（地球探测与信息技术专业论文）地质剖面图自动生成方法研究.pdf

太原理工大学大学硕士研究生学位论文 地质剖面图自动生成方法研究 摘要 地质剖面图是地质层在垂向上最直观最有效的表达方 式。它主要用于配合地形地质图了解矿区地质全貌，是矿山 总体设计依据之一。通过剖面图可以更清楚地了解图区内岩 层( 或矿体) 在地下深处的延展、分布情况和构造特点，对 于认识各种地质体和矿床赋存的地质条件和时空分布规律， 指导矿产资源和工程地质勘探，都具有重要的意义。 目前，地质剖面图主要采用传统的手工绘制或利用c a d 、 e x c e l 等工具结合一些编程语言进行绘制。传统的手工绘制 费工费时，工作效率极低，与地质环境和工程建设项目管理 的办公自动化不相适应。利用c a d 技术虽然自动化程度提高 了，但缺少空间分析、拓扑重建等功能。地理信息系统g i s 的出现为地质工作者带来新的契机。g i s 是一种融计算机图 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 形与数据库于一体、用于存贮和处理空间信息的现代高新技 术，它能将地质体地理位置与相关地质属性有机结合起来， 按照各种实际需要准确真实、图文并茂地把它们输出给用 户，同时借助其独有的空间分析功能和图示化表达能力，帮 助地质工作者进行各种地质辅助决策分析，是一神可以超越 传统方法解决地质问题的先进手段。 论文主要结合g i s 技术对地质剖面图自动生成方法进 行研究。以实测钻孔数据资料及有关地质构造信息为基础， 对常用的剖面绘制方法进行总结和研究，分析了自动生成地 质剖面图的数据结构及生成剖面图的具体流程，同时，论文 对断层、褶皱构造在剖面图上的绘制方法，以及岩性符号的 填充算法进行了描述。在此基础上，运用面向对象的程序设 计方法，实现了地质剖面图的自动生成。 关键词：地质剖面图，地理信息系统，地质构造，断层， 褶皱 i i 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 t h ea u t o m a n cg e n e r 舳m e t h o d r e s e a r c h o fg e o l o g i cs e c t l 0 n g e o l o g i cs e c t i o n i st h em o s ti n t u i t i o n i s t i ca n de f f e c t u a l e x p r e s s i o n o f g e o l o g i cs t r a t u m g e o l o g i cs e c t i o nm o s t l y c o o p e r a t e w i t h g e o g r a p h i cm a pt ou n d e r s t a n d i n gg e o l o g i c p a n o r a m ai nm i n i n ga r e a i ti so n eo ft h eg i s t so fm i n i n gd e s i g n w ec a nu n d e r s t a n dr o c ks t r a t u me x t e n d i n g 、d i s t r i b u t i n ga n d t e c t o n i cc h a r a c t e r i s t i cm o r ec l e a r l yb yg e o l o g i cs e c t i o n i tc a n d i r e c tm i n e r a lr e s o u r c e sa n de n g i n e e r i n gg e o l o g i cs u r v e y i n g i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n da l lk i n d so fg e o l o g i c b o d ya n dg e o l o g i cc o n d i t i o na n dd i s t r i b u t i o n p r e s e n t l y , g e o l o g i cs e c t i o ni sm o s t l yd r e wb yh a n d c r a f to r b ys o m es o f t w a r es u c ha sc a do re x c e ll i n k i n gw i t hs o m e p r o g r a ml a n g u a g e s h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lh a n d c r a f tm e t h o d i ss oi n e f f i c i e n tt h a ti tc a n n o tm e e tw i t ho ai nt h em a n a g e m e n t o n g e o l o g i cs e t t i n g a n d e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t b yc a d t e c h n o l o g y , i tc a ni