Изучение условий залегания геологических тел на обнажениях

 

Элементы залегания

В большинстве случаев поверхности напластования и другие геологические границы (поверхности несогласий, сместители дизъюнктивов и др.) из-за большого радиуса кривизны представляются на небольших по размерам участках плоскими. Поэтому при определении элементов залегания их рассматривают как плоскости. Эта условность удовлетворяет практические нужды геологии, горнодобывающей промышленности, в том числе поиски и разведку нефти и газа.

Элементами залегания называют линию простирания, линию падения и угол падения. Положение плоскости в пространстве может быть определено, если известны положения двух принадлежащих ей линий.

Линия простирания - горизонтальная линия, лежащая в изучаемой плоскости и проходящая через точку определения элементов залегания. При наклонном залегании она для данной точки единственная, при горизонтальном залегании их бесконечное множество. Найти линию простирания при наклонном залегании можно с помощью приложенного к плоскости горного компаса, отвес клинометра которого должен указывать на 0°. Положение линии простирания определяется ее азимутом, измеряемым горным компасом.

Линия падения - линия, лежащая в определяемой плоскости и перпендикулярная к линии простирания. Положение линии простирания определяется азимутом ее горизонтальной проекции, называемой линией направления падения. Линия направления падения не включается в число элементов залегания.

Угол падения - максимальный угол в данной точке между изучаемой и горизонтальной плоскостью. Следовательно, угол падения есть угол между линией падения и линией направления падения в той же точке. Угол падения измеряется клинометром горного компаса.

Определение элементов залегания следует производить на ровной площадке. При мелких неровностях на этой поверхности на нее кладут кусок фанеры, плотного картона или полевую книжку (последнее менее желательно, так как ведет к порче полевой книжки). В полевой книжке сведения об определении элементов залегания записываются в следующем виде: азимут линии направления падения и угол падения. Например, СВ 48—7, что означает азимут СВ 48, угол падения 7°. Знак градусов обычно при полевой записи опускается. На карте элементы залегания обозначаются значком, проставляемым у места определения элементов залегания. При вычерчивании знака следует следить, чтобы черта, обозначающая линию простирания, была больше черты, указывающей направление падения.

Чаще всего геологам приходится иметь дело с линиями поверхностей пластов на стенках обнажений или карьеров. В этих случаях применяется следующий способ измерения элементов залегания пласта, который детально описан А.Е. Михайловым (1973) и В.Н. Павлиновым (1979). На каждой из стенок обнажения находим видимое падение плоскости слоев, которое имеет вид лучей, сходящихся (расходящихся) из точки В. Для вычисления истинных элементов залегания по видимым падениям необходимо измерить азимуты простирания смежных стенок с помощью горного компаса (b₁ и b₂) и видимые углы падения плоскости измеряемой поверхности пласта на этих стенках (a₁ и a₂). На пересечении этой плоскости в обнажении с горизонтальной плоскостью на некоторой вышине получим точки А и Б на одной и другой стенках обнажения. Воображаемая линия АБ соответствует линии простирания кровли исследуемого пласта, а перпендикуляр к ней, проведенный из точки В к точке К является линией падения пласта, которая с проекцией на горизонтальную плоскость ОК образует действительный угол падения пласта РВКО. Линии АБ (линия простирания кровли пласта), ОБ (линия простирания одной стенки обнажения) и ОА (линия простирания другой стенки обнажения) образуют стороны треугольника в основании пирамиды. Стороны пирамиды образованы выходами пласта на двух стенках обнажения, треугольники АОВ и БОВ, и воображаемой плоскостью кровли пласта АВБ. Линия истинного падения кровли пласта ВК, перпендикулярна линии ее простирания АБ, разделяет треугольник АВБ на два прямоугольных треугольника АКВ и БКВ. Высотой пирамиды является ребро ОВ, перпендикулярное горизонтальному основанию АОБ.

