情景5 地质现象的图形表达与地质图
【学习目标】
1.了解地质现象的图形表达方法，善于从各种图形表达中理解自然现象。
2.掌握普通地质图的基本知识，按读图步骤阅读地质图。
3.简单了解工程地质图。
【能力要求】
1.各种有关地质现象的图形图像的分析能力。
2.拥有对普通地质图的读图能力、对工程地质图的综合分析能力。
【必要的理论知识与资料】
地质学的研究与学习离不开真实的客观实体，实实在在的接触认识是最根本的认识。对于全面的认识来说，来自视觉的认识是所有认识中最主要和重要的。人们对形象的感知最为敏感而广泛，人们通过形象所获得的认识最直接迅速。在地质学学习研究里，现象有许多层面的定义，但是通常的基本的层面仍是以形色等要素构成的普通视觉所见的现象。各种地质现象以丰富多彩的形象呈现出来，而把握形象，分析形象就显得分外重要。人们以此来判断岩石的形态以至组分的不同，直至高级的变化规律也多是以形象来显示。从分析与表达方面来说，最直接最简洁的说明依然是形象的方法，也就是对物质的三维空间感受和分析判断，繁琐的文字往往会造成学习者的厌烦，研究者的混沌，靠文字描绘或表达形象也不是最好的选择。
5.1 地质现象的图形表达
我们所观察的现象除过真实的实体，都会以各种表达形式展示出来，我们可以简单回顾常用表达形式，思考和探索更多更新的表达形式。
5.1.1 照片，视频，素描图
照片以及视频是多媒体教学过程中最为常用的教学手段和表达方法，它无疑是现实的延伸，真实自然的瞬时或者动态的形象记录。在当代拍摄极其容易简单的条件下，它已经成为不二法门。但是它在充分表达、完整转达真实自然的情况下，却也隐含了一种思维的偷懒，就像我们来到现场，对于不善于分析的人来说，现实只是一种现实，而人们的思考研究是需要一些别的因素或者要素，也就是说必须能突出重点，能概括等等。
传统的地质地貌素描图有很多值得继续学习和研究的空间，它强调了简单的把握，最省略的表达，类似中国传统的绘画，国画的意境，这里不但有必不可少的必需的素材，最为重要的信息不可缺省，还有对枝节的舍弃与简化，这样的思考表达虽然有其偏颇或者不全面的弊端，但是可以突出某些细节，发现某些要素，不失为一种强调性的表达，一种通向抽象的表达(图5－1)。
图5－1 地质地貌类型素描系列图
手绘地质地貌素描图可以训练人们对现象的把握能力，它具有对信息的选择性、筛选性，需要对观察对象最本质特点的敏感捕捉，基本形象的传神表达。多看传统的素描图，对于记忆地质现象，抓住地质现象特点很有帮助。
5.1.2 显微观察，航片，卫片
在岩石矿物的实验观察里，我们通常会使用放大镜，10倍乃至30倍，在野外观察里也是必备的观察工具，当然，望远镜也是野外观察的必备工具。传统的学习里我们所谓的地质三宝有地质锤、罗盘和放大镜。显微镜下的世界又是另一个世界了，但是不管怎么样，微观与宏观是联系的，是渐变的，这个是基本的规律(图5－2)。
我们平常观察岩石矿物的时候只是重点发现某些微小的颗粒(矿物)，我们也会发现在放大镜下的世界与肉眼下的世界有不同的结果。某些色泽比较暗淡的岩石矿物在放大镜下我们会发现很白，我们会看到透明矿物下面的暗色矿物，看到凹凸下的光线变化，由于习惯，我们很难将其与现实对应起来，但是，这个是另一个观察条件下的真实。所以，为了准确判断一些岩石矿物信息，我们必须借助放大镜。
在宏观方面，航空拍摄的普及以及更多的卫片的出现，使得人们的观察范围陡然增大，这些技术已经发展为专业的领域。视域的开阔不是简单的叠加，而其中的浓缩对比就是另一种高级现象，也许这些现象在人们的正常近距离连续观察下很难形成，如身在庐山的感觉，需要极高的概括能力才会跳出庐山，而在远距离观察下却会容易发现一些现象(图5－3)。
图5－2 显微镜下的岩矿形象
图5－3 高空远观地貌