m p r o v et h ed e g r e eo fa u t o m a t i z a t i o n ，y e t l a c k i n go fg i sf u n c t i o ns u c ha ss p e c i a la n a l y s i sa n dt o p o l o g y t h ea p p e a ro fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mb r i n gn e wc h a n c e f o rg e o l o g i co p e r a t o r g i si sam o d e r na d v a n c e dt e c h n o l o g y i c o m b i n ec o m p u t e rg r a p h i c sw i t hd a t a b a s e ，m e m o r ya n dd e a l w i t h s p e c i a l i n f o r m a t i o n i t c a nc o m b i n e g e o g r a p h i c c o o p e r a t i o no fg e o l o g i cb o d yw i t hg e o l o g i ca t t r i b u t e ，a c c o r d i n g t oa l lk i n d so fn e e dt oo u t p u tg r a p h i c sa c c u r a t e l y a tt h es a m e t i m e ，i t ss p e c i a la n a l y s i sf u n c t i o n a n d g r a p h i c se x p r e s s i o n f u n c t i o nh e l pg e o l o g i co p e r a t o rt om a k ed i v e r s i f i e da s s i s t a n t d e c i s i o na n a l y s i s i ti sa na d v a n c e dm e a s u r eh a se x c e e d e d t r a d i t i o n a lm e t h o do nr e s o l v i n gg e o l o g i cq u e s t i o n s t h i sp a p e rm a i nr e s e a r c ht h ea u t o m a t i cg e n e r a t em e t h o d o f g e o l o g i c s e c t i o nw i t hg i s o nt h eb a s i so fa c t u a l m e a s u r e m e n td r i l ld a t aa n dc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no fg e o l o g i c s t r u c t u r e ，i ts t u d ya n dc o n c l u d es o m eg e n e r a lw a y so fd r a w i n g s e c t i o n ，a n a l y s i st h ed a t as t r u c t u r ea n dt h es t e p so fa u t o m a t i c g e n e r a t i n gg e o l o g i cs e c t i o n i ta l s od e s c r i b es o m em e t h o do f a u t o - p l o t t i n gg e o l o g i c s t r u c t u r es u c ha sf a u l ta n df o l do i l s e c t i o n ，a n da r i t h m e t i co ff i l l i n gl i t h o l o g ys y m b o l s a c c o r d i n g t ot h et h e o r i e s ，t h i sp a p e rr e a l i z e da u t o m a t i cg e n e r a t i n go f g e o l o g i cs e c t i o nw i t ho b j e c t o r i e n t e dp r o g r a md e s i g nm e t h o d k e yw o r d s ： g e o l o g i cs e c t i o n ，g i s ，g e o l o g i cs t r u c t u r e ， f a u l t ，f o i d 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 1 1 目的和意义 第一章概述 图是人们根据一定的数学法则，使用专门符号( 包括注记和各种 色调) 经过制图，将某一对象缩绘于平面上的符号的集合( 或以数字 形式存储在数据库中) 0 4 。