1 Địa chất cấu tạo Bài tập 2: Đ-ờng đồng mức và bản đồ đồng mức TS. Trần Thanh Hải-BM. Địa chất Các loại số liệu cấu tạo và địa chất khác th-ờng đ-ợc biểu diễn trên bản đồ địa chất. Thông th-ờng, những thông tin địa chất đó đ-ợc biểu diễn trên một bản đồ địa hình có các đ-ờng đồng mức. Mối quan hệ giữa hình thái của vết lộ địa chất trên mặt và địa hình, đ-ợc biểu diễn d-ới dạng các đ-ờng đồng mức, cho ta một thông tin quý báu về địa chất cấu tạo trong không gian ba chiều, bao gồm cả thông tin về thế nằm của các cấu tạo đ-ờng và mặt. Một đòi hỏi cho việc biểu diễn và giải đoán bản đồ là sự thấu hiểu ý nghĩa của các đ-ờng đồng mức và bản đồ đồng mức, hoặc cả bản đồ địa hình và các bản đồ khác. Tôi nghĩ rằng tất cả các bạn ở đây đều có một chút khái niệm về bản đồ địa hình. 1. Bản đồ đồng mức Việc sử dụng các đ-ờng đồng mức và các bản đồ đồng mức chỉ đơn giản là một ph-ơng pháp biểu diễn sự biến đổi không gian của bất cứ thông số vật lý hoặc thống kê nào, nh- độ cao mặt đất, chiều dày của một lớp, chiều sâu tới bề mặt của một tầng đá nhất định, nhiệt độ, áp xuất không khí hay dân số trên một diện tích nhất định. Một đ-ờng đồng mức chỉ đơn giản là một đ-ờng dọc theo đó các thông số nào đó có cùng giá trị. Bất cứ một bản đồ nào sử dụng các đ-ờng đồng mức để thể hiện sự biến đổi giá trị theo không gian của một thông số đ-ợc gọi là bản đồ đồng mức (hay đồng l-ợng). 2. Bản đồ địa hình Các đ-ờng đồng mức đ-ợc sử dụng rông rãi nhất là cho bản đồ địa hình trong đó có các đ-ờng đồng mức độ cao. Trong các bản đồ nh- vậy, các đ-ờng đồng mức có thể đ-ợc coi là một đ-ờng giao nhau giữa mặt đất và một mặt phẳng nằm ngang ở một độ cao nhất định (Hình 1). Các đ-ờng đồng mức luôn luôn liên quan tới một bề mặt tham khảo (mặt biển trung bình). Với sự luyện tập, bạn có thể hình dung ra không gian địa hình ba chiều và mối liên quan có thể của chúng với cấu trúc địa chất. Thực tế là một bản đồ địa hình là hình chiếu của một bề mặt ba chiều lên trên một mặt chiếu nằm ngang. Các bậc đồng mức: là giá trị khác nhau giữa hai đ-ờng đồng mức cạnh nhau. Nó đ-ợc chọn dựa vào độ cao, chất l-ợng số liệu, và mức độ chi tiết đòi hỏi. Các bậc đồng mức phải thống nhất trên toàn bộ bản đồ. Do đó khoảng cách giữa các đ-ờng đồng mức thể hiện Khoảng đồng mức (b) (a) Hình 1. Khái niệm về bản đồ địa hình và cách xây d-ng nó. (a) sơ đồ khối của một quả đồi; một mặt phẳng nằm ngang (đ-ờng gạch gạch) cắt quả đồi ở một độ cao nhất định (v.d., 200 m) tạo nên một đ-ờng đồng mức; (b) bản đồ đồng mức của quả đồi (hình chiếu của quả đồi lên mặt phẳng nằm ngang). 