Чтобы определить количественные показатели элементов залегания исследуемого пласта: азимуты его простирания и падения, угол падения, нужно разложить на плоскости элементы прямоугольной пирамиды АОБВ. Разрежем прямоугольную пирамиду АОБВ по боковым ребрам и разложим ее грани АОВ и БОВ (как прямоугольные треугольники) шарнирно-горизонтально, т.е. на одну плоскость с треугольником АОБ основания пирамиды таким образом, чтобы лучи ОБ и ОА соответствовали азимутам простирания стенок обнажения (рис. ). Прямоугольный треугольник КОВ также разложим на горизонтальной плоскости. Во всех треугольниках катеты при вершине ОВ₁, ОВ₂, и ОВ₃ будут иметь одинаковую величину и попадут на окружность с радиусом ОВ. Углы ОБВ₁ (a₁) и ОАВ₂ (a₂) будут соответственно углами видимого падения плоскости на стенках обнажения, а угол ОКВ₃ (a) - истинным углом падения исследуемой плоскости (кровли пласта). Линия АБ является линией простирания этой плоскости, а перпендикулярная ей линия ОК - проекцией линии падения на горизонтальную плоскость. Сориентировав развернутую фигуру пирамиды по сторонам света, на графике можно легко определить транспортиром или компасом истинный угол падения, а также азимуты падения и простирания плоскости слоя от северного направления меридиана.

Такими же вспомогательными графическими построения можно решить и обратную задачу определения видимых углов падения по известному истинному азимуту падения и углу падения, а также по данным истинного падения - направления (азимут), в котором структурная плоскость (слой) будет иметь тот или иной заданный видимый угол падения.

При пологих углах падения менее 5⁰, как это имеет место во многих участках полигона практики, точность замеров горным компасом снижается и необходимо прибегать к другим способам определения элементов залегания. Из них можно рекомендовать пользоваться способом трех точек. На геологической граничной поверхности, которую в этом случае также считают (аппроксимируют) плоскостью, выбирают три точки, не лежащие на одной прямой (удобно, если они окажутся вершинами равностороннего треугольника). Для каждой из этих точек определяют их относительные высоты. На практике это можно сделать по топоснове или нивелированием с помощью горного компаса. Тогда определяют превышение двух точек над третьей (обычно она наинизшая), высоту которой считают равной нулю. Использование для определения планового и высотного положения исходных точек геофизических инструментов повышает точность работы. Все точки наносятся на план, и около каждой из них подписывается высотная отметка. Далее строится структурная карта, изогипсы которой служат линиями простирания. Азимуты линий простирания и падения определяются транспортиром. Угол падения определяется графическим построением геологического разреза с учетом масштаба построенной карты. Построение необходимо выполнять без превышения вертикального масштаба над горизонтальным. В таком случае угол падения измеряется на профиле транспортиром.

Этим же способом можно пользоваться для определения элементов залегания по геологическим картам и аэрофотоснимкам. На карте или снимке находим пластовую фигуру, образованную интересующей нас границей. На фигуре выбираем три точки и определяем их высоты. На карте это делается по горизонталям топосновы, на аэрофотоснимке - с помощью параллаксометра. Дальнейшее построение известно по изложению способа трех точек.

Элементы залегания слоя можно определить в случае, когда на паверхность выходят хотя бы три точки структурной плоскости. Это делается аналогично описанному выше способу определения элементов залегания пластов на обнажениях. Сначала выбирается точка выхода слоя на поверхность с наивысшей гипсометрической отметкой. От нее измераются два азимута (линии ВА и ВБ) видимых направлений падения слоя в направлении на две другие точки выхода слоя А и Б. Затем визированием из точки В в точки А и Б при помощи клинометра определяем углы видимых падений плоскости слоя. Определить  азимуты двух направлений и углы видимого падения можно и из нижних по склону рельефа точек выхода структурной плоскости слоя. Графическое определение истинного залегания плоскости делается также как и при определении элементов залегания по данным двух стенок выработки или обнажения.