它是人们表达思想、传播知识的一种重要 手段。地图是用以表达自然地理和人文地理的图纸，它含有丰富的自 然和社会信息，是人类社会活动的重要工具之一，在工农业生产、国 民经济建设、国防事业等领域有着广泛的用途。其中，矿山地质图是 反映矿体地质特征、成矿规律及矿山生产活动的主要工具，又是进行 科学研究、交流工作经验和科研成果的媒介，也是保存矿山地质工作 历史文献的重要形式。它凝聚了人们对地质理论的研究成果和对地质 过程的理解，以及对矿产资源的赋存状态、成矿规律、开发利用情况、 水文和工程地质条件、地质灾害等等的认识。在矿产资源评价中，地 质图件既是重要的信息源，又是成果的主要表达形式【4 1 。因此，矿山 地质图件在矿山生产活动中起着十分重要的作用。在生产实践中，也 是定量解决各种地质问题的基本依据和先决条件。 矿山地质制图是矿山地质工作的重要组成部分，是实现地质工作 成果定量化的重要步骤。制作矿图的过程是对矿山现象进行观察和编 录的过程，也是对矿山地质工作成果进行综合分析、理论概括和深入 认识的过程。为了更好地表示现实世界，矿山地质图件又分为地形地 质图、综合柱状图、井上下对照图、地质剖面图、储量图等多种形式。 其中地质剖面图是在矿山生产中应用比较多的一种图件，它主要用于 1 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 配合地形地质图了解矿区地质全貌，更好地反应现实世界，是矿山总 体设计依据之一。它是划分地层单元、研究各岩石地层单位的组成、 结构、基本层序及各类地层单元之间的相互关系的基础资料，也是进 行开拓设计和采矿方法设计的主要图件之一。通过剖面图可以更清楚 地了解图区内岩层( 或矿体) 在地下深处的延展、分布情况和构造特 点，对于认识各种地质体和矿床赋存的地质条件和时空分布规律，指 导矿产资源和工程地质勘探，都具有重要的意义。 1 2 研究和发展现状 自世界上诞生第一张地质图以来，地质图的生产几乎没有什么变 化。从本质上讲，它们只不过是地质调查人员依据地质规范在特定时 间经过特定筛选后记录下的“瞬间”状态，具很强的时限性i “。由于 地质图所表示的内容在很大程度上是不可见的，主要基于有限的自然 或人为露头和剖面，如峭壁、冲沟、人工开挖场所、坑道及钻孔等揭 示的信息，再加上人们依据一定地质理论做出推断，因此，它极大地 受到所获信息量和当时的地质理论及对地质过程理解的制约。尤其在 露头少的地区，图中许多地质要素主要靠推浸8 得出，反映的是当时的 地质理论及那时人们对地质过程的理解。由于新的钻孔或露头获取到 新数据，可能极大改变了原有解释结果；另外，随着地质理论的不断 发展及对地质过程理解的不断深入，人们对地质现象的解释日益深 入、详细，也可能改变过去的推断，导致新资料不断增多，这些都迫 切要求快速更薪地质图。然而，传统方式生产的纸质地质图最大缺陷 就在于很难更新和修编，图上任何一点更改都意味着重绘全部内容。 另一方面，对于纸质地质图而言，旦地质信息迸入地图固定下来， 2 太原理工太学大学硕士研究生学位论文 就不再具有灵活性，再想从中派生出其它图件同样费钱费时，甚至难 以办到。所以，传统的手工绘制方法是一项极其烦琐的工作，它不仅 工作效率低，而且耗费大量人力，在图件的修改、复制、存储和精度 等方面都存在诸多困难，特别是信息化程度要求越来越高的今天，这 种方法已经逐渐被淘汰。 随着计算机技术的发展，一种以数字储存代替纸质储存，由计算 机进行控制、管理、显示、必要时可输出到纸介质上的数字地图( 也 称电子地图) 正在逐渐成为各种自动化系统中的重要组成部分。数字 地图已在地理信息管理、国防建设、环境管理、资源管理等方面得到 广泛的应用。计算机制图以采用计算机代替传统手工方式完成现存制 图过程为主要目的，基本原理基于从图形到数字的变换，经过处理， 再由数字到图形的转变过程。在数字制图中，地质图上的图形被看作 空间地质单元之间的分界面与地形表面的交会在二维制图平面上的 投影。计算机数字制图技术发展至今相当精确地解决了现存传统制图 过程原稿数据采集录入、编辑处理、图件输出及生成印刷版分色胶片 各阶段工作的自动化，完全能够替代传统人工从提交图件原稿至产生 分色印刷胶片的全部生产过程，较好解决了地质图的及时修编更新问 题。计算机数字制图为地质图的制作带来如下好处： ( 1 ) 由于图面上所有要素均以数字形式存贮，对老图只需作相 应局部数据修改，即可完成一次版本更新，从而大大节省了人力、财 力及时间，方便了地质图的及时修编、更新； ( 2 ) 与纸质地质图易破损、易变形、不易携带、占存放空间、 难以抵御突发灾害( 如水情、火情、虫情) 等相比，绘图数据以磁介 质方式存储具有占地少、多备份、抗突发事故、安全、携带方便、易 3 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 交换和多方式提供( 数字的或纸质的) 等优点； ( 3 ) 在定条件下，通过对数字地质图内容作简单叠加、删减、 或对同一图幅数据作整图放大、缩小及转角处理，便可迅速满足用户 的特殊制图要求； ( 4 ) 对现存地质图的重复制作( 包括再版正式印刷地图) 与手 工过程相比显然更快、更便宜； ( 5 ) 可制作人工难以制出的特殊地图，如三维图或立方体图。 用计算机技术绘制地质图并对其数据、文字资料进行管理，可从 根本上解决传统手工绘图所带来的种种弊端，提高了地质图的质量和 效率，便于查询和修改。但从本质上看，它只是对传统地质圈的数字 复制，数字地质图的点、线、面仍只是一般图形学意义上的图元，不 能真正代表具体地质要素，因为它们不其有所表示地质要素的逾质特 征描述内容。地理信息系统g i s 的出现为地质工作者带来新的契机。 g i s 是一种融计算机图形与数据库于一体、用于存贮和处理空间信息 的现代高新技术，它能将地质体地理位置与相关地质属性有机结合起 来，按照各种实际需要准确真实、图文并茂地把它们输出给用户，同 时借助其独有的空闻分析功能和图示化表达能力，帮助地质工作者进 行各种地质辅助决策分析，是一种可以超越传统方法解决地质问题的 先进手段。 g i s 有四大要素，即计算机硬件、软件、数据及用户。从软件模 块上看它有五个基本部分：数据输入与转换、图形与文本编辑、空间 数据库、数据空间查询与分析、数据显示与输出f 引。其中。一、二、 五部分为数字制图系统已有模块，另外，g i s 把数字制图中薄弱的数 据管理功能增强为空问数据库，并增加了数据空间查询与分析功能模 4 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 块。正是这两个部分使g i s 在功能上较数字制图系统有了质的飞跃。 近年来，g i s 技术在区域地质调查、地下水资源评价、地质条件三维 可视化等方面得到广泛应用。对于传统的地质条件，g i s 一方面可以 通过可视化技术将地层结构特征直接展现在人们的眼前，被人的视觉 直接感知；另一方面可利用可视化软件的空间分析功能，结合地质工 作者的分析结果，对地质条件进行空间分析，获取地层垂向和水平面 方向分布规律的信息，使评价区域的地质条件较全面的被揭示，为地 质条件的评价提供依据。同时，以地质数据库为基础，用人机交互的 方式自动生成钻孔柱状图、地层综合柱状图、矿层对比图和任意方向 的地质剖面图等，充分使用g i s 功能，能够更好地为地质工作人员提 供空间辅助决策支持。 1 3 论文研究的目的和主要内容 随着计算机技术的日益发展，人们逐渐开始用e x c e l 或者其他编 程语言的绘图方法来绘制钻孔的柱状图或剖面图，如门桂珍、萨贤春 等学者以煤层为例，探讨了墙质剖面图的几种绘制方法，利用整体平 移法和分层平移法很好的处理了剖面图中断层处理和地层曲线间的 形态协调问题n 3 。温永左、孙永堂等学者利用b a s i c 语言对水文地质 剖面图的生成傲了探讨恤3 ，考虑了特殊剖面的绘制，但对钻孔资料的 收集、分析整理尚需大量手工操作，纹理填充的算法尚不够优化和全 面。该方法对地质剖面图的自动生成具有指导意义，可以减少部分人 工劳动，成图也较迅速，但它缺少人工智能，灵活性差，实用性不强， 且不能做到图属互查。随着制图技术和c a d 技术的发展，许多学者开 始关注c a d 技术在剖面图绘制上的应用，王德筑、狄卫发等学者提出 5 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 了利用钻孔数据库结合c a d 技术以及一些编程语言实现的地质剖面图 的自动绘制州，同时也编制了相应软件，功能效率较高，成图快速方 便，是一种较为成熟的地质剖面图的绘制技术。以上所述均是结合一 些编程语言，基于一些数据库软件或c a d 的二次开发。地下管线地理 信息系统中任意剖面图的实现是在v c + + 4 1 环境下，通过鼠标画剖面 线来实现地下管线任意剖面的绘制“，真正实现了用单编程语言绘 制剖面，减少了许多格式转换方面的麻烦。对地质剖面图的自动绘制 具有一定的借鉴作用，但不能完全套用。 总之，以上方法的应用，虽然能完成剖面图的绘制，其中不乏一 些在实际应用中获得成功的技术。但它们有个共同的缺陷：在图形分 析和空间信息、属性信息关联、动态拓扑重构方面显得无能为力。而 且已经开发的剖面图绘制软件多是利用e x c e l 技术、c a d 技术等方法 绘制的，而c a d 处理的多为规则几何图形及其组合，图形功能极强， 属性功能相对较弱，因此通常缺乏丰富的符号库和属性库，没有全面 考虑地质剖面中的各种地质构造，诸如断层、断裂、褶皱等，以及各 种岩石、矿体的纹理填充算法等。不能实现空间数据和属性数据的快 速互查，与地质环境和工程建设项目管理的办公自动化不相适应。为 此，本文试图在葛永慧教授开发的e a s y m a p r c a d 软件的基础上，结合 g i s 技术对地质剖面图自动生成方法进行研究。 地质剖面图的自动生成方法，即是根据钻孔数据资料，按照一定 的方法生成剖面，利用生成的剖面进行分析、决策和指导实际工作。 本论文研究的主要内容有： ( 1 ) 分析钻孔数据资料的特点，建立钻孔数据库并生成相应的 柱状图； 6 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 研究各种地质构造的空间分布特征，主要是断层和褶皱， 总结这些地质构造在剖面图上的生成方法； ( 3 ) 在考虑各种地质构造的条件下，根据钻孔柱状信息生成地 质剖面图，并实现各种岩性纹理的填充。 7 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 第二章构建地质剖面的总体设计 2 1 剖面数据分析 2 1 1 数据来源 目前，数字摄影测量、全野外数字测图、已有纸质地形图的矢量 化是获取地理信息的三种主要途径。