2 gradient (độ biến đổi) của thông số đ-ợc chọn (khoảng cách rộng-thoải, khoảng cách hẹp- dốc ). Nhớ rằng các đ-ờng đồng mức có giá trị khác nhau không thể nhập vào nhau hoặc cắt nhau. Giải đoán cấu tạo địa chất đơn giản bằng bản đồ địa hình Các đặc điểm hình thái đơn giản trên bản đồ địa hình có thể cung cấp những thông tin quan trọng về địa chất và cấu trúc. Nếu nền địa chất trên mặt đ-ợc biểu diễn trên các bản đồ đó, thì có nhiều số liệu cấu trúc có thể thu đ-ợc từ các hình thái địa hình. Các yếu tố địa hình th-ờng liên quan chặt chẽ với các đặc điểm địa chất và dạng nằm của các yếu tố cấu trúc. Các lớp đá nằm ngang: đặc tr-ng bởi các cao nguyên bằng phẳng, vây quanh bởi các vùng thấp dốc hoặc dạng bậc thang-dốc ứng với các lớp đá rắn chắc và thoải ứng với các loại đá mềm bở. Các yếu tố này sẽ thể hiện rõ ràng bằng hình thái của các đ-ờng đồng mức: với các đ-ờng đồng mức gần nhau phân cách các đ-ờng đồng mức xa nhau (Hình 2). Hình 2. Hình thái địa hình của cấu tạo nằm ngang đơn giản. Các lớp đá cắm đơn nghiêng: Tạo nên các sống núi không cân xứng-phần địa hình nổi cao, dốc ở phần nhô cao của lớp rắn chắc bị bào mòn và thoải theo đ-ờng h-ớng dốc của nó, và đôi khi tạo nên các địa hình phẳng xen kẽ của các đá mềm bở hơn (Hình 3). Những địa hình kiểu nh- vậy th-ờng đ-ợc gọi là Cuestas. Những nơi các lớp có thể nằm dốc hơn thì các sống núi tạo nên bởi các lớp rắn chắc sẽ trở nên cân xứng hơn và đ-ợc gọi là gờ sống trâu. Hình 3. Hình thái địa hình của cấu tạo nằm ngang đơn giản. T-ơng tự, đối với các vùng bị uốn nếp hoặc đứt gãy, các yếu tố địa chất đó cũng có thể đ-ợc phản ảnh bởi hình thái địa hình (tự tìm hiểu thêm). Bây giờ ta hãy xét mối quan hệ giữa hình thái vết lộ và địa hình hay hình thái tạo nên bởi giaotuyến giữa mặt lớp và mặt địa hình trong tr-ờng hợp các bề mặt địa chất nằm ngang, nằm nghiêng 3 Đối với các lớp nằm ngang: Các bề mặt vây quanh các lớp nằm ngang sẽ cắt bề mặt địa hình dọc theo các đ-ờng (vết) nằm ngang song song với đ-ờng đồng mức (Hình 4). Nếu địa hình cũng bằng phẳng thì chỉ có một loại đá lộ ra trên mặt. Trong tr-ờng hợp này, các đ-ờng đồng mức sẽ song song với các ranh giới địa chất. Đối với các lớp cắm đơn nghiêng thì hình thái vết lộ sẽ đ-ợc quyết định bởi cả độ dốc của lớp lẫn đặc điểm của mặt địa hình. Nếu mặt địa hình nằm ngang thì đ-ờng ranh giới của lớp nằm đơn nghiêng (góc dốc khác 0) trên bề mặt địa hình sẽ là một đ-ờng thẳng trùng với đ-ờng ph-ơng của lớp đó. Tuy nhiên nếu ta có một lớp nằm nghiêng và một địa hình không bằng phẳng thì ta sẽ có hình thái vết lộ phức tạp hơn. Vết của ranh giới trên mặt địa hình sẽ là một đ-ờng cong. Đặc điểm của sự cong đối với một cấu tạo địa hình t-ơng đối đơn giản sẽ cho ta thông tin về h-ớng dốc của ranh giới địa chất đang quan tâm. Đặc tính này đ-ợc gọi là LUậT CUả CáC CHữ V. Một lớp nằm nghiêng cắt qua