Построение структурных карт по обнажениям, горным выработкам и скважинам

Построение структурных карт по геологическим разрезам

Наиболее простым, сугубо графическим способом, не требующим проведения дополнительных геологических работ, является построение структурной карты по геологическим разрезам. Для их составления используется уже имеющаяся детальная геологическая карта изучаемого района.

Количество необходимых для построения карты разрезов определяется размерами площади и сложностью ее геологического строения. Наибольшее их число потребуется при картировании мелких структур сложной морфологии.

Разрезы обычно ориентируются вкрест простирания картируемой структуры. Однако для большей точности построения карты рекомендуется составить вспомогательный продольный разрез, желательно по оси структуры (разрез ІV на рис. 28).

Все разрезы делают на глубину до картируемой опорной поверхности (маркирующего горизонта). Требуется максимальная точность изображения геологических структур на разрезах. Так, для более точного определения положения замков складок используют данные об угле погружения шарниров.

На готовые геологические разрезы наносят горизонтальные параллельные линии с интервалом между ними, соответствующим заданному сечению стратоизогипс (рис. 28). Точки пересечения этих линий с маркирующим горизонтом сносят на горизонтальную линию основания разреза, а затем при помощи циркуля-измерителя – на соответствующую линию разреза на карте. Рядом с точками на карте проставляют соответствующие высотные отметки. Более удобно делать эту разноску на листе кальки, наложенном на карту (на нем же и строят затем саму структурную карту). В результате вся карта (калька) покрывается точками с известными высотными отметками опорного горизонта. Соединяя плавными линиями точки с одинаковыми значениями высот, получают структурную карту с заданным сечением стратоизогипс опорной поверхности.

В практике геологического картирования структурные карты составляются в процессе специальной структурной (структурно-геологической) съемки. Наибольшее применение структурная съемка находит при картировании структур платформенного чехла или поверхности фундамента. В последнем случае основным источником данных по высотным отметкам маркирующих поверхностей являются материалы буровых скважин.

В зависимости от особенностей геологического строения и рельефа картируемой территории методика проведения структурной съемки может быть разной. Некоторые виды ее рассмотрены ниже.

 

 

 

Построение структурных карт по обнажениям, горным выработкам и скважинам

Структурные карты маркирующих горизонтов, рудных тел, зон разрывных нарушений и прочих участков сложного геологического строения являются конечным результатом специальных геологических структурных съемок. Съемки, как правило, крупномасштабные. Выбор методики работ зависит от геологического строения изучаемого объекта. Если маркирующие горизонты, рудные тела и пласты, сместители разрывных нарушений выходят на дневную поверхность и их можно наблюдать в обнажениях, структурная карта строится по обнажениям. Главными требованиями в этом случае являются точная привязка обнажения, на местности и определение абсолютной отметки обнажения, а в крупных обнажениях – отметки кровли или подошвы пласта или контакта рудного тела. Достигается это топографической привязкой обнажений на местности и выносом этих точек на карту. Абсолютные отметки точек наблюдения определяются нивелированием.

Для крупномасштабных карт (от 1:25000 до 1:5000 и более) действуют требования кондиционности, т. е. на 1 см² или 1 дм² карты должно быть определенное количество точек наблюдения. При такой густоте наблюдений на карте неточность привязки и определения абсолютных отметок всего на метры приводит к искажению структуры. Кроме того, нужно иметь в виду, что структурная карта не единственный результат структурной съемки. Во время съемки изучаются и получают графическое выражение, в том числе на геологических и структурных картах, все виды трещиноватости, полосчатости, фациальных переходов, шлиров и пр., что требует точнейшей привязки.

Значительно облегчат задачу привязки точек наблюдения с помощью системы спутникового позиционирования. Существующие в настоящее время спутниковые приборы позиционирования пока не удовлетворяют требованиям детального структурного картирования. В августе 2008 г. принято Постановление Правительства РФ, которое обязывает соответствующие федеральные органы оснастить аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS технические средства, в том числе приборы и оборудование, применяемое при проведении геодезических работ. Точность позиционирования возрастет до 1 м. Поэтапное оснащение аппаратурой спутниковой навигации технических средств, находящихся в эксплуатации, начнется с 2010 г. Но основным препятствием является отсутствие цифровых топографических карт. Специальная, тематическая структурная съемка производится, как правило, в крупном масштабе на небольшой площади. Отсюда следует, что едва ли возможно в ближайшее время создать необходимое количество цифровых топографических карт крупного масштаба; в любом случае, необходимо проводить локальную топографическую съемку с последующей оцифровкой топоосновы.