对于绘制剖面图来说，其所需数 据一般有两种来源：一是在平面图上作剖面线，通过适当内插获得， 也即是通过已有纸质地形图获得；二是实际观测数据，一般是利用全 站仪直接在野外测得地形、地物数据经必要处理后形成数字地图所需 要的数据。本文所述正是利用野外所测得的钻孔及采矿数据进行地质 剖面图的绘制。 2 1 2 数据需求分析 由于自动生成地质剖面图是根据某一方向一定数量的控制性地 质钻孔绘制而成，因此，精确描述这些钻孔的位置信息就显得特别重 要。根据通用g i s 软件的设计思想，我们只要获知所有控制性地质钻 孔的地理坐标，便可在地图上准确定位其位置。但钻孔在施工过程中， 由于地质条件和钻探技术条件及操作等因素，使钻孔的倾角、方位角 不可避免地发生弯曲，并引起空间位置上的位移，因此必须对钻孔的 弯曲进行校正和加工。这样，在实际应用中，人们便可以根据需要选 择一定方向上任意数量的钻孔，根据这些所选定的钻孔来生成地质剖 面图。而在对相邻钻孔间进行相应的剖面线连接或完成某钻孔的柱状 8 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 平面图时，必须了解每个钻孔的详细信息，如该钻孔的孔号、钻孔深 度、钻孔位置、钻孔地理坐标、孔口标高、钻探起始及终止时间、施 工单位、钻孔封孔方式等，以及该钻孑l 每一地层的层底标高、岩性信 息等，才能正确无误的绘制钻孔的柱状平面图。剖面图的绘制是以柱 状图数据为基础的，所以，这些信息也是绘制剖面图的前提条件。其 中，岩性信息则是对钻孔柱状图每一地层以及剖面图每个剖面进行纹 理填充的依据，在系统实际设计中，正是根据这一属性，预先设计好 标准的岩层符号，在需要时调用，同时根据岩性描述中含有的颜色信 息，对颜色进行填充。 除了上述参与构建剖面图过程中起到基础作用的数据以外，还有 一些信息是不可或缺的，那就是一些岩层信息，它是描绘地质构造的 基础。岩层可以用其走向、倾向、倾角数据来描述。断层与岩层的几 何特性比较相似，一般与岩层成一交角，因此，除了知道这些产状数 据外，还需知道断层的断距、断层的正逆等信息。另外，没有褶皱的 地层变化比较缓慢，在剖面上可以用直线表示，对于有褶皱的地层， 直线则无法满足其精度要求，此时，尚需了解剖面范围内每个褶曲的 产状要素。一般在野外测量中可根据总体特征测得褶曲的两翼代表性 产状，其枢纽与轴面产状需通过计算求得。 2 2 地质数据库的建立 数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在的应用处理和数 据抽象成一个数据库的具体结构的过程。具体的讲，就是对于个给 定的应用环境，提供一个确定的数据模型与处理模式的逻辑设计，以 及一个确定数据库存储结构与存储方法的物理设计，建立能反映现实 9 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 世界信息的信息联系，满足用户需求，能被某个数据库管理系统所接 受，同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库。 g i s 数据库的设计应该既考虑数据的特征，又兼顾应用的目的， 仅依据数据特征来进行g i s 数据库设计的方法会忽略了用户将如何使 用这些数据的部分，所以这样设计出的数据库常常无入间津。按照应 用目的设计的数据库是根据用户的使用目的来对数据库进行设计，假 如对数据的考虑加强一些，便可以使设计出的数据库既充分利用了技 术上优势，又兼顾了用户的应用目的。 依据上述数据的需求分析，要完成通用而又完整的地质剖面图的 自动生成，需建立以下数据库。 ( 1 ) 钻孑l 资料数据库。钻孔资料是地质勘探中最主要的数据， 钴孑l 资料数据库存储了钻孔的基本信息及遗质信息。其中基本信息包 括所有控制性钻孔的钻孔编号、孔深、空间x 、y 坐标和高程h 等其 它一些基本信息：地质信息包括每个钻孔的岩层、层数、层底标高、 岩矿石名称、填充花纹代号等数据信息。 ( 2 ) 断层资料数据库。断层在计算机辅助设计中较难处理，若 获得断层在剖面或平面上的断层线，需求出断层函数与割面线或平面 方程的交线。断层函数的形成需要断层资料数据库的依托。断层资料 数据库分别存储了每个断层实见点( 通过地表测量、地表勘探、探矿 工程等获得) 的坐标、断距、倾向、倾角及断层的正逆等内容。 ( 3 ) 褶皱资料数据库。褶皱是地质构造中常见的构造之一。褶 皱资料数据库主要记录了组成褶皱的每个褶曲的两翼代表性产状。包 括其走向、倾向和倾角。 1 0 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 2 3 数据处理过程 剖面数据处理分为两步；首先根据钻孔信息生成钻孔柱状图，然 后再根据勘探线上的钻孔柱状信息及相关的断层、褶皱等构造信息生 成剖面图。 2 3 1 柱状图数据结构 剖面图中的柱状并不需要完整的柱状图信息，只需提取柱状图中 的柱子信息b p , - i 。因此，定义其数据结构为： t y p e d e fs t r u c t d o u b l ed p i ll a r x ； 钻孔定位点x 坐标 d o u b l ed p i l l a r y ： 钻孔定位点y 坐标 d o u b l ed p i l l a r h ； 钻孔定位点高程 b y t e i p i l l a r n u m b ； 岩层层数 f l o a tf p i l l a r h e i g h t ： 每层的厚度 b o o l b p i l l a r f i l l c 0 1 0 r ；每层的颜色填充 i n t i p i l l a r s t o n e s i g n ：每层的岩性符号填充 p i l l a r m a p f i l e ； 2 3 2 构建剖面的数据结构 生成剖面的数据除了包括必需的柱状信息外，还包括涉及到的断 层和褶皱信息。 