Работа с горным компасом в полевых условиях

В случаях, когда кровля слоя находится на поверхности, параметры элементов залегания пласта измеряются следующим образом. Для определения азимутов простирания слоя к поверхности пласта прикладывают горный компас длинной стороной с линейкой, приводят уровень на компасе в горизонтальное положение и снимают значение на лимбе по северному концу магнитной стрелки (обычно голубого цвета) после ослабления ее фиксации.

Для определения азимута падения слоя к нему прикладывают горный компас короткой стороной, направляя отметку “север” на компасе в сторону линии падения слоя, приводят уровень на компасе в горизонтальное положение и после разориентации магнитной стрелки (отпускание фиксатора стрелки) снимают значение на лимбе. Определить азимут падения слоя можно и простыми подсчетами, когда известен азимут простирания слоя. Азимут падения пласта отличается от азимута простирания на 90⁰ (плюс или минус в зависимости от направления падения слоя). Чтобы получить значение азимута падения слоя, зная азимут его простирания, нужно прибавить к значению азимута простирания 90⁰, если слой падает в восточном направлении, или отнять 90⁰, если падение имеет обратное направление (на запад).

Для определения угла падения слоя в горном компасе укреплен отвес (клинометр) с делениями от 0⁰ да 90⁰. Им пользуются только после того, как зафиксирована магнитная стрелка. Горный компас прикладывается стороной, где находится клинометр, к линии падения слоя, нажимается кнопка для расфиксирования отвеса, определяется угол падения по показанию отвеса.

Замеры и вычисления мощностей

Мощностью называют расстояние между подошвой и кровлей слоя или другого геологического тела. Принято выделять следующие виды мощностей: истинную (или толщину), вертикальную и горизонтальную.

Истинная мощность (М_и) - кратчайшее расстояние между подошвой и кровлей слоя или другого геологического тела плоской формы, ее называют толщиной слоя, пачки, толщи и т. д., которая является наименьшей из всех видов мощностей. Это важнейшая метрическая характеристика всякого геологического тела осадочного происхождения, отражающая не только его современное состояние, но и несущая информацию о его прошлом. При изучении пунктов геологических наблюдений следует обязательно определять М_и не только полностью обнаженных слоев, но и частично вскрытых, оценивая величину задернованной или покрытой осыпью части мощности непосредственно на месте. В противном случае работа геолога значительно обесценивается, невозможно построение геологических колонок и других выводов, основанных на измерении мощностей.

В случае если геологическое тело имеет вытянутую чечевицеобразную форму, то мощность замеряется дважды: один раз перпендикулярно к подошве - М₁, второй раз к кровле - М₂.

М_и= (М₁+М₂)/2.

Вертикальная мощность (М_в) - расстояние между подошвой и кровлей слоя или другого плоского геологического тела по верти­кали. Знание М_в бывает необходимо для вычисления М_и = М_в cosa, где a - угол падения, при построении структурных карт для вычисления приведенных глубин (ПГ) пересчетом с одного марки­рующего горизонта на другой, включая способ схождения.

Анализ приве­денной формулы зависимости М_и от М_в и a позволяет установить случай, когда М_и практически равна М_в или близка к ней. При угле  падения a = 15 °, cosa = 0,966, при мень­ших значениях он еще ближе к 1. При углах падения меньше 15° можно считать М_и = М_в. Однако это допустимо при малых мощностях, так как уже при угле падения a =15° М_в - М_и = 3,2%. Это значение в процентах невелико, но при больших значениях М_в разность М_в - М_и в абсолютных значениях величин будет существенной: при М_в = 100 м М_в - М_и = 3,2 м, при 1000 м - 32 м, что может оказаться существенным при расчетах глубин скважин и горных выработок.

