構造地質學“V”字型法則教學中的簡明圖示法

鄭求根，吳懷春，劉 豪，辛仁臣

（中國地質大學（北京），北京 100083）

構造地質學中的“V”字型法則，是地質類專業學生需要掌握的基本知識和基本技能，是構造地質學教學中的重點和難點之一，也是在往后的工作中如讀圖和大比例尺填圖中必須要要用到的技能。

一、“V”字型法則的基本內容

地層、斷層等面狀構造的空間產出狀態一共有3種，一是水平，即傾角為零度，二是直立，傾角為90 度，還有一種叫傾斜，也就是傾角大于零度小于90 度。水平地層的出露線與等高線平行或重合，兩者是不會相交的。在山頂，地層露頭往往成孤島狀，在山坡上往往呈不規則的同心環狀或條帶狀，只要測定水平巖層層面一個點的位置，就能夠在地形圖上以這個點為起點，沿著或者是平行同高程的等高線勾繪出此界面的界線。直立的地層或斷層等面狀構造在地形地質圖上表現為直線，不受地形起伏的影響。因此水平和直立是面狀構造的兩種特殊狀態，在地形地質圖上很容易識別，其特征也很容易理解。

地層的原始產狀是水平或接近于水平的，由于受到構造作用力的影響發生變形，使得地層與水平面間出現一定的夾角，便形成了傾斜地層。地層層面的傾斜是一種最為常見的狀態。傾斜的地層可能是某種構造的一部分，比如為褶皺的一翼或者是斷層的一個盤，有的是由于地殼的不均勻抬升或下降形成的區域性傾斜。斷層也是一種常見的面狀構造，同樣是傾斜狀態比直立和水平狀態更為常見。

傾斜的面狀構造出露界線的分布形態更為復雜，表現出與地形等高線呈交截的關系，當其穿過溝谷或山脊時，都呈“V”字型，根據面狀構造的產狀、地面坡向和坡度的不同，“V”字的形態也有所不同，呈現一定的規律，這種規律就叫“V”字型法則。

由于地表面一般為起伏不平的曲面，傾斜的地層、斷層或礦層的出露線在地表的露頭也就變成了與等高線相交的曲線。地質界線的彎曲方向和程度取決于地表的起伏、地層或斷層的傾向和傾角。根據地層或斷層傾向與地面坡向的關系及傾角與坡角相對大小，“V”字形會有不同的表現：第一種情況是當地層或斷層與坡向相反時，在地形地質圖上地層或斷層出露線與地形等高線彎曲方向相同，但地層或斷層出露線較地形等高線開闊；第二種情況是當地層或斷層與坡向相同，但地層或斷層傾角大于坡角時，在地形地質圖上地層或斷層出露線與地形等高線彎曲方向相反；第三種情況是當地層或斷層傾向與坡向相同，但地層或斷層傾角小于坡角時，在地形地質圖上地層或斷層出露線與地形等高線彎曲方向相同，但地層或斷層出露線較地形等高線緊閉。

“V”字型法則的使用前提是傾斜巖層或其他地質界面的走向與溝谷或者山脊延伸方向呈直交或斜交關系。在讀圖和填圖過程中，需要聯系周圍的具體情況進行全面分析，就不會被局部現象迷惑。

二、“V”字型法則的重要性

在進行地形地質圖識讀時，或在對衛星、航空照片解譯過程中，“V”字型法則是判斷傾斜地層、斷層傾向及似層狀礦體出露位置的重要方法。“V”字型法則適用于所有比較平直的地質界面，除了地層界面、斷層面外，還有不整合面、礦層面的露頭線的分布特征分析。這個法則有助于野外觀測構造地質現象、閱讀分析或填繪地質圖，尤其是大、中比例尺的地質圖。在預測地質災害過程中，也能起到重要的作用。在填圖或讀圖時，只有充分理解地層或斷層產狀與地形起伏的空間關系，并進行全面的分析，才能正確理解或表述地質界面的幾何形態，因此“V”字型法則是地質類或遙感類專業學生必須掌握的基本知識，熟練掌握“V”字型法則是地學類專業學生的基本功和必然要求。學好“V”字型法則，對學生的空間想象力的培養將起到一定的促進作用，也會使得學生們在思考和處理問題時，詳盡地列出可能出現的各種情況，養成整體的而不是局部的、聯系的而不是孤立的、動態的而不是靜止的思維習慣。這是學好構造地質學的一個良好開端。