1 1 奎堕里三盔堂查兰璧主堕壅生兰焦坠苎 一 ( 一) 断层数据结构 t y p e d e fs t r u c t ( d o u b l ed f a u l t x ； d o u b l ed f a u l t y ； d o u b l ed f a u l t d i p ； d o u b l ed f a u l t d i p a n g l e ： d o u b l ed f a u l t t h r o w ： b o o l b f a u l t t y p e ； ) f a u l t m a p f i l e ； ( 二) 褶皱数据结构 t y p e d e fs t r u c t d o u b l ed f o l d l d i p ； d o u b l ed f o l d l d i p a n g l e ； d o u b l ed f o l d r d i p ； d o u b l ed f 0 1 d r d i p a n g l e ； ) f o l d m a p f i l e ： ( 三) 剖面数据结构 t y p e d e fs t r u c t 断层实见点x 坐标 断层实见点y 坐标 断层倾向 断层倾角 7 f 断层断距 断层正逆 褶皱左翼倾向 褶皱左翼倾角 褶皱右翼倾向 褶皱右翼倾角 c h a rs e c ti o n p a t h n a m e ： i n ts e c t i o n p a t h n a m e n u m b ； c h a r s e c t i o n f i l e n a m e ； i n t s e c t i o n f i l e n a m e l i n k n u m b ； 1 2 柱状图路径 柱状图文件的个数 各柱状图文件名 i i n 面中柱子的个数 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 c h a rs e c t i o n f i l e n a m e l i n k ； 剖面中柱子的文 件名 f l o a ts e c t i o n f i l e n a m e l i n k h e i g h t s u m ；剖面中各柱子总 高度 d o u b l es e c t i o n f i l e n a m e l i n k x x ； 音, 1 面中柱子钻孔 的x 坐标 d o u b l es e c t i o n f i l e n a m e l i n k y y ； 剖面中柱子钻孔 的y 坐标 d o u b l es e c t i o n f i l e n a m e l i n k h h ； 剖面中柱子钻孔的 高程 p s e c t i o n m a p f i l e ； 2 3 3 剖面图的绘制过程 剖面图的绘制以柱状图数据为基础，通过每个钻孔的柱子信息， 按照剖面图的特点及绘制要求来生成图件。剖面图绘制的主要步骤如 下： 第一步：数据的整理。在进行剖面图绘制之前，首先把有关勘探 线所经过的钻孔、断层、褶皱等地质数据整理齐全，否则由于数据不 完整，最后所绘制的剖面图需要重新修改。 第二步：柱状图的绘制。根据钻孔数据生成柱状图，这是自动生 成剖面图的前提。 第三步；剖面图的绘制。提取钻孔柱状图信息，绘制剖面线，连 接各煤层及岩层，并在各岩层界线之间填充岩性花纹、标注地层时代 等，是剖面绘制中最为关键的一步。 】3 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 第四步：剖面图的最后修饰与输出。按地质剖面图的标准或规范 进行图面整饰，绘制图例、图名、图签等信息，完成剖面图绘制并输 出。 根据以上步骤，剖面图绘制流程如图2 - 1 ： 1 4 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 收集、整理钻孔数据 绘制柱状图 收集、整理地质构造数据 ( 主要包括断层、褶皱数据) + 绘制剖面图标尺网 连接煤层与岩层 士 填充煤层及岩层符号 绘制断层、褶皱等地质构造信息 绘制剖面图标题、图框及图签 0 导出剖面图 圈2 1 剖面图绘专j 流程图 f i g 2 - 1t h ef l o wc h a r t d r a w i n gg e o l o g i c a js e 斌i o n 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 第三章断层形态的构建 地质构造是地球在漫长的演变过程中由于地壳变动而形成的当 前地下形态，是指地质体( 岩层、岩体或矿体等) 存在的空间形式、 状态及相互关系，是地质作用( 特别是地壳运动) 所造成的岩石( 或 矿体) 变形、变位等现象。地质构造是地壳运动的结果，它们主要 包括褶皱( 向斜、背斜) 、断裂( 断层、节理、劈理) 等。 