một thung lũng hoặc sống núi đ-ợc mô tả là có hình dạng chữ V-h-ớng của đáy chữ V sẽ cho ta biết lớp cắm về h-ớng nào. Trong thung lũng vết của ranh giới (hay đ-ờng lộ lớp) sẽ có đáy quay về phía h-ớng cắm của lớp và khi đi qua sống núi thì đ-ờng lộ lớp cắm ng-ợc với h-ớng dốc của lớp (Hình 5). Để tránh nhầm lẫn, ta có thể chỉ sử dụng các quan hệ trong các thung lũng, trong đó các đ-ờng lộ lớp th-ờng có đáy hình chữ V chỉ về phía h-ớng dốc của lớp (Hình 5), trừ một số tr-ờng hợp sau. a. Nếu lớp cắm về phía thấp của thung lũng trùng ph-ơng với nh-ng với góc dốc nhỏ hơn góc dốc địa hình thì đáy của chữ V sẽ chỉ lên đỉnh thung lũng và đ-ờng lộ lớp sẽ cắt đ-ờng đồng mức t-ơng tự nh- các lớp có thế nằm dốc hơn theo cùng ph-ơng cắm (Hình 6). Hình 4. Giao tuyến giữa bề mặt địa hình và mặt lớp: (a) sơ đồ khối, (b) mặt cắt dọc theo trục thung lũng, (c) dạng nằm trên bản đồ của đ-ờng lộ lớp song song với đ-ờng đồng mức địa hình Hình 5. Giao tuyến giữa mặt địa hình với mặt lớp cắm nghiêng: bên trái là hình thái trên bình đồ, bên phải là hình thái trên mặt cắt. 4 Hình 6. Đ-ờng lộ lớp của một lớp có h-ớng dốc cùng ph-ơng nh-ng góc dốc thoải hơn đáy thung lũng trên bình đồ (trái) và trên mặt cắt (phải). b. Nếu độ dốc của lớp bằng góc dốc của mặt địa hình thung lũng thì đ-ờng lộ lớp sẽ tạo thành hai vết lộ song song ở hai cánh của thung lũng nếu góc dốc địa hình không đổi (Hình 7). Hình 7. Đ-ờng lộ lớp của một lớp có h-ớng dốc cùng ph-ơng và cùng góc dốc với đáy thung lũng trên bình đồ (trái) và trên mặt cắt (phải). c. Các lớp thẳng đứng: đ-ờng lộ lớp sẽ là một đ-ờng thẳng và không phụ thuộc vào địa hình (Hình 8). Hình 8. Đ-ờng lộ lớp của một lớp có góc cắm thẳng đứng trên bình đồ (trái) và trên mặt cắt (phải). 3. Các bản đồ đồng cấu tạo và đ-ờng đồng hình thái (form line contour) Không chỉ có bản đồ địa hình mới sử dụng các đ-ờng đồng mức. Một ứng dụng khác khá phổ biến là bản đồ đồng mức cấu trúc (structural-contour map) trong đó các mức khác nhau của các mặt cấu tạo chính nh- các tầng đánh dấu, các lớp đá quan trọng đ-ợc biểu diễn d-ới dạng các đ-ờng đồng mức câú trúc. Bản đồ này khác bản đồ địa hình ở chỗ các đ-ờng đồng mức đ-ợc vẽ trên mặt địa chất chứ không phải mặt địa hình. Chú ý rằng, nếu một mặt địa chất có thế nằm ngang, sẽ không có đ-ờng đồng mức, trong khi đó các mặt nghiêng phẳng sẽ có các đ-ờng đồng mức song song nhau. Các đ-ờng đồng mức đó có thể đ-ợc gọi là đ-ờng ph-ơng vì chúng song song với đ-ờng ph-ơng của lóp và nh- vậy sẽ vuông góc với h-ớng dốc của lớp. Các nếp lồi và nếp lõm sẽ có đ-ờng đồng mức giống nh- các quả đồi và thung lũng trên bản đồ địa hình. Cũng l-u ý cho các tham khảo trong t-ơng lai, rằng đ-ờng ph-ơng của bất cứ mặt phẳng