巖層真厚度計算中負厚度的處理及其地質意義

朱正勇, 熊意林, 魯顯松, 胡 飛, 劉 嘉, 杜翌超

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

巖層真厚度計算中負厚度的處理及其地質意義

朱正勇, 熊意林, 魯顯松, 胡 飛, 劉 嘉, 杜翌超

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

以野外實測地質剖面在DGSInfo系統剖面庫中的巖層真厚度計算結果出現負值及0值進行探討,并與以列昂托夫斯基公式為厚度計算公式的結果進行對比分析,且對DGSInfo系統剖面庫及列昂托夫斯基公式中巖層傾向與坡向的關系進行探討,在此基礎上,確認巖層厚度計算中負厚度識別及負號的應用,并厘定較為合理的巖層厚度計算公式和在計算巖層總厚度時較為科學的負值處理方法,進而對出現負厚度及0值厚度的原因進行分析,且對巖層負厚度所代表的地質意義作了較為詳細地解釋。

實測剖面;負厚度;sign值;DGSInfo;地質意義

1 概述

巖層真厚度計算為地質工作中最基礎、最常見的工作之一,其計算結果的準確性事關眾多地質問題的解決。自20世紀50年代引進列昂托夫斯基公式并使用至今,厚度計算公式形式變化多樣,但其關鍵及難點問題始終為負厚度的識別和負號的應用。此文以野外剖面實測工作為基礎,前人經驗為參考,厘定較為科學、全面的巖層厚度計算公式,并對DGS系統中的負厚度和0值出現的原因進行分析及對巖層負厚度地質意義進行探討。

2 理論基礎

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

M=L(cosεsinβsinγ±sinεcosβ)

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

其中0°<ε<90°,0°<β<90°,0°≤γ≤90°。

(當巖層傾向與地形坡向相反時,符號為正;當巖層傾向與地形坡向相同時,符號為負)。

上述公式引進較早,且發展至今在列昂托夫斯基公式基礎上演變較多[2],如:①列氏公式的推導公式:實質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)對列氏公式的改進形式[5];③葉氏公式:中國科技工作者葉東戶(1976)提出的“導線與巖層走向線的斜交”情況下的計算公式,與列氏公式沒有親緣關系,從形式到證明方法均具較強獨特性[6];④其他公式:有關文獻未進行證明或未注明出處,主要為具體情況下的計算公式。

上述公式對于某一單測次所控制的厚度絕對值均一致,且出現負厚度的情況,而負厚度是指實測剖面過程中,某一測次重復了的巖層厚度。據負厚度定義的內涵,擬定:導線從巖層下層面往上層面方向前進時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厚度[7]。前人在利用列氏公式計算巖層總真厚度時,對負厚度的處理方式各有不同,主要有如下幾種選擇:

(1)M=|A+B+…| 取各項代數和的絕對值。

(2)M=|A|+|B|+|C|+… 取各項絕對值的和。

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

(4)M=所有單項負數的絕對值的和,所有正數舍去(正值少時)[9]。

圖1 湖北麻城福田河中元古界福田河巖組實測地層剖面PM09部分示意圖(摘自湖北麻城福田河—白果鎮地區礦產地質調查,2015年)

(5)M=所有單項正值的和,所有負數舍去(A、B、C代表巖層每一單測次的計算厚度)。

3 實例分析

以湖北省麻城市福田河中元古界福田河巖組實測地層剖面PM09為例,剖面上主體巖性為黑云二長花崗質片麻巖、黑云斜(二)長變粒巖及淺粒巖等,為大別山地區結晶基地上的一套老沉積蓋層,其經歷了多期多階段的構造、變質變形等。因此,準確測定該區巖層真厚度較為重要。在DGSInfo系統剖面PM09數據庫(表1)中,可知巖層單測次真厚度(表1中真厚度1)及單層總厚度均存在0值及負值的情形,而列氏計算公式結果亦有0值及負值的出現(表1中真厚度2)。

表1 DGSInfo、列氏計算公式、新厘定公式確定的剖面PM09巖層單測次厚度統計表

續表1

注：1)真厚度1為DGSInfo系統中剖面庫自動生成；數據來源于項目《湖北麻城福田河—白果鎮地區礦產地質調查》;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用+號，反之用-號(常用)；3)真厚度3為當巖層傾向與地形坡向相反：M=L(cosεsinβsinγ+sinεcosβ)；4)當巖層傾向與地形坡向一致，且巖層傾角大于地形坡角,M=L|(cosεsinβsinγ-sinεcosβ)|；5)當巖層傾向與地形坡向一致，且巖層傾角小于地形坡角M=L(sinεcosβ-cosεsinβsinγ)。

在巖層真厚度計算時,DGSInfo系統剖面庫和列氏公式中均涉及到巖層產狀與坡向關系的探討,在DGSInfo系統剖面庫中自動生成sign值,對巖層傾向與坡向的關系進行定義。現將DGSInfo系統中自動生成的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狀為210°～240°∠12°～36°,剖面方位從起點到終點為45°,巖層傾向在剖面圖中基本為左傾,另因坡角為負時地形線右傾(表2中綠色區,圖1),坡角為正時地形線左傾(表2中黃色區,圖1),因此,sign值為1時基本代表坡角為負值,sign值為-1時基本代表坡角為正值,且系統中默認坡角為0值時,sign值為1(表2中褐黃色區)。