航片主要是用作大中比例尺工程地质测绘的底图，用以迅速而较准确地查明建筑区的工程地质条件;低阳光角航片可以迅速而有效地查明活断层;航片对研究崩塌、滑坡、泥石流、地震砂土液化、流动砂丘等物理地质现象非常有效，可以较迅速地判定各种不稳定地段，并可用以对某些地质作用的发展进行监测(图5－4，5－5)。
图5－4 地震后的汶川映秀镇
现在免费的卫星地图截图很容易，对于一些工作区域或者需要认识与研究的区域，可以方便快捷截取。山文水系、构造变化、植被覆盖等等，都可以在卫星地图上看清。
判读航片和卫片需要专门的训练，但是首先应该从正常视角角度建立一些主观印象(图5－6)，这些印象对于灵感的启发，规律的寻找很有帮助，也是建立计算机判读的基本依据和先行条件。
图5－5 航片下的地质灾害
图5－6 卫星地图下分析地质现象
5.1.3 示意图，图形分析，图表
示意图是不同学科在表达事物基本规律时经常使用的表现方式。它简洁地展示事物发展的逻辑规律，呈现人们思考的思路，学习与研究里交流的最好手段非她莫属。在地质学学习里，我们必须重视一切图形，建立图形与所研究对象的联系点。图形分析更为细节化地研究局部或者整体，从一个侧面或者某个角度阐述意义，或者从整体上概化某些现象，使得从图形向模型、模式以及数字化处理转换有了可能(图5－7)。
图表表格是图形与数字之间的最佳表达方式，也是广义的解析转换，是数与形的桥梁，形象与数量的结合使得自然形象物成为数字信息具有了可能。派生出的数据的处理分析使得它的抽象性越发明显。但是我们应该不要忘记形象，应该使得数据分析回归它的来源，而不是数据是数据，整体还是整体，两不相干。数据处理分析也发展成独立的学科，一般的专业学习者也要了解这些原理和基本方法，才会加深认识，拥有更多的思考空间。
图5－7 地理信息的归纳与分析
5.1.4 三维模拟技术等新技术
三维成像技术的研究与应用使得地学的研究和分析更上层楼，新的探测扫描取样方法和技术的应用也使得定量数据成为可能，使得工程地质的分析可以数字化，这样人们认识地质现象不再是地表的观察，可以自由深入某些层次，可以全方位立体观察(图5－8)，工程地质的力学稳定性分析也就容易许多了。数字地球的建立，对于真正把握地球运动规律来说，相信为时不远。
图5－8 三维成像与三维模拟
5.2 普通地质图
5.2.1 怎样分析和阅读地质图
地学现象最为重要和一般的表现形式和手段是地图。地图的定义是:以一定的数学法则(即模式化)、符号化、抽象化反映客观实际的形象符号模型或者称为图形数学模型。基本以二维平面为主，现也用多维形式与手段在平面或球面上表示现象，它具有严格的数学基础、符号系统、文字注记，并能用地图概括原则，科学地反映出自然和社会经济现象的分布特征及其相互关系。
5.2.2 地质图的种类
地质图包括为特定目的编制的各种专业地质图，如矿产分布图、成矿规律图、地质构造图、古地理图、岩浆岩分布图、水文地质图、工程地质图、地球化学图、第四纪地质图、地震地质图、旅游地质图等。主要用来表示地层、岩性和地质构造条件的地质图，称为普通地质图，简称为地质图。此外，还有许多用来表示某一项地质条件，或服务于某项国民经济的专门性地质图。
一幅完整的地质图应包括平面图、剖面图和柱状图。
一幅正规的地质图应该有图名、比例尺、图例和责任表。
5.2.3 不同产状的岩层在地质图上的表现
5.2.3.1 水平岩层在地质图上的表现特征(图5－9)
(1)地质界线与地形等高线平行或重合。
(2)正常情况下，老岩层出露在地形低处，新岩层出露在地形高处。
(3)岩层顶面与底面界线的标高差，即为该水平岩层的厚度。
图5－9 水平岩层
图5－10 岩层宽度厚度
(4)岩石露头的宽度与岩层厚度成正比，与地面坡度成反比。即当地面坡度一致时，岩层厚度大的，其露头宽度大;当岩层厚度相同时，地形坡度愈大，其露头宽度愈窄(图5－10)。
5.2.3.2 倾斜岩层在地质图上的表现特征(图5－11)
(1)地质图上一般都用产状符号标出倾斜岩层的产状，其符号为⊥30，长线方向表示走向(两个方向)，短线指向为倾向(一个方向)，数字代表倾角。
