构造地质学软件包—StrucKit 的设计与开发.PDF

第33卷 第3期 2003年7月 吉 林 大 学 学 报地 球 科 学 版 JOURNAL OFJILIN UNIVERSITYEARTH SCIENCE EDITION Vol.33 No.3 Jul. 2003 文章编号16715888200303027606 构造地质学软件包 StrucKit的设计与开发 周继彬 1 ,2 ,曾佐勋 1 ,2 ,袁金荣 3 1. 中国地质大学 地球科学学院,湖北 武汉430074;2.华中构造力学研究中心,湖北 武汉430074; 3.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海200070 摘要StrucK it是一个构造地质学工具软件,采用VB 6. 0开发完成。它集成12项功能,包括岩石 有限应变测量的反向轮法和Fry法、 模型非均匀有限应变场测定的陈氏网格法、 面状和线状构造优势 方位的确定、 节理玫瑰花图、 岩组图的计算机绘制、 三点法求岩层产状、 岩层真厚度计算、 断裂线曲率 计算、 能干层褶皱流变参数的估算、 褶皱的π图解和β图解。StrucK it的优点是功能的集成、 结果的直 观性、 操作的简便性、 运算精度和效率较高等。 关键词构造地质学;StrucK it ;软件包;程序 中图分类号P54 文献标识码A 收稿日期20021024 基金项目国家自然科学基金资助项目49972068 ;国土资源部 “九五” 攻关项目 95 02002 01 作者简介周继彬1976 ,男,四川广汉人,硕士,主要从事构造物理和计算机模拟研究, Email zhoujibin123 etang. com1 0引言 计算机技术在办公和科学研究中可说是日新月 异,但构造地质学应用软件的开发却还处于滞后状 态。目 前 应 用 的 构 造 地 质 学 软 件 有 WinTek、 GEOSTRUK、SteroNett、StereoPro等 [1] 。它们的优点是 面向Windows操作系统,界面友好,操作简便。但功 能有限,它们仅涉及到构造要素的投图赤平投影、 绘制极密图、 绘制玫瑰图和一定的统计功能。而我 国这方面的应用程序主要是在20世纪80年代开发 的,大部分都是DOS下的BASIC语言程序,用户界 面非图形界面,且没有很好集成。其中具有代表性 的构造地质学程序是汤经武和杨学敏编制的17个 构造工具程序 [2] 。20世纪90年代至今,国内解决构 造地质问题的计算机程序有所发展,但总的来说,还 是缺乏功能比较齐全的构造地质学软件。这一现状 给我们留下了不少研究课题,如对原有DOS程序的 升级、 改进和对一些原来没有实现的功能进行实现 以及集成等。 基于目前构造地质学软件或程序,开发出功能 比较齐全的构造地质学软件包 StrucKit ,将会对 构造地质学研究起到一定的作用,促进构造研究从 定性向定量方向的发展。 1系统分析 在构造地质学分析研究中,常常要解决诸如构 造要素的投影、 岩石有限应变的测量、 求取岩石流变 参数等,具体分类如表1。 表1常见构造问题需求分类 Table 1The class of the common structural problems 构造问题分类详 细 内 容 数据绘图 节理玫瑰花图、 面状、 线状构造产状等密图 和极点图、 岩组图、 褶皱π图、 褶皱β图 应变测量 岩石有限应变测量Fry法和反向轮法、 模型 非均匀有限应变场测定陈氏网格法 几何参数与 流变参数 流变参数、 断裂线曲率、 三点法确定岩层产 状、 岩层真厚度计算 以上构造问题的解决,可以用计算机软件来完 成;根据系统问题和要求,设计一个框架结构合理的 软件是十分必要的。出于紧凑和相对独立的角度, 设计出12个功能块。对这些功能块的开发,采用微 软快速开发Windows应用程序的可视化设计工具 Visual Basic 6.0。各功能块是单个开发,最后根据整 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 体做一定的调整再集成。 2 功能块的原理及部分实例 该软件每个功能模块均有详尽的原理分析、 公 式推导和实例验证,保证了软件的正确性和可靠性。 由于篇幅有限,在此仅简要介绍各功能块的原理和 部分实例。 