在DGSInfo系統剖面庫和列氏計算公式中,對sign值的判斷均存在一定的錯誤。在表2及圖1中,紅色所代表的異常區,其中第30層紅色異常區,根據野外實測和剖面圖,坡向與傾向相反,應為正1,DGS判斷錯誤;第33層紅色異常區對應為一花崗巖脈,其產狀左傾,與坡向相反,sign值為1正確;第34層紅色異常區,對應的為一變粒巖,其產狀局部發生變化,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,巖層傾斜方向與坡角相反,應為1;第49層坡角為0°處,應為1。對上述錯誤修改后,重新厘定sign值,列于表2(見表2中sign3)。

因此,本文實測剖面中巖層真厚度的計算以列氏公式為基礎,制定符合DGSInfo系統及野外實際的厚度計算公式如下:

當巖層傾向與地形坡向相反時,

M=L(cosεsinβsinγ+sinεcosβ)

(1)

當巖層傾向與地形坡向一致,且巖層傾角大于地形坡角時,

M=L|(cosεsinβsinγ-sinεcosβ|

(2)

當巖層傾向與地形坡向一致,且巖層傾角小于地形坡角時,

M=L(cosεsinβsinγ-sinεcosβ)

(3)

運用上述巖層厚度計算公式,重新計算剖面PM09巖層單測次厚度及單層總厚度,計算結果列于表1。

4 負厚度地質意義討論

4.1 出現負厚度的情況分析

在DGS系統剖面分層數據庫中,某一巖層單測次厚度指該測次的起點刻度到下一刻度處。而巖層真厚度計算中,負厚度是指實測剖面過程中,某一測次重復了的巖層厚度。據負厚度定義的內涵,導線從巖層下層面往上層面方向前進時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厚度。

現據實際經驗,將出現負厚度的幾種情況總結如下[10]:

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

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

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

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

上述(2)、(3)兩種情況主要見于特殊剖面條件,即當巖層內揉皺造成局部傾向反向時,或當受地形障礙影響迫使導線突然反向前進時,只要把握住導線與上、下層面的關系,也不難識別負厚度。

圖2為巖層露頭不夠良好的情況下測的剖面,對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應點,在剖面導線平移也有困難的情形下,為了求得巖層的厚度,往往只好作連續的剖面丈量,可能有的測次是從巖層的下部向上部丈量(如圖2中1-2導、2-3導、4-5導等),又有的測次是從巖層的上部向下部丈量(如圖2中3-4導),這一上一下的測量,實際抵消了部分巖層厚度,會出現負值。

表2 DGSInfo、列氏公式、新厘定公式確定的剖面PM09巖層單測次的sign值統計表

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)數據來源于《湖北麻城福田河—白果鎮地區礦產地質調查》；2)sign1.DGSInfo系統剖面中分層庫自動生成；sign2.列氏公式計算生成；sign3.依野外實際厘定；1.巖層傾向與坡向相反；-1.巖層傾向與坡向相同。

圖2 實測剖面中導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,巖層單測次厚度分別為a1、b1、a2、b2,其中a1、a2為正數,b1、b2為負數,正數中a1代表巖層厚度。圖4中,0-1導處,坡角小于視傾角時,巖層單測次厚度為負。

在某些較特殊的情況下,也會出現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 地質意義解釋

前人對于巖層真厚度計算中出現的負厚度作了簡要的地質分析,本文結合野外剖面實測工作,對巖層厚度計算中可能出現負厚度的地質情況解釋有:①地表長期剝蝕,造成局部地形變化;②局部地層揉皺反向;③實測時,因地形導致導線必須反向;④植被及覆蓋物強、露頭差時,對應層標志點未對應等。

圖3 實測剖面中導線前進方向與巖層傾向相反,坡向與傾向相反時的示意圖Fig.3 Schematic diagram of strata inclination of wire precession and strata in the opposite direction in measured section

圖4 實測剖面中導線前進方向與巖層傾向相反,坡向與傾向相同,坡角小于視傾角時示意圖Fig.4 Schematic diagram of strata inclination of wire precession and strata in the opposite direction in measured section

5 小結

本文以野外實測剖面工作為基礎,通過總結前人經驗,得出以下幾點結論:

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

(2) DGSInfo系統在計算巖層真厚度時,存在一定的不足,仍需地質人員結合野外實際進行判定。

(3) 負厚度不僅出現在實測剖面中,在鉆孔、槽探、坑道等地質工程中計算巖(礦)層真厚度時,亦會出現此種情況,其處理方法相類似。

[1] 文樸.論巖層真厚度的計算方法[J].成都地質學院院報,1980(2):80-90.

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

[3] 武漢地質學院,成都地質學院,南京大學地質系,等.構造地質學[M].北京:地質出版社,1979.

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

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

[6] 葉東虎.巖層真厚度計算手冊[M].北京:地質出版社,1976.

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

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

[9] 朱顯芝.關于地層真厚度計算公式的商酌[J].地質論評,1965,23(6):496-498.

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

(責任編輯：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

中國地質調查局中南地區地質調查項目基金資助項目，項目編號:12120114048401。

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

P624

A

1671-1211(2016)02-0217-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.018

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1056.016.html 數字出版日期:2016-03-03 10:56