三、“V”字型法則教學過程中存在的問題

由于這部分內容較抽象，對學生空間想象能力要求較高，很多學生不能在理解的基礎上記憶，更難于在具體識圖分析或地質填圖工作實踐中靈活運用。很多學生在學習“V”字型法則的時候，表現出積極性、主觀能動性低、理解力差及缺乏空間想象力。在長期的教學過程中，教師們設計了眾多的教學方法，有借助構造模型的，有用平面圖和立體圖相結合的，還有制作動畫來進行講解的，這些方法都可清楚地表達“V”字型法則的含義與應用，但對于部分學生來說，效果還是不太理想，比如用立體圖和平面圖相結合的方法，是很多老師常用的方法，許多構造地質學教材里都有這三幅經典的立體與平面結合圖（圖1—圖3）（據徐開禮等，1984，修改）。圖1（a）立體圖反映了巖層的傾向與坡向相反，圖1（b）平面圖反映了這個立體模型對應的地形地質圖上，巖層出路線（黑色較寬條帶表示）與地形等高線（點線表示）彎曲方向相同，巖層出露線相對于地形等高線較為開闊。圖2（a）立體圖反映了巖層的傾向與坡向相同，巖層的傾角大于坡角，圖2（b）平面圖反映了這個立體圖所對應的地形地質圖上，巖層的出露線（黑色較寬條帶表示）與地形等高線（點線表示）彎曲方向相反。圖3（a）立體圖反映的是巖層的傾向與坡向相同，巖層傾角比坡角小，圖3（b）平面圖反映的是在這個立體模型對應的地形地質圖上，巖層出露線（黑色較寬條帶表示）與地形等高線（點線表示）的彎曲方向相同，巖層出露線比地形等高線更緊閉。這三幅圖應該說構圖很精美，也完全表達出了“V”型法則的所有涵義，老師們都講了，多媒體和教材里都有，為什么有的學生還是停留在一知半解上呢？有的學生只知道死記硬背，記住了又很快忘記，或者記錯了，還不知道檢驗。能夠達到真正理解并能靈活運用的學生還不是太多。原因是這三幅圖線條太多，結構較復雜，對有些空間想象力較好的同學來說容易懂，但對空間想象力還沒有培養出來的同學，讀懂它需要時間，所以對部分初學者來說有一定的難度。而且由于圖形復雜，線條多，很難讓學生短時間內畫出來，所以沒有辦法通過畫圖得出“V”法則所反映的規律。圖件雖然精美，但沒有用線條展現出從層面和地面的三維空間關系是如何轉變到地質平面圖上巖層出露線和地形等高線的二維平面關系的，必然性和邏輯性沒有體現出來。如果用簡明圖示法，就能做到這一點。不是說這三幅經典的立體圖和平面圖不好，而是說用簡明圖配合來講解，對于一部分不容易弄懂的同學會有很大的啟發作用。

圖1 地層傾向與坡相相反時的立體圖和平面圖

圖2 地層傾向與坡相相同、地層傾象大于坡角時的立體圖和平面圖

圖3 地層傾向與坡相相同、地層傾角小于坡角時的立體圖和平面圖

四、用簡明圖示法講授“V”字型法則效果良好

在教學中，發現用簡明立體示意圖和平面示意圖相結合的方法講授“V”字型法則，同學們好理解，好記憶，即使以后忘記了，自己也能通過畫一張簡單的示意圖推演出結果來。

首先用兩筆，就能畫出一個山包的立體圖（圖4（a）），再用一筆畫出地層或斷層（圖4（b）），用一根虛線畫出地層或斷層線在平面上的投影線（圖4（c）），然后在一個平面圖，用一條虛線和一條點線反映出立體圖中的地層或斷層界線（虛線）與地形等高線（點線）在平面上的關系示意圖（圖4（d）），可以看出，在這種地層或斷層的傾向與地形坡向相反的情況下，在地形地質圖上地層或斷層界線與地形等高線彎曲方向相同，地層或斷層界線比地形等高線較開闊（圖4（d）），反之亦然，也就是說如果在地形地質圖上地層或斷層界線的彎曲方向與地形等高線相同，地層或斷層界線比地形等高線較開闊，則說明地層或斷層的傾向與坡向相反。即傳統所說的“相反相同”法則。其中的“相反”是指地層或斷層傾向與坡向相反，“相同”是指在平面圖上地質界線與地形等高線的彎曲方向相同。

