褶皺正交剖面的計算機輔助編繪.docx

1、第34卷第10期合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)VoL34No.102011年10月JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYOct.2011Doi：10.3969/j.issn,1003-5060.2011.10.021褶皺正交剖面的計算機輔助編繪劉國生。劉煥玉2,劉亞東I黃磊I翁新鎮(zhèn)'，宋彥臣I(1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽合肥230009；2.山東省城鄉(xiāng)建設勘查院.山東濟南250031)摘要:文章以巢湖市北部山區(qū)平頂山向斜為例，通過詳細的野外調查，在進行精準的地質構造填圖的基礎上,對繪制正交剖面的過程進行了概括并提出了計算機輔助編繪褶皺正交

2、剖面的方法，其結果與手工繪制的正交削面進行比較，結果吻合.該法在保證精度的前提下提高了效率,為相關褶皺構造研究和實際應用提供了參考。關鍵詞：裙皺構造;正交剖面I計算機輔助作圖;平頂山向斜;巢湖北部山區(qū)中圖分類號：P542.2;TP391.72文獻標識碼:A文章編號：1003-5060(2011)10-1532-04Computer-aideddrawingoffoldorthogonalprofileLIUGuo-sheng1,LIUHuan-yu2LIUYa-dong1,HUANGLei1,WENGXin-zhen1,SONGYan-chen1(1.SchoolofResourcesandE

3、nvironmentalEngineering.HefeiUniversityofTechnologyHefei230009>China;2.ShandongFrovincialInvestigationandSurveyingInstituteofUrbanandRuralConstruction.Jinan250031.China)Abstract：Inthispaper,thePingdingshansynclineinthenorthernmountainousareaofChaohuistakenasanexample,andthedrawingprocessoforthc垠o

4、nalprofileissummarizedbasedonthedetailedfieldinvestigationsandaccuratemappingofgeologicalstructure.Thenthecomputeraideddrawingmethodforfoldorthogonalprofileisproposed.Thecomparisonbetweenhand-drawnorthogonalprofilesandcomputeraidedonesshowsgoodagreement.Theproposedmethodcanimprovethedrawingefficienc

5、yonthepremiseoftherequiredaccuracy,andprovidesareferencefortherelatedresearchandapplicationoffoldstructure.Keywords:foldstructure；orthogonalprofile；computer-aideddrawing；Pingdingshansyncline；northernmountainousareaofChaohu收犧日期：2010-07-20;修回日期：201009-10慕金項目：國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助項目（J0830522）,國家自然科學基金資助項目（411

6、72187）；合肥工業(yè)大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目（2OO9CXSY18O和中國地質調查局地質調育資助項目（1212011121096）作者簡介:劉國生（1957-）,男，河北邢臺人，博七，合肥工業(yè)大學教授，碩士生導航.褶皺是構造地質學研究的重要對象，只有清楚地認識了褚皺的幾何形態(tài)特征、空間變化及分布規(guī)律，才有可能進行物理模擬或數(shù)學模擬，研究它們的形成機制。褚皺幾何學是構造地質學中一個古典的研究領域,在文獻1對包括精皺在內的構造的兒何學研究方法進行了綜述。隨著學科的發(fā)展，對摺皺的幾何學研究也在不斷深入，研究褶皺構造的新理論和新方法不斷出現(xiàn),如文獻2提出了基于二次Bezier曲線的褶皺形態(tài)分

7、析，文獻3使用MATLAB程序對褶皺進行形狀分類，文獻4對褶皺兒何學研究中的一些進展進行了概括和總結。這些研究成果多數(shù)是基于平面上的分析，而褶皺正交剖面正是褶皺構造解析的基礎,但由于多方面的因素，在對自然褚皺的研究中，正交剖面的應用并不廣泛。本文選擇有著一定研究程度的巢湖北部山區(qū)，以巢湖市北部山區(qū)平頂山向斜為例，對褶皺正交剖面的繪圖方法進行了討論,概括了編繪褶皺正交剖面的一般程序，提出了應用計算機輔助作圖的方法,以期達到將新理論應用到實際中的目的。1褶皺正交剖面的制圖原理褶皺的幾何形態(tài)可以由它的平面圖和剖面圖反應出來，研究褶皺的文章一般都附有鉛直或橫剖面圖（crosssection）,這種剖面