2.1岩石有限应变测量的反向轮法、Fry法和陈氏 网格法 反向轮法根据Panozzo提出的原理 [3] ,岩石在 未变形时各种组构是随机的,各向同性的,但变形后 将出现一定的优选方位,在给定截面上可得有限应 变椭圆。假设变形前岩石中矿物颗粒随机分布,则 给定线段在任一方向与矿物边界相交几率不变,即 nφ N常数 。1 式1中,N为变形前单位线段与颗粒边界交点个 数,φ为线段与参考轴x之间的夹角。岩石变形后, 所选线段与矿物颗粒边界交点个数不变,但线段长 度以及交点间的距离发生了改变,x轴变为x′ 轴,所 给线段与x′ 轴的夹角为φ ′ 。当应变椭圆长轴与x′ 轴不平行时,有一夹角 φ ′,则单位长度线段与颗粒 边界交点数为 n′ φ ′ N λ ′ 1cos 2 φ ′ -φi λ ′ 3sin 2 φ ′ -φi。 2 图1反向轮法测岩石有限应变的原理与实例结果 Fig.1Determination of finite strain in rocks with the inverse SURFOR wheel and the sample a.手工测量的原理图;b.砂岩颗粒轮廓图;c.应变分析曲线图 其中, λ ′ 1和 λ ′ 3是倒易主长度比,这实际上是 一个椭圆公式。于是,应变椭圆轴比可表示成 aΠc λ ′ 3Π λ ′1n′ φ ′ maxΠn′ φ ′ min。3 应变椭圆长轴方向为 φi φ ′ min。 4 实际手工操作时,在一个圆内作一系列平行线 制成轮状,测量时将轮心固定在x′ 轴原点,每次反 向转动一个角度图1a ,平行线与x′ 轴的交角为 φ ′ ,统计对应不同 φ ′ 角度时平行线上颗粒边界总 数,直到转动180,这便得到一系列数据表2 ,在 平面直角坐标系中,作n′ φ ′ 对φ ′ 的投点,并进行 曲线拟合。曲线最高点对应n′ φ ′ max,最低点对应 n′ φ ′ min。 表2统计出的边界数据和方向角度 Table 2The statistical data of boundary and the direction 角度Π℃边界Π 个角度Π℃边界Π 个 08510087 108911081 208812073 309013072 408614070 508915077 609116082 709217086 808618085 9085 这一功能块就是用计算机来实现反向轮法测量 岩石有限应变的这一系列手工操作,以实现应变测 772 第3期 周继彬,等构造地质学软件包 StrucK it的设计与开发 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 量的自动化和提高数据统计的精度和测量效率。 结合计算机图像学,实现了计算机在图像上自 动判断颗粒的边界 [4] ,求取岩石有限应变的大小,同 时也可得颗粒优选方位。应用该软件测试了文献 [3]中砂岩颗粒图中的部分区域的应变。分析结果 见图1b、1c ,这些结果与Panozzo手工测量的应变结 果吻合,说明了该功能块的正确性。 图2 面状和线状构造优势方位确定的原理与实例结果 Fig.2The for calculation of structural preferred orientation and a sample a.面状构造投影;b.线状构造投影;c.某地节理极点等密图 Fry法Fry法 [5] 假定原来岩石中颗粒是随机 分布的,即标志体变形前的分布在统计上为各向同 性,而且岩石在测量范围内均匀。即以任意标志体 中心为原点,与其它标志体中心的间距在各方向上 的相应点上都是相等的。这些标志体中心的分布为 无数半径不同的共心球体。变形后成为共心椭球 系。当获得变形岩石切面上标志体的图形或照片 后,采用人工方法,在两张透明纸上反复投点后,可 获得Fry法的中空椭圆形的环带图形,进而测量应 变椭圆长、 短轴大小及其方位等参数。 按照Fry的心对心法,编制该功能块以实现Fry 法手工操作,同时也简化了颗粒中心的求取,可以直 接在计算机上用鼠标点取颗粒图像的中心,让计算 机自动保存各中心点坐标。程序根据中心点坐标数 据,逐一以每点为中心,其余各点进行相应的坐标平 移,并进行投点,最后得到Fry法的中空椭圆点图; 进一步得出拟合椭圆和应变参数。 