用相同的方法表示地層或斷層的傾向與坡向相同，但地層或斷層的傾角大于坡角的情況（圖5（b）），用一根虛線畫出地層或斷層線在平面上的投影線（圖5（c）），在平面圖上用點線表示地形等高線，用虛線表示地層或斷層界線在平面圖上的投影線（圖5（d）），可以清楚看出，當地層或斷層傾向與坡向相同，且地層或斷層傾角大于坡角時，在地形地質圖上地層或斷層界線與地形等高線彎曲方向相反。這樣，如果地形地質圖上看到地層或斷層界線與地形等高線彎曲方向相反時，就可以判定地形地質圖上所反映的地層或斷層的傾向與坡向相同，且地層或斷層的傾角大于坡角。即傳統所說的“相同相反”法則。其中“相同”是指地層或斷層的傾向相同，“相反”是指在地形地質圖上地層或斷層的彎曲方向與地形等高線的彎曲方向相反。“相同相反”里沒有把地層或斷層的傾角大于坡角這個條件明確表達出來。

圖5 地層或斷層傾向與坡向相同地層或斷層傾角大于坡角時巖層界線與地形等高線的關系簡明圖

第三種情況，當地層或斷層傾向與坡向相同，但地層或斷層傾角小于坡角時（圖6（b）），用一根虛線畫出地層或斷層線在平面上的投影線（圖6（c）），在平面圖上用點線表示地形等高線，用虛線表示地層或斷層界線（圖6（d）），可以從立體圖到平面圖上看出，當地層或斷層傾向與坡向相同，且地層或斷層傾角小于坡角時，在地形地質圖上地層或斷層界線與地形等高線的彎曲方向相同，但地層或斷層界線的比地形等高線的更緊閉。也就是說，當我們在地形地質圖上看到地層或斷層界線與地形等高線彎曲方向相同時，且地層或斷層界線的彎曲度較小時，就可以判定地層或斷層的傾向與坡向相同，且地層或斷層的傾角小于坡角（圖6（d）），即傳統所說的“相同相同”法則。前一個“相同”是指地層或斷層傾向與坡向相同，后一個“相同”是指在地形地質圖上地層或斷層出露線與地形等高線的彎曲方向相同。“相同相同”中沒有把地層或斷層的傾角小于坡角這個條件明確表達出來。

圖6 地層或斷層傾向與坡向相同地層或斷層傾角小于坡角時巖層界線與地形等高線的關系簡明圖

關于“V”字形法則的口訣，傳統老的口訣是“相反相同”“相同相反”“相同相同”，分別反映“V”字法則的三種情況，含混很不明確，應該根據各自的習慣改一改，比如“相反相同闊”說的是當巖層傾向與坡向相反時，巖層出露線與等高線彎曲方向相同，巖層出露線更開闊；“相同相反大”說的是當巖層傾向與坡向相同，巖層傾角大于坡角時，巖層出露線與等高線彎曲方向相反。“相同相同小而緊”說的是當巖層傾向與坡向相同，巖層傾角小于坡角時，巖層出露線與等高線彎曲方向相同，巖層出露線比地形等高線更緊閉。這樣的口訣就很明確，不容易混淆。當然如果能熟練勾畫簡明圖，不用背口訣也能很好的掌握，牢固記憶。

簡明圖示法的最大特點是用簡單明了的線條清晰明確地展現出從立體圖到平面圖是怎么通過投影得到的，可見可知可信，大道至簡，易學好懂，易記好用。

五、應用實例

（一）根據地層界線與地形等高線的關系判斷地層的產狀

下面我們舉三個例子來試用一下“V”字型法則，如圖7（a），地形等高線的值由大到小代表地面坡向由北指向南，圖上地層界線與地形等高線的彎曲方向相同，且地層界線的彎曲比地形等高線的開闊，與圖4 所示的情況相同，符合“相反相同闊”法則，地層傾向與坡向相反，也就是說能判斷出地層的傾向指向北。