Структурная съемка по обнажениям применяется обычно при достаточно хорошей обнаженности пород, открытой или слабо залесенной местности, сравнительно хорошей выдержанности разреза, имеющего маркирующие горизонты.

Съемка ведется прослеживанием выбранных опорных пластов от одного обнажения к другому. Высотные отметки маркирующих горизонтов в обнажениях вычисляются с максимальной точностью топографами или по показаниям высокоточных барометров-анероидов и тут же надписываются на карте рядом с вынесенными на нее точками обнажений.

Съемка может проводиться по одному или нескольким маркирующим горизонтам. Наиболее точные результаты получаются в том случае, когда всю съемку можно провести по одному горизонту, представленному во всех обнажениях. В других случаях для построения структурной карты необходимо произвести в некоторых обнажениях пересчеты высотных отметок всех пластов, зная их положение в разрезе, на один пласт (опорную поверхность), по которому решено строить карту.

Для этого на топографический планшет выносятся обнажения всех пластов, слагающих разрез. Причем в обнажениях опорного горизонта его высотные отметки определяются непосредственно в поле. В других обнажениях они находятся вычислением по замерам углов падения пластов и по измеренным расстояниям между обнажениями.

Пусть точка А (рис. 29) изображает выход на поверхность опорного горизонта (пласта) с высотой над уровнем моря На и углом падения α. Выше по склону, в сторону падения пластов, имеется обнажение другого горизонта В с тем же углом падения. Тогда высотная отметка опорного горизонта А в точке В (на карте) определится по формуле

H_а1 = H_а – L · tg α,

где Н_а – высотная отметка основного горизонта в точке А; L – горизонтальное проложение расстояния между точками А и В (замеряется на карте); α – угол падения пластов.

 

 

Как видно из вышеприведенной формулы, точность определения высотных отметок опорного горизонта при этом методе зависит прежде всего от расстояний между обнажениями. Чтобы избежать существенных погрешностей, интервал между пунктами замера элементов залегания не должен превышать 500 м.

При различных углах падения в соседних обнажениях угол α в расчетах берется равным условно среднеарифметическому между двумя замерами, что также приводит к появлению некоторой ошибки в определении высотных отметок.

Если высота точки выхода верхнего горизонта В также известна, можно воспользоваться другим способом определения высотной отметки основного опорного горизонта в этой точке. Для этого нужно знать глубину его залегания, т. е. расстояние по вертикали, отделяющее основной горизонт от вышележащего на месте выхода последнего (см. pиc. 29). А оно представляет собой вертикальную мощность пластов (или пласта), разделяющих эти два горизонта, и может быть определено из истинной их мощности по формуле

М_в = М_ист/ cosα

Тогда высотная отметка основного опорного горизонта А в точке В на карте будет равна

Н_а1 = Н_в – М_в

или

Н_а1 = Н_в – М_ист / cosα

где М_ист – истинная мощность разделяющей горизонты толщи; Н_в – высотная отметка точки В выхода верхнего горизонта; α – угол падения пластов.

 

После пересчета всех высот на основной маркирующий горизонт абсолютные отметки последнего надписываются на карте около соответствующих точек и можно приступать к составлению структурной карты. Структурная карта строится непосредственно в поле с учетом выбранного сечения стратоизогипс.

Иногда в процессе проведения вышеописанных съемок применяются горные выработки. Они позволяют получать дополнительные точки, когда из-за неравномерной обнаженности пород расстояния между обнажениями оказываются слишком большими. В массовом количестве горные выработки при проведении структурной съемки применяют в условиях слабой обнаженности пород. Здесь они являются основным способом нахождения высотных отметок выбранного опорного горизонта в нужном для построения карты количестве точек наблюдения.

При мощности наносов не более 3 м применяются канавы и шурфы, при большей мощности прибегают к бурению так называемых структурных скважин.