8、表示的構造一般是在垂直于褶皺樞紐總體走向上選取的鉛直剖面中的外貌。在褶皺變形較為簡單和樞紐較平緩的地區(qū)，鉛直剖面能夠很好地表現(xiàn)構造，但在褶皺樞紐非近水平、特別是樞紐高角度傾伏的夏雜褶皺地區(qū)，繪制鉛直剖面,則不能夠正確、全面認識褶皺構造形態(tài),甚至會形成錯誤印象們,這時正交剖面就顯示出它的優(yōu)勢。正交剖面是與褶皺樞紐相垂直的剖面，它能夠表示出褶皺的其實形態(tài)，包括正確的翼間角、褶皺層曲率以及褶皺巖層厚度的變化等。編繪褶皺正交剖面的前提是褶皺可以視為圓柱狀或次圓柱狀，自然界中的褶皺一般較為復雜,很少有嚴格意義上的圓柱狀褶皺，通過實踐，可以將褶皺劃分為若干個區(qū)段，在每一區(qū)段內，褶皺可以視為圓柱狀的。圓柱狀

9、褶皺在水平面、鉛直剖面和正交剖面上存在著一定的空間關系，如圖1所示。圖1福皺平面與剖面之間的空間關系圖1中A為平面圖,B是鉛直剖面,C為正交剖面以為樞紐傾伏角。當褶皺傾伏，樞紐傾伏角為p時，平面圖上1:1的網(wǎng)格轉換到鉛直剖面上變?yōu)?:tan°,轉換到正交剖面上則變?yōu)?:sinp。褶皺正交剖面的作圖正是應用了水平面與正交剖呵之間的兒何關系，即將水平地質圖沿樞紐傾伏方向按sinp的比例壓縮。特殊地，當樞紐水平時,正交剖面相當于鉛直剖面；當樞紐直立時，正交剖面與水平面相同。曾有學者提出，可以通過褶皺的鉛直剖面得出正交剖面，筆者認為，在缺少鉆孔資料的條件下，這樣得出的正交剖面并不精確。平面圖

10、與鉛直剖面圖都需要投繪產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，平面圖投繪的是巖層的走向，圓柱狀褶皺中,在沿走向上產(chǎn)狀變化最小;而鉛直剖面投繪的是巖層的傾角，是圓柱狀褶皺產(chǎn)狀變化最大的方向，因此，由平面地質圖作出的正交剖面更為精確。2計算機輔助編繪正交剖面的方法傳統(tǒng)上較為常用的編繪褶皺正交剖面的方法是利用方格網(wǎng)來手繪。這種方法只介紹了如何將一段樞紐產(chǎn)狀已知的褶皺平面圖繪制為正交剖面圖，但并未對從野外地質調查到繪制正交剖面的全過程進行總結,而且手繪較麻煩,編繪的準確程度受人為因素的影響也較大。筆者通過對編繪巢湖北部山區(qū)褶皺正交剖面的大量嘗試,概括出一套利用計算機輔助編繪正交剖面的一般程序。（1）野外數(shù)據(jù)采集與地質填圖。野外工作

11、人員經(jīng)過踏勘，要對褶皺的形態(tài)有一個正確的認識,并且盡可能多地測量褶皺層的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。另外，地質圖要求繪制準確，因為這是編繪正交剖面圖的基礎。（2）利用計算機將地質圖矢信化。筆者使用的矢量化繪圖軟件為Adobeillustrator0（3）在野外實地調查的基礎上，根據(jù)褶皺樞紐產(chǎn)狀的變化，將褶皺劃分為若干個區(qū)段，在每個區(qū)段內褶皺可視為圓柱狀或次圓柱狀。（4）將褶皺層的產(chǎn)狀在吳氏網(wǎng)上進行投繪（可使用相關軟件），得到層面極點圖，繪出圓，然后觀察是否有90%以上的點落入k圓兩側10°或20°范圍內，若落在10°范圍內為圓柱狀褶皺,若落入20°范圍內則為次國柱狀褶皺。

12、這里需要強調一下，為了保證投影的準確，投繪的產(chǎn)狀應該來源于褶皺兩翼對應層位。（5）讀出吳氏網(wǎng)中目軸產(chǎn)狀，即可視為褶皺樞紐的產(chǎn)狀。（6）在矢量圖中將本區(qū)段褶皺面的輪廓選中,并逆時針旋轉，旋轉的角度等于樞紐傾伏向的度數(shù)，此時得到一幅沿傾伏方向觀察的褶皺地質圖。（7）將旋轉后的地質圖在縱向（即傾伏方向）上壓縮，壓縮的比例等于樞紐傾伏角的正弦值，橫向上比例不變。經(jīng)過如上操作，就繪出了一幅沿褶皺傾伏方向下視的正交剖面圖。上述方法是以地形平坦為前提的,如果地形起伏較大時，應根據(jù)地形等高線進行校正,具體步驟可參見文獻1。另外，在樞紐傾伏向不變，傾伏角逐漸變化的地區(qū)，可以分區(qū)段制圖之后,將各區(qū)段的正交剖面連接