研究地质构造，在地球科学研究和生产实际中具有重要的理论意 义和实际意义。不仅在研究地壳运动的发生和演化历史、地壳中矿产 资源的形成和分布规律、成矿预测和矿产勘查等方面要研究地质构 造，而且在矿业开发工作、各种工程建设( 铁路、公路、水利、建筑 等) 、环境监测和国防建设中都要研究地质构造问题。地壳中矿产的 分布，矿体的形态、产状等都受到各种地质构造控制，成矿后的构造 又对矿体起了破坏作用。因此，必须加强对地质构造的认识和研究， 以便矿山开采中的开拓设计、采矿方法选择、采场的合理布置以及解 决水文地质、工程地质闯题提供依据。 3 1 断层概述 岩石受力后发生形变并达到一定程度，使岩石的连续性受到破 坏，产生各种大小不一的断裂面。岩石的破裂变形阶段产生的构造统 称为断裂构造。岩石发生断裂时，沿断裂面两侧的岩块有明显的断裂 构造称为断层。“。 1 6 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 3 1 1 断层要素 断层各个组成部分的名称叫断层要素。主要的断层要素有断层 面、断盘和断距。 l 、断层面及断层上盘、下盘：断层面是一个断裂面，把岩石分 为两个断块，断块沿着这个断裂面发生显著的位移。被断层面分开的 两侧岩块称断盘，位于倾斜断层面之上的岩层称为断层上盘，简称上 盘；位于倾斜断层面之下的岩层称为断层下盘，简称下盘。断层面产 状用走向、倾向和倾角表示。 2 、断层线：断层面与地面的交线叫做断层线，实际上就是断层 面在地表的出露，是地质界线之一。 3 、交面线：岩层层面与断层面的交线叫交面线。上盘岩层层面 与断层面的交线称为上盘交面线，下盘岩层层面与断层面的交线称为 下盘交面线。 4 、断距：断层两盘相对错开的距离，称为断距。断距有三种类 型是常用的，它们是：真断距、地层断距和落差。 ( 1 ) 真断距：断层面上某一点，随着上、下盘相对位移而撕裂 为两个点，两点之间的移动距离称为真断距。真断距代表两盘相对位 移的总距离，又称为总斯距。它同时又包含有方向，所以真断距是个 向量。沿各方向分解的分量如下： 铅垂断距：是真断距的铅垂分量： 水平断距；是真断距的水平分量； 走向断距：是真断距沿断层面走向线的分量； 倾向断距：是真断距沿断层面倾向线的分量。 1 7 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 地层断距：指上下盘中同一地层层面的垂直距离。 ( 3 ) 落差：在横切或斜切断层的剖面内，上下盘同一岩层界线 与断层线各有一个交点，这两个点的高程差称为断层落差，简称落差。 3 1 2 断层类型 不同的角度对断层分类的描述也不同。以下介绍三个方面的分 类。 l 、按两盘岩块相对位移的方向分类： ( 1 ) 正断层：是沿断层面倾斜线方向，上盘相对下降，下盘相 对上升的断层。 ( 2 ) 逆断层：是沿断层面倾斜线方向，上盘相对上升，下盘相 对下降的断层。根据断层面倾角的不同，逆断层又分为冲断层和逆掩 断层。断层面倾角大于4 5 度者称为冲断层；断层面倾角小于4 5 度者 称为逆掩断层。 ( 3 ) 平移断层：是断层两盘沿断层走向线方向发生相对位移的 断层，又称平推断层。其倾角常很陡，近于直立。 ( 4 ) 旋转断层：断层两盘以一点为中心做相对旋转运动，这种 断层称为旋转断层。断层两盘相对旋转位移后。两盘岩层产状各不相 同；并且沿断层面上的总滑距也到处不相等。 2 、按断层走向和岩层产状的相对关系分为： ( 1 ) 走向断层：断层走向与岩层走向一致或近于一致。 ( 2 ) 倾向断层：断层倾向与岩层倾向一致或近于一致。 ( 3 ) 斜向断层：断层走向和岩层走向斜交。 3 、按断层走向和褶皱轴向或区域构造线方向的关系分为： 】8 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 纵断层：断层走向与褶皱轴向或区域构造方向一致； ( 2 ) 横断层：断层走向与褶皱轴向或区域构造方向垂直； ( 3 ) 斜断层：断层走向与褶皱轴向或区域构造方向斜交。 3 2 断层绘制所需算法描述 3 2 1 断层在剖面图上倾角的计算 假设断层f 的倾角为0 ，断层倾向线与勘探线剖面走向线的夹角 为由，均为己知条件。求断层f 在剖面上的倾角n 的大小，如图3 - 1 所示。 图3 - 1 剖面与断面关系示意图 f i g 3 _ 1t h es k e t c hm a po f s e c t i o np l a n ea n df a u l tp l a n e l 设断层面为n ，水平面m 与断层面相交于直线l ，l 为断层走向线。 勘探线剖面交直线l 于0 点，交断层面n 于直线o a ，。在平面n 上过 0 点作直线l 的垂线0 a ，在直线0 a 上选一点a ，过a 作直线l 的平行 线交直线o a7 于a7 ，连接a a 。分别过a 、a 点作水平面m 的垂线， 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 交点分别为b 、b ，连接o b 、o b 。 因直线a b a 平面m ，直线l 在平面 l 上，则a b l l ，又o a a _ l ， 故直线l 上平面a b o ，从而l l o b 。那么l a o b = 0 ( 为断层f 的倾角) 。 因直线a b l 平面m ，o b 在m 上，则a b l o b 。