nằm nghiêng nào cũng có 5 thểvẽ đ-ợc nếu: a) hình chiếu của hai điểm bất kỳ có cùng độ cao trên mặt đó có thể xác định đ-ợc; hoặc b) đ-ờng ph-ơng hay h-ớng dốc thực có thể xác định đ-ợc tại một điểm có độ cao xác định; hoặc c) hình chiếu của ba điểm có độ cao khác nhau trên mặt phẳng đó có thể xác định đ-ợc. Sự biến vị do đứt gãy sẽ dẫn tới sự cắt xén một cách đột ngột và dich chuyển các đ-ờng đồng mức cấu trúc ngang qua hai cánh của đứt gãy-và thậm chí làm các đ-ờng đó phủ lên nhau hoặc tách rời nhau nếu mặt đứt gãy nằm ngiêng. Một bản đồ đ-ờng đồng hình thái khác bản đồ đ-ờng đồng mức cấu tạo ở chỗ các đ-ờng đồng mức không đại diện cho những độ cao tuyệt đối so với một mặt tham khaỏ. Các đ-ờng đồng hình thái đại diện cho các đ-ờng có độ cao t-ơng đối giống nhau nh-ng không có những giá trị riêng biệt. Chúng có ý nghĩa trong việc xác định khái quát hình thái của một cấu trúc phát triển trên một mặt phẳng hoặc một mức nhất định-trong đó các đ-ờng đẳng hình thái song song với đ-ờng ph-ơng và khoảng cách giữa chúng liên quan trực tiếp tới độ dốc của góc dốc. Chúng đ-ợc xây dựng từ thế nằm của đá chứ không phải từ các số liệu về độ cao. Bản đồ đẳng chiều dày thực và bản đồ đẳng chiều dày thẳng đứng Một bản đồ đẳng chiều dày thực (isopoach map) biểu diễn sự biến đổi chiều dày thực của một đơn vị địa chất (chiều dày vuông góc với mặt ranh giới của lớp). Các đ-ờng đồng mức đánh dấu các điểm có cùng chiều dày và các khoảng đồng mức thể hiện mức độ thay đổi chiều dày. Các đ-ờng đồng mức càng gần nhau thì chiều dày càng thay đổi mạnh (Hình 9). Các bản đồ này rất có ý nghĩa đối với các nghiên cứu địa tầng và trầm tích khu vực và đ-ợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dầu khí. Hình 9. Mặt cắt của một lớp nằm ngang bị vát nhọn (a) và bản đồ đồng chiều dày thực của nó (b) Một bản đồ đồng chiều dày thẳng đứng (isochore map) chỉ sự thay đổi chiều dàyd theo chiều thẳng đứng. Các đ-ờng đồng mức chạy dọc theo các vị trí mà chiều dày thẳng đứng bằng nhau. Bản đồ kiểu này đôi khi là cách thực tế nhất để biểu diễn chiều dày: ví dụ ở những nơi mà các lớp vị vát nhọn hoặc nơi mà số liệu đ-ợc lấy từ lỗ khoan mà chiều dày thựuc không biết đ-ợc. Chú ý rằng, nơi mà lớp có thể nằm ngang thì bản đồ đồng chiều dày thẳng đứng cũng chính là bản đồ đồng chiều dày thực. Nh-ng nếu lớp nằm nghiêng thì bất cứ sự thay đổi chiều dày thẳng đứng nào cũng liên quan tới sự thay đổi chiều sâu của lớp. Thực tế, một bản đồ đồng chiều dày thẳng đứng của một lớp bị uốn nếp có chiều dày thực không đổi chỉ phản ánh sự thay đổi chiều sâu ở các phần khác nhau cuả nếp uốn (Hình 10). (a) (b) Mặt đất Mặt đất 6 Hình 10. Mặt cắt của một lớp nằm bị vát nhọn, uốn nếp (a) và bản đồ đồng chiều dày thẳng đứng của nó (b) Bài tập 1. Hình b.1 là bản đồ địa hình biểu diễn s-ờn dốc Kiskaton. Một Công ty chuyên về khảo sát địa chất công trình phải thiết kế một tuyến đ-ờng sắt từ Flatville tới Bonview sao cho độ dốc của mặt đ-ờng không v-ợt quá 4% (độ dốc=bậc đồng mức*100/khoảng cách giữa hai đ-ờng đồng mức trên bình đồ). Hãy thiết kế một tuyến đ-ờng bằng cách nối liên tục các đoạn có chiều dài đ-ợc quy định theo hai ph-ơng án (a) 500m và (b) 1000m trong đó góc nhỏ hợp bởi hai đoạn kế tiếp nhau không đ-ợc nhỏ hơn 120 O . Tuyến đ-ờng không cần là tuyến ngắn nhất. Hãy giải thích trong hai ph-ơng án thiết kế thì ph-ơng án nào là hợp lý hơn và tại sao. 2. On the accompanying topogrpahic map of the Barany Creek area (Figure b.2) sketch the outcrop traces of veins with the orientations listed below (dip direction/dip), assuming that each vein passes through point X, and assuming that each vein is so thin that it can be represented by a single line. Label each vein on the map. Your answer should be quick scketches; do not calculate the outcrop traces. ( Hint: Determine the stream gradient first). Vein A: 120/20 Vein B: 300/10 Vein C: north-south trending/vertical (a) (b) Hình b.1 7 Vein D: 300/05 Figure b.2 3. Các số trên Hình b.3 đại diện chiều sâu bên d-ới mặt n-ớc biển của bề mặt một bất chỉnh hợp giữa móng kết tinh và các lóp đá phủ tuổi Mesozoi ở hạt Bloomer, Mỹ. Các lớp phủ có thế nằm ngang. a. Hãy xây dựng một bản đồ đồng mức cấu trúc của bất chỉnh hợp. b. Thế nằm t-ơng đối của bất chỉnh hợp d-ới giếng C1 là bao nhiêu? c. Giếng C1 gặp đá móng ở độ sâu nào? d. Hãy giải thích ý nghĩa của bản đồ đăng cấu trúc này. 4. Hình b.3 C1 200m 8 4. Figure b.4 shows the topography of an area near the Kingston, New York, where the topography is controlled to some extent by the structure of the unterlaying strata. (a) What is the trend of the “structural grain” in the map area? (b) Field studies indicate that the ground surface on eithwer side of Fox Hollow (FH) is a dip slope. Based on this observation, what is the major structural feature that surrouns and underlies Fox Hollow? Figure b.4 . 1 Địa chất cấu tạo Bài tập 2: Đ-ờng đồng mức và bản đồ đồng mức TS. Trần Thanh Hải-BM. Địa chất Các loại số liệu cấu tạo và địa chất khác th-ờng đ-ợc biểu diễn trên bản đồ địa chất. . đoán cấu tạo địa chất đơn giản bằng bản đồ địa hình Các đặc điểm hình thái đơn giản trên bản đồ địa hình có thể cung cấp những thông tin quan trọng về địa chất và cấu trúc. Nếu nền địa chất. đ-ờng đồng mức xa nhau (Hình 2) . Hình 2. Hình thái địa hình của cấu tạo nằm ngang đơn giản. Các lớp đá cắm đơn nghiêng: Tạo nên các sống núi không cân xứng-phần địa hình nổi cao, dốc ở phần