圖4 地層或斷層傾向與坡向相反時地層或斷層界線與地形等高線的關系簡明圖

如圖7（b）所示，地面的坡向是由北指向南的，地層界線與地形等高線的彎曲方向相同，但地層界線的彎曲比地形等高線的較緊閉，與圖6 所示的情況相同，符合“相同相同小而緊”法則，地層傾向與坡向相同，地層傾角比坡角較小，也就是說我們可以判斷圖4（b）中地層的傾向指向南，而且我們還能判定地層的傾角比坡角小。

如圖7（c），雖然沒有標出地形等高線的值，但是也能從水系由北向南交匯的分布狀況判斷出坡向是由北指向南的。地層界線的彎曲方向與地形等高線的彎曲方向相反，符合圖5 所示的情況，地層的傾向與坡向相同，但地層的傾角比坡角大，符合“相同相反大”法則，也就是說能判定地層的傾向是由北指向南的，而且還可以判定地層的傾角比坡角大。

圖7 地形地質圖上傾斜地層分布區地質界線與地形等高線的3 種關系

（二）在找礦中的應用

如在陜西安康的某礦區，發現了3 個礦化點，通過探槽揭示出這3 個礦點的含礦性、蝕變特征及礦層的圍巖極其相似，因此認為3 個礦點是同一個礦層。這3 個礦點之間的距離都在500 m 以上，而礦點之間都被厚厚的坡積物覆蓋，根據化探的結果和通過目測的部署都沒有見到礦層，以為礦化帶規模小，可能是小的透鏡體。

在第二年的探礦工作中，仍然沒有放棄是大礦層的期望，于是想到應用“V”字型法則預測礦層所在的位置。具體的辦法是，精確測量3 個見礦點礦層的產狀，結合礦層圍巖的產狀求出一個平均產狀，分別以其中的一個礦化點依據“V”字型法作圖，如果三條投影線重合，則重合線為礦層在地表的出露線，如果三條投影線因誤差不重合，則礦層也應該在三條投影線所夾持的范圍內。通過這種方法，布置了6 條探槽進行驗證，結果都見到了礦層，獲得了很大的成功，將原以為三個小透鏡狀礦體變成了走向延伸長度1 500 m 的較大的層狀礦體，最大工程間距達到了320 m，落實的黃金資源量3 t，實現了找礦的突破。

（三）在地質災害預測中的應用

在預測某一地區的可能發生的地質災害時，也需要用到“V”字型法則來判斷地層或斷層的產狀。比如在中印邊界地區，在安置軍隊營地之前，就要對山體的穩定性進行研究。在山區滑坡和泥石流是常見的地質災害，如果有高清晰航空照片或衛星照片，甚至不需要到野外考察就能直接判斷哪個地方更有可能發生地質災害。如果判斷出地層或斷層的傾向與坡向相反時，不會沿地層中的軟弱層或斷層滑動而引起滑坡，山體比較穩定，這種情況下相對不容易發生滑坡和泥石流等自然災害（圖8（a））；如果判斷出地層或斷層的傾向與坡向相同時（圖8（b））；特別是地層或斷層傾角小于坡角時（圖8（c）），山體較不穩定，容易發生滑坡和泥石流這樣的地質災害。進行這樣的研究便于規避安全風險。

圖8 地層或斷層產狀與山體的穩定性示意圖

經過多次訓練或使用，我們足夠熟練了，或者具備較強的空間想象能力了，可以不需要畫示意圖，直接通過自己的空間想象，也能夠得出正確的結論，作出自己合乎實際的判斷了。

六、結束語

簡明圖示法用簡單的圖案就能明確清楚地表達地層或斷層與地形在空間和平面圖上的關系，而且還有“推導”功能，使學生易懂易用，不單對初學者有用，對有些科研工作者也可能有所幫助，比如時間長了忘記了，只要我們曾經會畫這種簡明圖件，無需查閱相關書籍，也能夠通過簡單的幾筆勾繪描畫出它們從空間到平面上的關系，既使是在野外的地上，用樹技畫上幾筆，也能展現出地質界線與地形的空間和平面關系來，不需要打開電腦，在簡陋的條件下也可以完成，可以說一旦學會，終生難忘。因此通過這種簡明圖示法，學生很容易學會并且掌握“V”字型法則，并且能增強學生的空間想象力，因此即使是在現今技術手段如此眾多的情況下，這種簡明圖示法仍然值得大力推薦。