При составлении геологических карт и других геологических документов по материалам съемок можно для взаимозамены М_в и М_и воспользоваться табл. 7, показывающей при каких масштабах съемки можно считать, что М_и = М_в.

Непосредственное измерение мощностей на пунктах геологических наблюдений производится мерной лентой, рулеткой, складным метром, линейкой, рукояткой молотка с заранее нанесенными делениями. Вначале необходимо измерять общую величину выхода всех обнажающихся слоев и других геологических тел и только после этого делать замеры мощностей отдельных слоев, пачек и т.д. Это поможет избежать ошибок, при которых М_общая не равна сумме мощностей М₁+ +М₂+М₃+ ... + М_n.

В случае, если непосредственные измерения невозможны, сле­дует воспользоваться способом Фролова. Знание его необходимо для геологов нефтегазовой специальности, так как он может быть использован при решении многих задач при поисках и разведке нефти и газа.

М_и == ±L sina • cosj ± b cosa ,

где L - горизонтальное расстояние между двумя точками, одна из которых лежит на кровле, а другая расположена на подошве слоя или другого геологического тела, М_и которого требуется определить; j - угол между направлением линии падения и направлением замера L; b - превышение точек на концах L одна над другой. Все исходные данные, исключая элементы залегания, могут быть определены по карте. Выбор знаков в формуле Фролова: если слои или другое геологическое тело падает в сторону, обратную наклону склона, то все произведения берутся со знаком “+”. В случае совпадения падения слоя и наклона рельефа из большего произведения вычитается меньшее.

↑ Согласное и несогласное залегание

Согласное залегание является следствием непрерывного на­копления осадков поверхности, в котором смежные соли при со­гласном залегании контактируют друг с другом. Поверхности, по которым смежные слои соприкасаются друг с другом, не, являются ровными плоскостями даже в случае моно­клинального их залегания. Переход одного слоя в другой не всегда бывает резким. При постепенном переходе одного слоя (одного типа породы) в другой граница между слоями проводится условно. Постепенный переход одной породы в другую - явный признак согласного залегания.

В отличие от согласного залегания слоев, являющегося следствием непрерывного накопления осадков, несогласные залегания отображают различные по длительности перерывы в осадконакоплении.

При несогласном залегании отложений необходимо охарактеризовать условия залегания пород под и над поверхностью несогласия, саму поверхность несогласия.

Поверхность несогласия в отдельных случаях может быть выражена очень резко, в других она едва заметна. Это зависит от длительности перерыва, наземных или подводных условий. На поверхности несогласия часто фиксируются неровности различного характера и масштаба, отмечаются следы процессов древнего выветривания, растрескивания (если перерыв происходил в континентальных условиях), следы обитания различных организмов и т. д.

Выделяют параллельные и угловые несогласия. При параллельных несогласиях углы залегания пород под поверхностью несогласия и над ней не изменяются. Если слои или пачки залегают параллельно между собой, несогласие устанавливается по выпадению отдельных горизонтов, слоев, что находит фаунистическое подтверждение и часто выражено в резкой смене литологического состава пород.

Параллельное несогласие может быть скрытым в том случае, если поверхность несогласия выражена слабо и перерыв в осадконакоплении произошел внутри однообразной в литологическом отношении толщи. Такое несогласие устанавливается только путем детального исследования палеонтологических остатков и изменения петрографического состава пород.

При угловых несогласиях фиксируются различные углы залегания пород под поверхностью несогласия и над ней. Обычно более древние дислоцированные отложения перекрываются серией более молодых осадков.

Если несогласно залегающие отложения имеют различное простирание, то такое несогласие называется азимутальным.

↑ Дислокации

Деформацией в геологии называют любое изменение первоначального залегания любых геологических тел. Дислокации разделяются на пликативные - без нарушения сплошности первоначальных геологических тел и дизъюнктивные - с нарушением их сплошности, с разделением первоначальных тел на более мелкие. Дислокации часто контролируют скопления различных полезных ископаемых. Особенно важно изучение дислокации при поисках скоплений нефти и газа, которые часто приурочены к определенным типам деформаций - антиклиналям, зонам трещиноватости и др.