В настоящее время метод построения структурной карты по материалам бурения скважин является наиболее распространенным. В частности, он очень широко используется при съемке на платформах для выявления структур чехла.

Структурные карты широко используются также при подземных эксплуатационных работах, когда продуктивные пласты или рудные тела отрабатываются эксплуатационными выработками: шахтами, штольнями. На отрабатываемых участках отметки кровли-подошвы пласта или контакты рудного тела непрерывно выносятся на погоризонтные планы, и строятся структурные карты одним из описанных ниже методов. По этим точнейшим картам анализируется структура пласта или рудного тела с целью прогноза его дальнейшего поведения. Неточности и небрежности в построении таких структурных карт приводят к тому, что запроектированные штольни и скважины могут не вскрыть рудное тело или залежь.

Кроме отрабатываемых участков структурная карта строится и для всего рудного поля. Для этого используются все материалы по исково-разведочных скважин и штолен, вскрывших рудные тела. Естественно, эта структурная карта менее точна, поэтому она может строиться и в более мелком масштабе, чем эксплуатационная.

Метод построения структурных карт по данным горных выработок и скважин заслуживает поэтому более подробного рассмотрения.

Прежде всего на карту с изображением рельефа в горизонталях наносят все пункты, в которых можно вычислить абсолютные отметки выбранного опорного горизонта. При построении карты по данным буровых скважин из буровых журналов выписывают высотные отметки устьев скважин (их можно снять и с карты) и глубину до опорной поверхности. Вычитая из значения абсолютной высоты устья скважины величину глубины опорного горизонта, получают абсолютную отметку картируемой поверхности, которая может иметь положительное или отрицательное значение.

Все вычисленные отметки проставляются около точек на карте или наложенной на нее кальке. Абсолютная отметка опорной поверхности проставляется как знаменатель дроби, в которой числителем является номер скважины, например:

 

Следует заметить, что при наклонном бурении, а также искривлении скважин на глубине необходимо вносить соответствующие поправки на смещение точки пересечения скважиной опорной поверхности по отношению к устью скважины, а также на изменение абсолютной отметки опорной поверхности.

Помимо данных по скважинам можно воспользоваться, если они имеются, пунктами выхода опорного горизонта на дневную поверхность по долинам рек, в оврагах, искусственных поверхностных горных выработках (карьерах, траншеях и т. д.). В них также определяются абсолютные отметки картируемой поверхности, которые выносятся на карту. На геологических картах подобные точки высотных отметок находят в местах пересечения линии выхода опорного горизонта с изогипсами рельефа.

Иногда для вычисления высот опорных горизонтов могут быть использованы геофизические данные (каротажные диаграммы, кривые электрозондирования при профильных исследованиях, геоэлектрические разрезы и другие имеющиеся у геологов материалы, которые способствуют более надежному выделению и прослеживанию маркирующих горизонтов).

После выноса всех точек с вычисленными отметками маркирующего слоя на карту путем их качественного анализа выясняют общий характер глубинной структуры. При этом приблизительно намечают общее простирание в пределах моноклиналей, положение осевых частей поднятий и прогибов, направление наклона слоев на их крыльях. Для выяснения формы общей структуры необходимо использовать также имеющиеся в распоряжении геологов геофизические карты в изолиниях, составленные для глубинных горизонтов тем или иным методом (карты изоом, сейсмические структурные карты в изонормалях, карты аномалей силы тяжести и др.).

Затем, с целью проведения интерполяций, все имеющиеся на карте точки с высотными отметками соединяют прямыми неперекрещивающимися линиями, из которых образуется сеть треугольников. Желательно, чтобы интерполяционная сеть распределялась равномерно по всей площади картируемого района.

Поскольку возможны различные варианты соединения точек, в некоторых учебных пособиях рекомендуется строить обязательно равносторонние треугольники. На это обстоятельство почему-то обращается особое внимание, хотя выполнение этого чисто формального требования может привести в некоторых случаях к ошибкам.