在直角a a b o 中， 俨筒 同理，在直角a 7 b 0 中，么a 7 o b = o ( 为断层f 在剖面上 的倾角) ， 阻省1 神。街 ( 2 ) 由图3 一1 分析得知：b o 方向为断层f 倾向，b 7 0 方向为勘探线 刹面走向，b o b = 巾。因a a l ，l 在平面m 上，敌a a ，平面 m ，又直线b b7 为直线a a7 在平面m 上的投影，所以从b b ，l ， 又o b 上l ，故o b j b b 。在直角z 土o b b7 中， c o s 。= 器 因a a 平面m ，a b 上平面艟， 均为直线从7 到平面m 的距离，故 ( 3 ) a 7 b - l 平面m ，线段a b 、a b l 舯| = p b 用( 2 ) 式( 1 ) 式，得 迎：幽i o b r 喀口l o b 仆a b l 即增一筒锱增一 ( 4 ) ( 5 ) 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 将( 3 ) 、( 4 ) 式代入( 5 ) 式中，得：t g a = c o s t g o ， 即a = t g - 1 ( c o s - t g o ) 3 2 2 线段求交算法 设两线段a b 、c d 在笛卡尔坐标系下的坐标值为( x a ，y a ) 、( x b ， y b ) 和( x c ，y c ) 、( x d ，y d ) 。引入如下的参数方程表示两线段： 线段a b ：x = x a + ( x b - - x a ) 木m y = y a + ( y b y a ) m 参数0 m 1 线段c d ：x = x c + ( x d - - x c ) n y = y c + ( y d y c ) n 参数0 n l 求解两线段的交点时，要先求参数m 、n ，上述方程整理为 x a + ( x b x a ) 爿cm = x c + ( x d x c ) 丰n y a + ( y b 一1 向) m = y c + ( y d y c ) n 即为： ( x b x a ) m - - ( x d - - x c ) n = x c - - x a ( y b y a ) m - - ( y d - - y c ) n = y c - - y a 设d = ( x b - - x a ) ( y c - - y d ) 一( x c x d ) ( y b 一1 ，a ) 若d = o 时两线段a b 、c d 平行或重合，则视为无交点。 当d 0 时： m = ( x c x a ) ( y c - - y d ) 一( x c x d ) ( y c y a ) d n = ( x b x a ) ( y c y j ) 一( x c x a ) ( y b y a ) d 只有当0 m 1 且o n l 时，线段a b 、c d 才有交点，把m 带 2 】 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 入线段a b 的参数方程或把n 带入线段c d 的参数方程即得交点坐标。 3 2 3 平面中点的定位 一个点与任意多边形的相对关系，采用“铅垂线法”判断。两个 点对于一条直线的相对关系，邸该两点是在直线的同一侧还是在直线 两侧，采用直线方程和三角形面积乘积法判别。 剖面块段划分与控制点定位，所谓剖面块段指的是由剖面图中的 断层线与图形区域边界所围成的多边形区域。为确定一个地层控制点 p 到底归属于哪一个块段，最直观的方法还是“铅垂线法”。确切地表 达每一控制点对刹面中每一条断层的左右关系，要通过断层关系字i d 来表示，它是判断是否将p 点按i 号断层的落差与平错作相对移动的 依据。如点在断层右侧作移位，而在左侧不动。 3 3 断层剖面的绘制方法 以离散的数据( 钻孔和采矿数据) 绘制地质刹面图，困难在于绘 制煤层、标志层等地层界线时，使所绘制的线条在断层两盘、上下层 位间形态协调。剖面断层处理和地层形态协调的有关计算机处理方法 主要是平移法“”。 地层在未断裂之前是连续的，每一地层可用一条连续的曲线来描 述( 图3 - 2 a ) 。若不考虑断裂时的拖曳构造并将地层断裂视为一种非 塑性变形，则必有图3 2 b 的结果。因此可以将图b 中断层右盘断层 面平移“拚合”成图a 的形态，也可将图a 没虚线“剪开”而成图b 的形态。这种两盘地层沿断层面平移时的“刚性”，就是对断层处理 的先决条件；而沿断层面的平移( 拚合或剪开) 则是本法的处理基础。 2 2 太原理工大学大学硕士研究生学位论文 3 3 1 整体移动法 图3 - 2 断层示意图【n l f i g 3 2s k e t c hm a po f f a u l t o ) 先考虑简单断层的情形，即剖面上平错和落差处处相等，其形态 可用两点或点斜式直线方程描述为直线状断层。整体平移法的步骤如 下： 第一步：恢复地层连续。将p 。p ：。按d x ，d y 值平移到p 。，p 7 。处。经这一步，可以认为地层己恢复到断裂前的构造形态。实际计 算时数据点相对于某一条断层是否作平移要视其是否位于断层的右 盘。 第二步：地层扩展。将每一个实际控制点都作为扩展基点，向上 向下垂直扩展那些缺失的层位。当基点上下一定范围内有其它层位控 制点时，两者之间的缺失层位以加权平均方式扩展。 第三步：求断层与地层交点。将p n ，p 。p7 。和p 2 。，p 2 ：，p ，。