陈氏网格法变形前在模型上印刷一定型式的 网格,通过对模型施加载荷,网格跟随模型发生变 形。然后利用变形前后网格的位形差异,采用一定 的力学理论,求得模型内的应变场,这就是网格法的 基本思想。若需要,还可根据模型材料本构关系求 得模型的应力场。 按照所采用的理论不同,网格法可分为小变形 网格法与大变形网格法。小变形网格法采用的是无 限小应变理论,大变形网格法则采用有限应变理论。 在我国地质力学界,以往多采用弹性小变形网格法, 大变形网格法的应用,是近十几年来发展起来的。 这里利用的理论是基于陈至达应变 转动分解定理 发展起来的拖带坐标系网格法,也称 “陈氏网格 法” [6] 。 求取网格角点坐标,可以用鼠标在模型变形前 后图形上轻松点取坐标,求得模型前后网格角点坐 标,按相应网格法理论计算可得到拖带系坐标下的 变形数据。这些数据的等值线图便可反映出模型相 应的有限应变场和有限转动场。 2.2面状或线状构造优势方位的确定及数据绘图 根据面状或线状构造产状在等面积网施密特 网上投图方法,编制该功能程序。首先转换面状或 线状产状为平面二维坐标的X、Y值;其次在等面积 网上投点,得到构造产状极点图;最后,利用网格法 等值线原理,画出极点等密图,同时还根据不同等级 的等值线求出优势中心。图2a、2b是面状和线状构 872 吉 林 大 学 学 报地 球 科 学 版 2003年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 造在施密特网上的投影原理,据此可得到面状构造 和线状构造的产状与平面坐标的相互转换公式。图 2c是软件得到的节理极点等密图。 面状构造的投影设面状构造产状为φ∠ θ,规 定其法线向上半球投影图2a ,投影极点到圆心的 距离与OP的关系如下OP 2rsin θ 2 ; 当θ 90 时,OP2r,由于投影距离不能超过基圆半径 r,所以投影极点到圆心的距离为d OP 2 2rsin θ 2 。所以面状构造的极点坐标为 x2rsin θ 2 sinφ, y2rsin θ 2 cosφ 。 5 反之,若已知面状构造的极点坐标,可求得面状 构造的产状 φ arctg x y , θ 2arcsin x 2 y 2 2r 2 。 6 线状构造的投影设线状构造产状为ω∠ δ,规 定向下半球投影图2b ,与图2a对比可知,将5式 中的θ换成90-δ,φ用ω代替,即为线状构造的极 点坐标 x2r sin 90-δ 2 sinω, y2r sin 90-δ 2 cosω 。 7 反之,若已知线状构造的极点坐标,可求出线状 构造的产状 ω arctg x y , δ 90- 2arcsin x 2 y 2 2r 2 。 8 节理玫瑰花图节理是地壳中分布最广泛、 最 常见的一种小型构造,所以对它进行研究非常重要。 节理玫瑰花图就是研究节理的一种统计方式。在倾 向、 倾角节理玫瑰花图中,以节理倾向方位角10 为 间距,分别计算各区间节理的条数和倾向平均值、 倾 角平均值;在走向玫瑰花图中,大于180 的走向都减 去180,节理都归到0 ～180 之内,以走向方位角 10 为间距,计算各区间内节理条数,走向平均值。 每个区间间隔的数据投在图中就是对应的一个 坐标点,按顺序连接这些点就绘制出玫瑰花图。具 体绘制倾向玫瑰花图时,坐标点的半径Ri代表节理 条数,半径方位Zi是倾向均值;绘制走向玫瑰花图, 半径Ri表示节理条数,半径方位Zi是走向均值;绘 制倾角玫瑰花图,半径Ri为倾角均值,半径方位Zi 为倾向均值。以圆心为原点,Y轴指向北,X轴指向 东,则上述各区间投点的坐标公式为 Xi Ri Rmax RsinZi, Yi Ri Rmax RcosZi。 9 上式中R为圆半径,程序中取为100;Ri与Rmax 分别为各区间的节理条数或在倾角玫瑰花图中表 示倾角均值和各区间内节理条数最大值或在倾角 玫瑰花图中表示倾角最大值90 ; 在绘制走向玫瑰 花图时,半径方位Zi要进行转换ZiZi- 90 ,以 得到朝北的走向位置。 岩组图的计算机绘制岩组分析是显微构造研 究中重要的内容之一。它是在费氏旋转台上对变形 岩石的某种矿物的结晶要素的空间方位,即对各种 变形向量进行定量测定,经过数据的统计处理,用等 密线绘制成各种岩组图,从其组构对称与运动对称 相对应的原理探讨构造运动的性质和方向。 