Правильнее будет соблюдать следующую рекомендацию: получающиеся вспомогательные треугольники должны иметь две стороны, близкие к линии падения картируемой поверхности, а третью – к ее простиранию. Кстати сказать, совсем не обязательно стараться соединять все без исключения точки с единственной целью получения сети треугольников. Чтобы не исказить структуры, нужно придерживаться следующего основного правила: нельзя соединять прямой точки с целью интерполяции, если между ними могут находиться отметки ниже или выше, чем у соединяемых точек. Иначе говоря, эти прямые не должны пересекать осевые линии прогибов и поднятий картируемой поверхности, если они намечаются, т. е. они не должны соединять точки, лежащие на разных крыльях складчатой структуры.

Предполагая, что наклон слоев между каждой парой структурных точек постоянен, на отрезках, их соединяющих, проводят интерполяцию высотных отметок и проставляют точки с промежуточными значениями высот, задавшись определенным сечением стратоизогипс.

Правильный выбор величины сечения между стратоизогипсами при построении структурных карт имеет существенное значение. В общем случае она определяется масштабом карты, количеством и расположением точек определения высотных отметок опорного горизонта, общим характером тектоники района. Так, чем мельче масштаб карты, тем больше должна быть величина сечения стратоизогипс. Сечение стратоизогипс выбирается таким образом, чтобы они позволяли отразить основные особенности в изменении пространственного положения опорной поверхности. Поэтому сечение должно быть меньше, чем амплитуда и площадные размеры структурных форм, которые необходимо изобразить на структурной карте.

Опыт построения структурных карт показывает, что для этих целей в пределах картируемого участка достаточно иметь от 5 до 10 изолиний. Меньшее их количество не может обеспечить надежное выявление всех существенных черт структуры, а большее, не повышая значительно детальности и точности карты, лишь затрудняет восприятие тектонических форм и создает дополнительные технические трудности. Таким образом, для выбора величины сечения стратоизогипс надо сначала найти в пределах участка максимальную и минимальную отметки картируемой поверхности. Их разницу необходимо разделить на число в интервале от 5 до 10. Из серии результатов округлением до величины, кратной 5 или 10 м, выбирают наиболее приемлемое сечение.

Интерполяцию высотных отметок можно производить по-разному, Прежде всего, это так называемый планиметрический способ, основанный на элементарном геометрическом приеме. Допустим, в соседних скважинах 14 и 16 (рис. 30) абсолютные отметки опорной поверхности составляют соответственно 196 и 248 м. Разница между отметками равна 52 м. Если принятое сечение стратоизогипс составляет 10 м, то между скважинами 14 и 16 должны располагаться пять стратоизогипс с отметками 200, 210, 220, 230, 240 м. Требуется, следовательно, на линии, соединяющей скважины 14 и 16, найти точки, через которые пройдут указанные стратоизогипсы.

 

Для этого необходимо разделить прямую 14–16 на отрезки, пропорциональные слагаемым суммы 4+10+10+10+10+8 = 52 м. С этой целью проводим на карте через точку 14 в произвольном направлении (желательно близком к перпендикулярному по отношению линии, соединяющей скважины) вспомогательную прямую mn. На ней откладываем в произвольных единицах, например в миллиметрах, слагаемые вышеуказанной суммы, т. е. 4+10+10+10+10+8 мм. Тогда первая от скважины 14 точка будет отвечать отметке 200 м (196+4), следующая – 210 м (196+4+10), третья – 220 м (196+4+10+10), четвертая – 230 м (196+4+10+10+10), пятая – 240 м (196+4+10+10+10+10), а шестая – 248 м (196+4+10+10+10+10+8). Соединив последнюю точку 248 м на прямой mn со скважиной 16 и проведя параллельно этому отрезку линии через точки, отбитые на вспомогательной прямой mn, до пересечения с линией 14–16, мы разделим эту последнюю в требуемой пропорции. Другими словами, получаем на линии 14–16 пять точек, отвечающих стратоизогипсам 200, 210, 220, 230 и 240 м.

Некоторое неудобство описанного метода, в целом отличающегося простотой, заключается в том, что карта покрывается большим количеством вспомогательных линий, не имеющих прямого отношения к решаемой задаче.

Избежать этого недостатка и облегчить работу по интерполяции позволяет применение специальной высотной палетки (так называемой «высотной арфы»). Она представляет собой вычерченную на кальке или прозрачной пленке сетку, состоящую из пронумерованных параллельных прямых, проведенных на одинаковом друг от друга расстоянии, например через 1 мм.