(2)在地形平坦地区，倾斜岩层的界线，在地质图上基本呈平行线状分布，沿着倾斜方向一般出露新岩层。
(3)在地形高低起伏地区，倾斜岩层的界线在地质图上则与地形等高线相交，并在山坡和山谷处弯曲成“V”字形，有一定的规律(称“V”形法则)，其规律受岩层倾角大小、岩层倾向及地面坡度的关系所确定。a.岩层倾向与地面坡度相反时，岩层界线的“V”形弯曲顶端在山谷处指向上游，在山坡处指向下坡。b.岩层倾向与地面坡向一致，而岩层倾角大于地面坡角时，岩层界线的“V”形尖端在山沟处指向下游，在山坡处指向上坡。c.岩层倾向与地面坡向一致，而岩层倾角小于地面坡角时，岩层界线“V”形尖端在山沟处指向上游、山坡处指向下坡，但地层界线比a更为狭窄。
图5－11 倾斜岩层
5.2.3.3 直立岩层在地质图上的表现(图5－12)
无论地形平坦或高低起伏与否，其岩层界线皆呈直线延伸，不受地形影响。
图5－12 直立岩层
对于初学者来说，V字形法则比较难于理解和掌握，在野外穿过沟谷时，常常看到岩层向沟头方向或沟口方向呈V字形弯曲，总以为是岩层产状有了变化，或者发生了褶曲，实际上岩层的产状并没有变化，而是由于地面坡度、岩层倾向和倾角这三者之间的复杂关系对露头形状所产生的错觉。换句话说，倾斜岩层的露头形状并不等于岩层的产状(垂直岩层除外)。这种法则在地质图上特别是大比例尺的地质图上有明显的反映。其他构造线如断层线，其露头形状也适用于V字法则。
5.2.3.4 岩层接触关系在地质图上的表现
(1)整合接触。在地质图上表现为岩层时代连续，产状一致，岩层界线彼此平行延伸。
(2)平行不整合接触。表现为上下两套岩层产状一致，岩层界线平行排列，其间有地层缺失，即岩层时代不连续。
(3)角度不整合接触。上下两套岩层产状不同，地层时代不连续，其间有地层缺失。在图上常表现为较老的一套岩层界线被不整合线切割，而新的一套岩层的界线则与不整合线大致平行延伸。
5.2.3.5 在地质图上分析褶皱构造的方法
(1)区分背斜和向斜。横穿岩层延伸方向，在某一岩层的两侧依次对称出现新岩层者为背斜，反之为向斜。即从该岩层轴部(核部)，向两侧(两翼)逐渐出露新岩层为背斜，反之轴部为新岩层，向两翼逐渐出露老岩层为向斜。
(2)褶皱类型的判读。
①根据褶曲两翼的产状:两翼倾向相反，倾角基本相等，则称为直立褶皱(又称对称褶皱);两翼倾向相反，而倾角不等，则称为倾斜褶皱;两翼向同一方向倾斜(一翼为倒转翼)，而倾角较大，则为倒转褶皱;若两翼向同一方向倾斜，且两翼倾角很小(小于10°，即近于水平)称为平卧褶皱。
②根据褶曲轴的长短:在地质图上各岩层转折端顶点的连线即为轴线。轴向方向代表该褶皱的延伸方向，轴线的长短表示褶曲的长短。如果褶曲轴延伸很长，表现为一系列背斜向斜相连，是为线形褶皱;如果褶曲轴较短，在地质图上该褶曲形状为长圆形(长宽比例相差较小)，则为长圆形褶皱(又称短轴褶皱);若褶曲轴更短，褶曲形状近似浑圆形，则为浑圆形褶皱(又称穹窿或构造盆地)。
③根据枢纽的产状:若褶曲枢纽是水平的，其两翼岩层界线大致沿走向延伸，则为平行褶皱(又称水平褶皱);若枢纽是倾伏的，其核部必呈封闭曲线，两翼岩层不平行且逐渐呈弧形转折相交，背斜的弧形凸出方向为倾伏方向，向斜的弧形凸出方向为扬起方向，若几个倾伏背斜向斜相连，在图上的岩层界线往往表现为“之”字形转折弯曲。
(3)褶皱形成时代的确定。主要是根据地层的角度不整合关系来确定，即根据不整合面上下两套岩层的相对时代来确定。褶皱形成于不整合面以下的一套岩层(又称下构造层)中最新的地层时代之后，不整合面以上的一套岩层(称上构造层)中最老的地层时代之前。如(图5－13)尖峰地质图中组成该区褶皱是晚古生代的T1和P2两个时代的地层，图幅西边还有中生代K地层，K与Tl、P2为角度不整合接触，其不整合线就是K地层的底界线，故K可称为上构造层，T1和P2组成下构造层。因此该区褶皱的形成时代是在T13之后、K之前，以构造运动阶段来说明的话，则褶皱是形成于印支运动后的燕山运动中期。