利用计算机绘制岩组图,其绘图部分原理与面 状、 线状构造等密图原理相同,只需将费氏台上测得 的数据进行一定的预处理,把费氏旋转台上测得的 数据转换成二维坐标数据。此后步骤就与2. 2中方 法一样,在此不用赘述。 褶皱π图解对褶皱构造进行解析时,测定某 些褶皱要素是掌握褶皱空间几何特征的关键,而最 能反映褶皱方位沿平面和剖面方面变化特征的是枢 纽和轴面这两个要素。 对圆柱状褶皱,同一褶皱面的法线总是与该褶 皱枢纽垂直。这些法线在赤平极射投影图上极点的 轨迹,可拟合成一个大圆环带,即π圆。 π圆所代表 平面的法线的极点产状,亦即该褶皱枢纽的产状。 根据同一褶皱面的大量产状,可求出其各产状 的法线方向数l,m,n , 再根据空间矢量关系,两条 线垂直,其矢量积为零。按最小残差平方和理论,可 以拟合出大圆弧并得出褶皱的枢纽产状。 将研究的褶皱视为两翼厚度相近的圆柱状褶 皱,只要获得两翼代表性产状,就可以求出所需的褶 皱参数。中小型或大型褶皱的一段褶皱同一褶皱 972 第3期 周继彬,等构造地质学软件包 StrucK it的设计与开发 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 面的两翼,可简化为两个平面,其交线平行该褶皱的 枢纽。同一褶皱顶角二平面之夹角的角平分面可 视为该褶皱的轴面。当无法获取两翼代表性产状时 如大型褶皱 , 可对两翼同一褶皱层统计大量产状, 采用费歇统计法得到两翼的平均方向数后,可求得 两翼的代表性产状,最后再求枢纽和轴面产状。 2.3构造几何参数及流变参数的求得 三点法求岩层产状及岩层真厚度的计算在野 外工作中,一些面状构造岩层、 构造面、 板状或似板 状矿脉的产状不易测得,但这可以通过间接方法计 算得到,这就要用到三点法原理 [7] 。该方法求面状 构造只需要不在同一垂直或不在同一水平面上的三 个控制点坐标。因此,只要知道了三个控制点,就能 通过该法计算得到面状构造的产状。三点法也适用 于求地质图上的岩层。设定向东为Y轴正方向,向 北为X轴正方向,垂直水平面向上为Z轴正方向, 通过三个控制点坐标计算面状构造的平面方程,该 平面与水平面的交线即为走向线,与水平面的夹角 即为倾角,再依据平面在坐标轴上的截距值判断倾 向。 岩层真厚度的通用计算公式 [8]如下 HL| sinAcosB cos C-D - sinBcosA|。10 L为测线长度;A为岩层倾角 0 ≤A≤90 ; B为测 线倾角沿测线地形坡角,0 ≤B≤90 ; C为岩层倾 向方位角 0 ≤C≤360 ; D为测线倾向方位角 0 ≤D≤360。该功能块设计一个界面输入各项 参数,再按公式就能快捷得出岩层真厚度。 断裂线曲率计算和能干层褶皱流变参数的估算 把断裂线图象转换为黑白二值图象,用计算机图 形学上的八领域法可追踪出断裂线的轨迹坐标,然 后利用轨迹坐标进行曲线拟合,最后由曲率计算公 式可以得出断裂线上各点的曲率值。 当设定X轴指向东,Y轴指向北,则任一断层 迹线上的任一部分线段在X,Y坐标系下可表示成 式11 ,然后进一步得到曲率表达式12 ,再通过计 算机编程,计算得到滑脱断层曲率数据。这些曲率 数据可用于矿产预测 [9]和工程方面的相关工作 yyx。11 k d 2 y dx 2Π1 d y dx 2 3Π2 。12 国外已有学者利用几何分析进行构造物理学研 究。例如Ramburg、Fletcher、Hudleston等先后研究了 单层褶皱几何形态特征与褶皱能干层岩石流变性质 的关系。本功能块就是实现从褶皱的几何形态得到 能干层岩石流变参数的步骤。 褶皱的几何形态可以反映岩石的流变性质,功 能块中对褶皱几何形态采用傅里叶函数拟合得出褶 皱几何形态的曲率分布图和曲率指数大小,根据曲 率指数在Hudleston等 [10] 的有限元模拟数据曲线图 上的投点,可估算出岩石应力指数,最后根据Fletch2 er等 [11] 提出的公式13可求出能干层与基质的粘 度比 LΠh 3.46 m 1Π3 n 1Π6 M n 1Π3 L 。13 3结语 StrucKit的设计与开发过程中,取得如下一些成 果1 StrucKit集成12项功能,基本涵盖了构造地 质学的数据处理内容,能应用于一般的构造地质学 研究工作 ;2 软件有完整的安装向导和完善的帮助 文档,具有很好的完整性 ;3 软件操作简便,界面友 好,数据录入方便,结果显示直观,并能提供结果图 形的转储和打印,具有很好的实用性 ; 4 用计算机 实现了反向轮法测岩石有限应变 ;5 利用计算机图 象学,实现了矿物颗粒的边界判断、 曲线追踪和拟 合。 