Палетку накладывают на разбиваемую линию так, чтобы одну из крайних точек с отметкой пересекала нулевая: линия палетки. Затем, не смещая нулевую линию с этой точки, вращают палетку до тех пор, пока с соседней точкой не совпадет линия палетки, имеющая цифровое обозначение, равное разности высот между этими точками. Линиями палетки отрезок между точками будет разделен пропорционально этой разности высот. Точки, соответствующие стратоизогипсам в принятом сечении, находят на отрезке простым отсчетом от исходной точки нужного количества интервалов.

Например, пусть мы имеем точки 2 и 3 с отметками 100 и 20 м (рис. 31). Необходимо путем пропорционального деления найти на отрезке между ними серию точек со значениями, отвечающими сечению стратоизогипс в 10 м. Палетка накладывается так, чтобы линия с отметкой 20 прошла через точку 3, а затем ее вращением совмещаем точку 2 с линией палетки 100, соответствующей высотной отметке этой точки. Тогда отрезок, соединяющий точки 3 и 2, линиями палетки будет разделен на 8 частей, т. е. мы получаем точки с абсолютными высотами опорной поверхности 30, 40, 50, 60, 70, 80 и 90 м.

 

Можно, наконец, положение точек, через которые проходят стратоизогипсы с нужным сечением, определить путем вычислений. Для примера рассмотрим интерполяцию отрезка между скважинами 14 и 18 на рис. 28. Расстояние между ними, измеренное на карте, равно 42 мм. Превышение составляет 28 м (224 м – 196 м). На 1 м превышения приходится, следовательно, 42:28 = 1,5 мм. Стратоизогипса 200 м пересечет линию 14–18 в точке на расстоянии 1,5 мм х 4 = 6 мм от скважины 14. Горизонтали кратные 10 (200, 210, 220) будут разделены интервалами в 15 мм. Расстояние между скважиной 18 (отметка 224 м) и точкой с отметкой 220 м будет равно 1,5 мм х 4 = 6 мм.

Преимущество этого метода, основанного на вычислении, заключается в том, что при его применении карта не загромождается вспомогательными построениями, как это имеет место при первом методе.

Найденные интерполяцией точки с высотными отметками, кратными принятому сечению, соединяют плавными, без резких перегибов, линиями и получают, таким образом, стратоизогипсы структурной карты. Проведение стратоизогипс целесообразно начинать с участков наибольших или наименьших абсолютных отметок. При этом должен выдерживаться принцип параллельности стратоизогипс и подобия фигур, ими вычерчиваемых. Если при протягивании стратоизогипс получаются не согласованные с общим простиранием структур мысообразные или заливообразные формы, то следует проверить правильность интерполяций другими вариантами соединения точек высотных отметок.

Стратоизогипсы картируемой поверхности подписываются в соответствии с их высотами (они могут быть положительными и отрицательными). Для обозначения направления наклона структурной поверхности на изогипсах иногда показывают штрихи, направленные в сторону снижения высот. Для облегчения счета стратоизогипсы, кратные большим величинам (например, кратные 100 при сечении через 20 м или кратные 50 при сечении через 10 м), рекомендуется проводить более толстыми линиями.

В случае, если на структурной карте выделяется участок, где размыт опорный горизонт, изобразить это на карте можно двумя способами. Во-первых, в пределах такого участка размытая часть разреза восстанавливается путем наращивания соответствующих отложений (зная их мощность на соседних участках) и вычисления их абсолютных отметок. Далее, между полученными этим путем отметками производится интерполяция и проводятся так называемые воздушные стратоизогипсы, которые обычно выделяют пунктиром.

В другом случае, если для наращивания разреза мало данных, на карте очерчивается и заштриховывается (закрашивается) район, где размыт опорный горизонт, и стратоизогипсы доводятся только до контура размыва.

При построении структурных карт стратиграфических поверхностей обязательно должна учитываться возможность их расчленения разрывными нарушениями. В этих случаях интерполяция между точками замеров, находящимися в разных блоках, недопустима. Стратоизогипсы строятся отдельно для каждого тектонического блока и прерываются в точках их пересечения с разрывными нарушениями.