5.2.3.6 在地质图上分析断层的方法(图5－14)
(1)断层面产状的判读。
①断层线是断层面在地面的出露线，因此它和倾斜岩层露头线一样，可用“V”形法则来判断其断层面的产状;
图5－13 尖峰地质图
图5－14 具有断层的地质图
②一般在地质图上断层线都会用符号标示(长线表示断层走向，箭头表示断层倾向，数字表示断层倾角)。
(2)断层两盘相对位移及断层性质的确定。
①走向断层或纵断层(断层走向与岩层走向或褶皱轴向大体一致)，它可造成岩层的重复或缺失现象。在断层线上任意指定一点，则出现较老岩层一侧为上升盘，出现较新岩层一侧为下降盘。但有一个例外，即断层面倾向与岩层倾向一致而断层倾角小于岩层斜角时，出现较老岩层一侧为下降盘，较新岩层一侧为上升盘。断层两盘相对位移情况确定后，再根据断层面的倾向即可确定是正断层或逆断层。
②横向断层或斜向断层(断层走向与岩层走向或褶皱轴向垂直或斜交)，它可造成岩层或褶皱的中断或错开现象。
(3)根据断层的相互切割关系或断层与岩体的相互关系来判定。被切割者时代较老，切割者时代较新。
5.2.3.7 岩浆岩体在地质图上的表现
(1)岩基或岩株。岩体界线穿过不同时代的围岩(岩层)界线，若规模较大的(大于100km2)为岩基，规模较小的为岩株。
(2)岩盘。岩体界线与围岩走向一致，外形浑圆或较规则状。
(3)岩床。岩体呈长条状延伸，方向与围岩走向一致。
(4)岩墙。岩体呈长条状，常穿过不同的围岩(即切割围岩界线)。
5.2.4 读图步骤与要求
5.2.4.1 看图名、图幅代号、比例尺等
图名和图幅代号可以告诉我们图幅所在的地理位置。一幅地质图一般是选择图面所包含地区中最大居民点或主要河流、主要山岭等命名的。比例尺告诉我们缩小的程度和地质现象在图上能够表示出来的精确度。此外，还应注意图的出版时间、制图人等。图幅编绘出版年月和资料来源，便于查明工作区研究史。
5.2.4.2 看图例
通过图例可以了解制图地区出露哪些地层及其新老顺序等。图例一般放在图框右侧，地层一般用颜色或符号表示，按自上而下由新到老的顺序排列。每一图例为长方形，左方注明地质年代，右方注明岩性，方块中注明地层代号。岩浆岩的图例一般在沉积岩图例之下。构造符号放在岩石符号之下，一般顺序是褶曲、断层、节理、产状要素等。
熟悉图例是读图的基础。首先要熟悉图幅所使用的各种地质符号，从图例可以了解图区出露的地层及其时代、顺序，地层间有无间断以及岩石类型、时代等。读图例时，最好与图幅地区的综合地层柱状图结合起来读，了解地层时代顺序和它们之间的接触关系(整合或不整合)。
5.2.4.3 剖面线
通过地质图图框上的两点画出黑色直线，两端注有AA'或II'等字样，这样的直线称剖面线，表示沿此方向已经作了剖面图。
5.2.4.4 分析图内的地形特征
如果是大比例尺地质图，往往带有等高线，可以据此分析一下山脉的一般走向、分水岭所在、最高点、最低点、相对高差等。如果是不带等高线的小比例尺地质图，一般只能根据水系的分布来分析地形的特点，如巨大河流的主流总是流经地势较低的地方，支流则分布在地势较高的地方;顺流而下地势越来越低，逆流而上越来越高;位于两条河流中间的分水岭地区总是比河谷地区要高，等等。了解地形特征，可以帮助了解地层分布规律、地貌发育与地质构造的关系等。
5.2.4.5 分析地质内容
应当按照从整体到局部再到整体的方法，首先了解图内一般地质情况，例如:①地层分布情况，老地层分布在哪些部位，新地层分布在哪些部位，地层之间有无不整合现象等;②地质构造总的特点是什么，如褶皱是连续的还是孤立的，断层的规模大小，它发育在什么地方，断层与褶皱的关系怎样，是与褶皱方向平行还是垂直或斜交等等;③火成岩分布情况，火成岩与褶皱、断层的关系怎样。