StrucKit软件相对于以前构造地质学软件或程 序,有以下优点功能的集成、 界面的图形化、 结果的 直观性、 操作的简便性、 运算精度和效率较高等。 StrucKit对构造地质工作有较大的帮助,可减轻人力 物力,提高工作效率;可用于构造地质的演示与教 学,对构造相关领域也有一定的帮助和借鉴作用。 参考文献 [1]Krumm S. 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American Journal of Sci2 ence ,1974 ,2741 0291 043. THE DESIGN AND DEVELOPMENT OF THE SOFTWARE STRUCKIT FOR STRUCTURAL GEOLOGY ZHOU Ji2bin 1 ,2 ,ZENG Zuo2xun 1 ,2 ,Y UAN Jin2rong 3 1. FacultyofEarth Sciences,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074 ,China;2.HuazhongTectonomechanicalResearchCenter, Wuhan430074 ,China; 3.Shanghai Tunnel Engineering and Rail Transit Design and Research Institute,Shanghai200070 ,China Abstract The design and development of StrucKit ,a software for structural geology , is programmed with VB6.0. There are twelve functions in StrucKit. They are respectively the inverse SURFOR wheel and the Fry for the determination of finite strain in rocks , Chen’s grid for the determination of inhomogeneous strain field in a model , calculation of structural preferred orientation , rose diagramfor joints , construction of the fabric diagramfor rocks , three2points problem for the attitude of bedding ,calculation of the absolute thickness of a layer , calculation of the curvatures along curved fault , estimation of rhelogical parameters using competent layer in a fold ,πdiagram andβ diagram for folds. It is easy and convenient to use , with its best character of good display of the graphic results ,and the precision and efficiency is high. It can be used in structural research and other corresponding fields. Key words structural geology; StrucKit ; software packet ; program 182 第3期 周继彬,等构造地质学软件包 StrucK it的设计与开发 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.