Среди пликативных дислокаций по их контурам на различных геологических картах различают незамкнутые, полузамкнутые и замкнутые. К незамкнутым пликативным дислокациям относятся моноклинали и флексуры. Моноклиналь (от греческого слова “монос” - один, единственный и “клинос” - наклонять) - пликативная односклонная дислокация с постоянными, одинаковыми элементами залегания во всех своих точках. Седиментационные геологические границы в случае моноклинального залегания геологических тел представляют плоскости. В природе, в том числе и в районе практики, они широко распространены отдельными небольшими участками.

Флексура (изгиб, перегиб, складка) - участок более крутого залегания слоев на односклонной дислокации или ступенеобразный изгиб на фоне их горизонтального залегания. Флексуру часто определяют как коленообразный изгиб, иногда переходящий в сброс.

Полузамкнутые дислокации: структурные носы и структурные террасы. Структурный нос (полуантиклиналь или гемиантиклиналь) - участок более пологий, чем региональное падение слоев, которое он осложняет. Простирание линии перегиба слоев (оси) направлено по направлению падения слоев. У структурного носа его длина по оси превышает ширину. Структурный нос имеет одну периклиналь (место смыкания слоев, образующих выпуклую складку), другой его край не замкнут и сливается с региональ­ным наклоном слоев. Полузамкнутая пликативная дислокация, которая вытянута вдоль простирания регионального наклона (дли­на много меньше ширины), называется структурной террасой.

Замкнутые дислокации антиклинали и синклинали бывают различных размеров, от очень мелких до очень крупных (до десятков и сотен километров). В пределах района практики имеются небольшие антиклинали и синклинали, размеры которых редко превышают первые метры и часто измеряются в сантиметрах. Для обучающихся они интересны как природные модели крупных складок.

При описании антиклиналей и синклиналей указываются направление простирания их осей, линейные размеры (длина и ширина), полная и частичная амлитуды, а также углы падения в различных точках крыльев и других частей складок. На основании этих данных делается заключение о форме складки: линейная, куполовидная (чашевидная), брахискладка.

Разрывные нарушения или дизъюнктивы - различные разрывы сплошности существовавших до этого геологических тел с образованием в результате такого дробления более мелких тел и перемещением их относительно друг друга. Вновь образованные тела, когда их рассматривают как части дизъюнктива, называются крыльями или блоками. Поверхность, по которой произошло перемещение крыльев (блоков), называют сместителем, форма его может быть почти плоской или сложной.

По отношению к сместителю различают лежачее и висячее крылья. Лежачим называют крыло (блок), располагающееся под поверхностью сместителя, висячим - находящееся над сместителем. Помнить эти определения необходимо для различия типов дизъюнктивов. Среди дизъюнктивов выделяются сбросы, взбросы, надвиги, сдвиги, раздвиги и др., у которых величины смещения крыльев могут быть от нескольких миллиметров до сотен километров.

В районе практики больших дизъюнктивов не обнаружено, установленные здесь разрывные нарушения относятся к микродислокациям, их амплитуды измеряются сантиметрами. Многие исследователи такого рода дизъюнктивы с амплитудой смещения до 1 м относят к трещинам. Однако микродислокации, развитые в районе практики, являются превосходными моделями крупных дислокаций. Из всего множества дизъюнктивов рассмотрим только сбросы и взбросы.

Сбросы - разрывные нарушения с опущенным висячим крылом. Сместитель сброса - сбрасыватель - может быть вертикальным или наклонным. При наклонном сместителе одноименные геологические границы доразломного тела расходятся, при пересечении сбрасывателя наклонного сброса наблюдается выпадение из разреза части слоя или нескольких слоев или даже пачек и толщ.

