质剖面图可由地表观测资料直接推断而成。通常,对地表景观的地质解释为建立地质剖面提供了足够的信息,特别是在峡谷地区。该图显示了石灰岩剖面的地表以下和地表以上的延伸,以及露出地表以下和地表以上的岩石。深度的影响是相对有限的。

毫无疑问,地质剖面图的质量和精度与良好的地质制图学基础有直接的关系,这一基础可以推导出岩石的三维排列、它们与影响它们的结构的几何和年龄之间的时间关系。地质图让我们了解和划定具有相同类型的构造特征的区域,这被称为“构造样式”(图2)。

图2:这些图概要地显示了最常见的“结构样式”。 a)水平平面或具轻微倾斜的层理;b)褶皱;c)正、伸展断层;d)逆冲断层;在同一地区,经常可以辨认出几种“构造样式”,例如基底的褶皱构造,在其上叠加着平面构造的沉积物质,整个构造受到伸展断层的影响(f)。

最大化井下数据是非常有必要的,因为井下数据可以限制可能的解释和系统应用基础地质概念。地下的数据可以从某一个位置的取出的岩芯来直接获得(图1),或间接地使用地球物理方法从地表或者从井内分析岩石物理性质的分布来获得(图3。其中最常见的是垂直电测 (VES),该法可以给出导电性的差异并非常用于地下水勘察。

岩芯

照片1:连续岩心的恢复使我们能够直接了解地下岩石单元的组成和厚度。其他补充技术除其他数据外,还有助于层理面或其他不连续面的应变和倾角。

地球物理数据

图3:地球物理技术提供了地下岩石物理性质的信息。该图显示了一个可以观察到所谓反射器的地震剖面图(a):这些反射器是通过反射水平面对地震波作出的反应。他们给出了一个类似于临床超声的图像。地震剖面的垂直刻度是指地震波从位于地表的发射源到反射它们的地平层再反射回来所需要的时间。这个垂直刻度的时间(以毫秒为单位)是一个双向旅行时间(TWT)。要将地震波在行波管中的垂直刻度转换成以米为单位的垂直刻度,需要知道地震波通过的介质的密度和速度。为了确定这些参数,还使用了其他地球物理技术,通常采用折射法或重力法,只要有可能,就采用钻孔数据。(b)线图确定了在地震剖面上可以观察到的反射器,并显示了地下岩层的分布情况。最后为构造解释剖面(c)。

地质剖面的质量和实现成本与研究区域地质知识密切相关;即使如此,正如在地质制图中已经提到的,从地质剖面的建立出发,也推导出了地质理论。

地质剖面的建立需要一系列的步骤和具体的验证。为了减少对深部岩石的解释性解读到最低,确保可靠性剖面图,需要利用许可证校正最大可能使用的数据集的几何技术(图4),因为它是必要的,以避免错误在建设不同阶段的剖面的时候累计,特别是在早期阶段。因此,在结构简单、地层倾角低且恒定的地区,数据外推的范围要大得多。另一方面,在有褶皱、正断层或冲断层的地区,必须根据每种结构类型的典型几何模型施加一些限制。

断层剖面

图4:地表和地下数据的外推受到“结构风格”的限制;

该图阐明了伸展断层(a)和收缩断层(b)的几何模型。

 

地表和地下资料在剖面上的投影是地质剖面施工的关键阶段。为了做到这一点,应该定义一个三维的几何模型,调整到不同的表面的方向,因为数据只能被投影在剖面平行于结构。

地质剖面的垂直比例尺应与水平比例尺一致,以避免地质体变形。在地质剖面图上,为了便于比较和信息的整合,更重要的是这两种比例尺是相同的。在有些情况下,地质构造在地图和剖面图上的图形表示是非常相似的,例如,当地质构造是陡然倾斜的。地质剖面中的图片,任何对象倾斜45º,如具有倾斜轴的褶皱,在剖面图和平面图上是一样的。

当想要表示最近沉积物的截面,或相对较薄的地层时,有必要夸大垂直的剖面图的比例尺(图5),这中表示系统在线性工程中使用 (图6),在地下的所有对象,为了使阅读更容易,自然的或人为的,都被夸大了。

垂直剖面图

图5:在具有新近沉积、更新世和全新世的区域,这些区域的具体剖面图通常建立成夸张的垂直尺度。

更具体地说,这张图显示了班约拉斯湖的石灰岩脉和炭质泥(加泰罗尼亚地质地图1:25 000)。

扩大垂直比例尺的剖面图

图6:城市地下工程项目的地质剖面图。垂直的比例,以及所有物体的高度,都被垂直地夸大了。

剖面图的建立深度取决于工作规模、区域地质特征、剖面的目标和地下的可用数据。因此,例如,与一般地质图一起的地质剖面图,以及利用地表数据绘制的地质剖面图,其深度在几百米或几千米之间波动。在碳氢化合物勘探活动,主要是钻孔(图7)和反射法(图3)提供信息的地区,剖面的深度可达6或7公里。

钻孔分布

图7:陆上和海上石油勘探钻孔情况图。

钻孔所提供的资料对任何地质剖面的构造都具有重要意义。

另一方面,在受多种褶皱系统影响的结构复杂的地区,如海西期物质中经常观察到的那些地区,由于很难将数据外推到深度,截面的垂直延伸通常要小得多。在最近的材料中,例如河流沉积物,其表现深度很少超过几十米(图5)。

由于构造知识和对地壳和岩石圈行为认识的进步(图8),建立截面深度大于100公里已成为常规,在地壳或岩石圈尺度由于深层可用数据的不断增加,如地震反射、大地电磁的、重量分析法和地震层析成象。

地球内部结构

图8:地球内部结构和构造是通过地球物理数据的解释而知道的。经典的划分参考了不同层的组成:动态划分参考了它们的力学行为。上图为地球最外层的结构细节(由Kearey和Vine于1990年修改)。

平衡剖面和恢复剖面

最常用的评估和确认一个地区地质剖面结构样式(褶皱构造、伸展断层或逆冲断层)的方法是检查所谓的“反变形能力”。换句话说,为了能够解释不同地质单元在变形前是如何排列的,应该有可能消除变形。如果逐步消除变形的剖面是部分或全部恢复的剖面(图9),则可反变形横截面称为平衡剖面图。

地质模型

图9:地质剖面、平衡剖面和地质恢复剖面的非变形状态。这些资料显示了岩体在不同地质历史时期,在变形和侵蚀之前和之后的情况和关系。

恢复后的剖面保持了变形前后岩石的粘聚性,两阶段之间没有重叠或缝隙。平衡剖面上的结构解释应与该地区观察到的结构一致,即与结构形式一致。恢复的剖面和变形的剖面之间的过渡,正如目前所解释的一样,应保持一致。平衡剖面施工的主要目的是避免在地质剖面施工中引入几何误差。这一技术还允许计算与构造的形成有关的缩短和拉伸的值,并进行回文重建。即地质资料所处的位置,是在地质历史的决定时刻所处的位置。

近年来,计算机科学的发展使我们能够直接在三维空间中建立地质模型。在不久的将来,三维计算的工作和可视化将成为常规,而地图和剖面将从不同的角度构成同一现实的一部分。


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