13、起來構成一幅整體上的近似的正交剖面圖。3褶皺正交剖面計算機輔助編繪實例3.1巢湖平頂山向斜石炭系褶皺層正交剖面下面以巢湖北部山區(qū)平頂山向斜石炭系（C）轉折端為例,對上述方法進行應用。平頂山向斜石炭系（C）轉折端出露于巢北向核山，地勢高差較小,地形基本平坦，轉折端較為清晰。通過野外調查繪制了本段的地質圖，如圖2所示，并將野外測得的產(chǎn)狀投繪為層面極點圖，如圖3所示，其中”為極點數(shù)。由圖3可見層面極點有90%以上都處于n圓兩側10°范圍內，因此本段可視為圓柱狀褶皺.讀出軸產(chǎn)狀為218°匕20°。M79血0505器79w再81m第四系m-#系En炭系口泥盆系囪志留系曰正斷

14、層N平移斷層曰推測斷層巨巖層產(chǎn)狀圖2炭湖北部山區(qū)平頂山向斜石炭系轉折蜩地質圖在Adobeillustrator中,將本段石炭系（C）的輪廓線選中，逆時針旋轉218°,然后縱向上按sin20°=0.34的比例進行壓縮，即可得到本段沿傾伏方向下視的褶皺正交剖面，如圖4所示。3.2與手工繪制的正交剖面比較在前期對研究區(qū)平頂山向斜的研究中，采用傳統(tǒng)上的手工繪圖方法，得到平頂山向斜石炭系褶皺層的正交剖面，如圖5所示，獲得石炭系（C）褶皺層的等傾斜線均向內弧收斂，內弧曲率大于外弧曲率，屬于Ramsay分類中的1類褶皺。對比本文由計算機輔助編繪出的平頂山向斜石炭系褶皺層正交剖面（圖4）,

15、兩者吻合一致，反映出該方法是可行的。圖5平頂山向斜正交割面的手工饗圖（逆樞紐傾伏方向）4正交剖面在褶皺研究中的作用和意義褶皺的兒何研究一般在輪廓平面上，通過褶皺層厚度的變化進行分析婦。得到褶皺的正交剖面之后，即可對褶皺層進行兒何分析，最基本的就是作等傾斜線，進行Ramsay分類務七Ramsay分類是對單個褶皺進行幾何學分析的一個優(yōu)秀工具，并旦是在特定情況下研究褶皺機械運動所必不可少的。文獻3,9-10分別對Ramsay分類進行了改進和細化，文獻11還將Ramsay分類方法延伸到多層的褶皺層的分類h0在Ram-say分類的基礎上，還可以做出妃曲線匕，曲線在一定程度上反映了褶皺的應變特征。文獻12

16、建議用立體Bezier曲度來匹配和分級褶皺面輪廓;文獻13則通過在一個平面上以不同角來切割一個圓錐體所得到的曲線來描述褶皺;文獻14提出了對于壓扁平行褶皺的一種快速應變估計方法；文獻15提出了同心褶皺的應變測定方法;文獻16提出從褶皺形狀估計應變和能干性對比等等。上述成果,都是在垂直于褶皺樞紐方向的剖面匕進行的，可見褶皺正交剖面在褶皺兒何學分析中是十分重要的。5結束語褶皺幾何學研究是褶皺運動學研究的基礎，而正交剖面在褶皺兒何學中乂有著重要的地位和作用。本文對從野外地質調查到繪制正交剖面的程序進行了概括，提出了利用計算機輔助編繪褶皺正交剖面的方法，并以巢湖北部山區(qū)褶皺平頂山向斜為例進行了分析，其

17、結果與手工繪制的正交剖面進行了比較，結果吻合。實踐檢驗表明，該法在保證精度的前提下提高了效率,該方法對將褶皺凡何學研究的新成果應用于實際中有一定的促進作用。參考文獻1RaganDM.構造地質學:幾何方法導論M.鄧海泉，譯.北京:地質出版社，1984：8291.2LiuC.ZhangY.WangY.AnalysisofcompletefoldshapebasedonquadraticBeziercurves。.JournalofStructuralGeology,2009,31,575-581.3jIJsleRJ»b'emandczMartinezJL.Bobillo-Ares

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19、9.6RamsayJG,HuberMI.現(xiàn)代構造地質學方法，第2卷部皺和斷裂M.徐樹桐，陳冠寶,江來利，等，譯.北京:地質出版社.1991,41-77.7王頌禹.地質構造形恣定怯研究初探J.同濟大學學報：自然科學版.1988,16(1):65-72.8 RamsayJG.巖石的褶皺作用和斷裂作用M.單文瑯，宋鴻林，樗蔚呂,譯.北京:地殖出版社.1985：244254.9 HudlestonPJ.Foldmorphologyandsomegeometricalimplicationsoftheoriesoffolddevelopment。.Tectonophysics,1973,16,1-46.10 ZagorcevLThegeometricalclassificationoffoldsanddistributionoffoldtypesinnaturalrocksJ.JournalofStructuralGeology.1993,15:243251.11 SrivastavaV,GairolaVK.Geomet