Сбросы могут образовывать ступенчатые системы, или ступенчатые сбросы, имеют почти параллельные сбрасыватели, а крылья последовательно опущены одно относительно другого.

Со сбросами (реже взбросами) связано образование грабенов и горстов: грабен - опущенный блок между двумя (или больше) дизъюнктивами; горст - поднятый блок, ограниченный двумя (или больше) дизъюнктивами.

Взбросы - дизъюнктивные дислокации с поднятым висячим крылом, которое частично перекрывает лежачее. Если угол падения сместителя меньше 45 °. но больше 10 °, то такую дислокацию с перекрытым висячим крылом (аллохтон) лежачего (автохтон) называют надвигом.

При изучении дизъюнктивов фиксируют: а) элементы залега­ния сместителя, которые определяются теми же способами, что и элементы залегания слоя; б) полную амплитуду смещения - расстояние вдоль сместителя между бывшими ранее смежными точками, расположенными на разных крыльях дизъюнктива; в) амплитуду смещения вертикальную - проекцию полной амплитуды на вертикальную плоскость; г) амплитуду смещения горизонтальную, представляющую проекцию полной амплитуды на горизонтальную плоскость.

↑ Первичное негоризонтальное залегание и ложные падения

Толщи осадочных пород с незначительными углами падения (обычно до 1⁰) относятся к горизонтально залегающим. Еще до образования осадочных пород, осадок, из которых они возникают в результате диагенеза, располагается на наклонных поверхностях прибрежных равнин, дна шельфовых зон морей. Так как чаще всего наклон этих поверхностей не превышает 15', то считается, что первичное залегание осадочных пород в большинстве случаев почти горизонтальное.

Первичное негоризонтальное залегание с заметным наклоном (несколько градусов) характерно для пород, образующихся на континентальном склоне или на поверхностях подводных возвышенностей в шельфовых зонах, для турбидитов, образованных плохо отсортированными отложениями мутьевых потоков, способных переносить песок, гальку и даже небольшие валуны далеко от береговой линии за пределы шельфовой зоны.

Первичное залегание осадочных пород в последующей их истории, как правило, нарушается тектоническими движениями, которые приводят к их наклону, а также к образованию в них складок и разрывных смещений.

Истинные условия залегания слоев в отдельных случаях могут нарушаться и маскироваться ложными падениями - изменением элементов залегания слоев под влиянием поверхностных факторов и гравитационных сил. Ложные падения могут быть на склонах понижений в рельефе земной поверхности и выражаются наклоном отдельных блоков в сторону склона.

↑ Изучение трещиноватости горных пород на обнажениях

Геолог во время работы на обнажениях и других пунктах полевых наблюдений должен уделить внимание изучению трещиноватости горных пород и собрать материалы, позволяющие судить о: 1 - трещиноватости и падениях поверхностей трещин (определяются горным компасом); 2 - раскрытости (зиянии) и закрытости; 3 - характере закрытости, которая может иметь характер контактного прилегания блоков без цемента и с заполнением цементом (установить минеральный состав цемента); 4 - соотношении трещин с простиранием слоев на пунктах наблюдений; 5 — происхождении и времени образования трещин различных простираний.

Запись результатов полевого изучения трещиноватости в данном слое следует помещать после его описания. В условиях практики наблюдения за трещиноватостью осуществляются на всех изучаемых обнажениях и, кроме того, выбираются специально с этой целью отдельные площадки, на которых для каждой разновидности горных пород (по слоям) производится не менее 100 замеров.

Работают съемочными звеньями (на звено два пункта). Начальник съемочного отряда обеспечивает равномерность размещения пунктов изучения трещиноватости участка, начальник полевой партии следит за охватом этим видом исследования всей площади работ данной партии. Соблюдение этих условий обеспечивает составление карт трещиноватости.