读图时要弄清岩石类型及相应的地层时代、层序。譬如地层有无缺失，各层是否含有化石，含什么化石，化石是什么地质年代形成的。根据岩层的地质构造特征，判断地壳运动过程中地理环境是否发生过剧烈的变化。若地层呈水平状态，并且从下到上依次由老到新连续排列，说明在相应地质年代里地壳稳定运动，依次沉积。若地层出现倾斜甚至颠倒，说明地层形成后，因地壳水平挤压使岩层发生褶皱，因此要注意褶皱的形态特征及空间分布形式，分析该构造属于向斜还是背斜;地层颠倒是因为地壳运动剧烈，岩层强烈褶皱所致。
5.2.4.6 在掌握全区地质轮廓的基础上，再对每一个局部构造进行分析
(1)开始时最好从图中老岩层着手，逐步向外扩展，以免茫无头绪;
(2)对每一种构造形态，包括褶曲、断层、不整合、火成岩体等逐一详加分析。例如褶曲类型，断层类型，各构造组合关系等。
5.2.4.7 把各个局部联系起来，进一步了解整个构造的内部联系及其发展规律
(1)根据地层和构造分析，恢复全区的地质发展历史;
(2)地质构造与地下水分布的关系;
(3)地质构造与地貌发育的关系，等等。
以上所述是读图的一般步骤和方法，如何具体分析某一幅地质图和其中的每一种构造，必须通过具体读图实践来逐步掌握。
5.3 工程地质图
5.3.1 工程地质图
工程地质图是按比例尺表示在一定区域或建筑区内工程地质条件的空间分布及其相互关系的图件。是结合地质和工程建筑需要测制或编绘的地图。通常包括工程地质平面图﹑剖面图﹑地层柱状图和某些专门性图件﹐有时还有立体投影图。它以工程地质测绘所得图件为基础﹐并充实必要的勘探﹑试验和长期观测所获得的资料编绘而成。它同工程地质报告书一起作为工程地质勘察的综合性文件﹐是建筑物的规划﹑设计和施工的重要基础资料之一。
5.3.2 分类
工程地质图按内容可分为工程地质条件图﹑工程地质分区图和综合工程地质图等几类。工程地质条件图只反映制图区内主要工程地质条件的分布与相互关系﹔工程地质分区图只是在分析工程地质条件的基础上﹐结合建筑物特点划分出适宜与不适宜建筑的区段﹔综合工程地质图则既反映工程地质条件﹐又对它们作出综合评价﹐划分出适宜与不适宜建筑的区段﹐兼有工程地质条件图和工程地质分区图的双重功能。所以﹐目前一般多编制综合性工程地质图。
工程地质图按用途又可分为专用图和通用图两类。专用图只适用于某一建设部门﹐所反映的工程地质条件和作出的评价均与某种工程的要求紧密结合。如为道路建筑编制的工程地质图只需了解地表以下10～15m深度内的工程地质条件﹔渠道建筑所需的工程地质图则必须反映土石的渗透性能﹔为一般工业民用建筑编制的工程地质图﹐则还需反映土石的承载能力等，大型水利水电工程则须做广泛而深入的地质调查，不但要综合分析地质因素对工程的深远影响，而且要慎重研究工程对地质环境的影响，特别在水利枢纽区域，更要做长期的观测和调查，在此过程中，地质图件是必不可少的重要分析资料。
5.3.3 特点
工程地质图强调岩石构造、土质、工程特性。虽考虑岩相成因，但着重表明对工程的影响，也较少考虑年代的区分。工程地质条件表现相同者，可归为同一制图单元，同时还重视现代地质作用动态现象的表示。这样便于为开挖地基、公路和公共设施的修建，以及废物处理、矿产和水资源开采，或其他有关开发土地、整治国土等工程建设的直接需要，作出适度的解释和判断。各类工程所要求的技术指标，是在了解工程性状基础上确定的，在大多数条件下受基岩物理性质所控制，这些特性直接或间接地与工程研究所要求的强度和稳定性参数相关。
【思考题与习题】
1.阅读黑山寨地区地质图(图5－15)。
图5－15 黑山寨地区地质图
2.阅读清凉山地区地质图(图5－16)。
3.地质图按内容可分为哪几类?地质图的规格有哪些?叙述地质图的读图步骤。
4.各种构造现象在地质图上是怎样表现的?
5.谈谈你对地学现象的图形表达意义的理解。
图5－16 清凉山地区地质图
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