METODY GEOLOGICKÉHO VÝZKUMU

METODY GEOLOGICKÉHO VÝZKUMU Konstrukce a interpretace geologických map a geologických řezů Průběžně aktualizované *. pdf verze studijních materiálů volně dostupné na http://web.natur.cuni.cz/ugp/main/staff/zak/mgv

Jiří Žák Ústav geologie a paleontologie PřF UK

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) Úvod Hlavním cílem kurzu "Metody geologického výzkumu" je, aby si studenti osvojili základní znalosti důležité jednak pro práci v terénu a jednak pro následné zpracování a interpretaci získaných terénních dat. Celý kurz je prakticky zaměřen, jeho první část je věnována základům kartografie, práci se souřadnicovými systémy a topografickými podklady pro geologické mapování, základními metodami terénní dokumentace, konstrukce geologických map a geologických řezů. Další část je zaměřena na statistické zpracování orientačních dat a jejich grafickou prezentaci. Hlavní částí kurzu jsou však základní konstrukční úlohy důležité pro tvorbu geologických map a řezů a rovněž interpretace prostorových a časových vztahů geologických těles z geologických map. Po absolvování Metod geologického výzkumu, terénního kurzu geologického mapování a kurzu GIS by studenti bakalářského studia měli být schopni na velmi pokročilé úrovni konstruovat, digitálně zpracovávat, analyzovat a interpretovat geologické mapy a jiné obrazové podklady používané v geologii.

* Pozn. Tyto elektronické texty zdaleka nejsou ve finální verzi, jsou průběžně vylepšovány, doplňovány a upravovány. Prosím proto čtenáře o značnou shovívavost.

1

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) ZÁKLADNÍ TEMATICKÉ OKRUHY 1. Základy práce s topografickými a geologickými mapami Teoretická část Základy kartografie, mapové projekce, souřadnicové systémy Geologické mapy a profily, základní principy konstrukce geologických map, prvky geologických map Základní principy práce v terénu a terénní dokumentace Praktická část Práce se souřadnicovými systémy Konstrukce topografického profilu 2. Zpracování orientačních dat Teoretická část Prostorová orientace geologických ploch a přímek, cirkulární a sférická data, měření geologickým kompasem Zobrazení orientačních dat do geologických map pomocí tektonických znamének Stereografická projekce, základní typy stereogramů, operace na stereografických sítích, software pro tvorbu stereogramů Praktická část Základní operace na stereografických sítích Vynášení tektonických znamének do mapy 3. Průnik geologických ploch s topografickým povrchem Teoretická část Zobrazení povrchu ploch pomocí vrstevnic, průnik geologických ploch s topografickým povrchem Praktická část Pravidlo V Konstrukce průniku geologických ploch zadaných třemi body s topografickým povrchem 4. Obecné principy konstrukce geologických řezů Teoretická část Postup při konstrukci geologických řezů z geologické mapy, volba linie řezu, korekce zdánlivého sklonu a převýšení Praktická část Konstrukce geologického řezu šikmého ke spádnici vrstev Konstrukce převýšeného geologického řezu Konstrukce geologického řezu přes jednoduše zvrásněné vrstvy 5. Konstrukce geologických řezů přes diskordantní soubory vrstev Teoretická část Konkordantní a diskordantní uložení vrstev, typy diskordancí, zobrazení diskordance v geologické mapě Mocnost vrstev a výpočet pravé mocnosti vrstev ze šikmých řezů Praktická část Konstrukce průniku geologických ploch pod povrchem, konstrukce geologických řezů přes diskordantní soubory vrstev Konstrukce stratigrafické kolonky

2

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 6. Balancované řezy Teoretická část Zpětná deformace a geometrické testování geologických řezů, principy konstrukce balancovaných řezů Praktická část Zpětná deformace geologického řezu Konstrukce geologického řezu metodou sklonových domén 7. Vrásy a jejich obraz v geologické mapě a v řezu Teoretická část Základní geometrie a orientace vrás, mapové značky pro vrásy Praktická část Geologické řezy přes zvrásněná území 8. Zlomy a jejich obraz v geologické mapě a v řezu Teoretická část Identifikace zlomů v terénu a v geologické mapě Geometrie a kinematika zlomů Praktická část Konstrukce geologických řezů přes zlomy Určení velikosti přemístění na zlomech z geologické mapy 9. Magmatická tělesa a jejich obraz v geologické mapě a v řezu Teoretická část Základní typy a tvary magmatických těles, jejich vnitřní stavba a strukturní vztahy k okolním horninám Princip intersekce Praktická část Konstrukce geologických řezů přes magmatická tělesa Interpretace časových vztahů magmatických těles 10. Interpretace geologických map Praktická část Časové a prostorové vztahy geologických těles, interpretace vrstevních sledů strukturního vývoje, magmatismu a metamorfního vývoje. Syntéza geologického vývoje vybraných oblastí na základě studia geologických map. 11. Terénní praktikum Praktická část Měření orientace ploch a přímek geologickým kompasem v terénu

3

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 1. ZÁKLADY KARTOGRAFIE ∙ GEOLOGICKÉ MAPY I Topografický podklad A Referenční elipsoid (Map Datum) Referenční elipsoid nahrazuje nepravidelný povrch a tvar Země matematicky definovaným tělesem (elipsoidem, obr. 1.1). Lokální elipsoidy aproximují povrch Země na malém území (stát, region), globální elipsoidy aproximují celou Zemi. Příklad často používaného referenčního elipsoidu je WGS 84.

Obr. 1.1. Příklady referenčních elipsoidů a jejich parametrů.

B

A

Mapová projekce (Map Projection) Mapová projekce je zobrazení, které převádí pomocí matematických transformací referenční elipsoid na pravidelné těleso (kužel, válec) nebo plochu, toto těleso je pak rozvinuto do roviny (mapy). Podle toho, které vlastnosti se zachovají při této transformaci, rozdělujeme projekce na: (i) plochojevné, (ii) délkojevné a (iii) úhlojevné. Podle tělesa, na které je zobrazován referenční elipsoid, rozdělujeme projekce na: válcové, kuželové, azimutální a smíšené (obr. 1.2). Měřítko mapy je poměr mezi vzdáleností dvou bodů na mapě a vzdáleností těchto bodů ve skutečnosti. Konformní zobrazení – v každém bodě na mapě je zachováno stejné měřítko v jakémkoliv směru, poledníky a rovnoběžky se protínají v pravých úhlech. Válcové zobrazení

4

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS)

B

Kuželové zobrazení

C

Azimutální zobrazení

Obr. 1.2. Příklady hlavních mapových projekcí.

C

A

Souřadnicový systém (Grid) Základní souřadnicové systémy používané na mapách jsou: (i) zeměpisné (zeměpisná šířka a délka, udávané v úhlových jednotkách, souřadnicová síť, tj. poledníky a rovnoběžky, je na mapách zakřivená); (ii) pravoúhlé (udávané metrech nebo v kilometrech, souřadnicová síť je pravoúhlá, linie souřadnic jsou přímky, příklady: UTM, S – 42, S – JTSK, viz obr. 1.3); (iii) polární (popis pomocí úhlu a délky, má definovaný počátek a základní směr, na mapách se běžně nepoužívá). UTM

5

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) B

S‐JTSK

Obr. 1.3. Příklady souřadnicových systémů.

III IV

V

VI

Obrazové podklady používané v geologii A Topografické mapy B Letecké snímky C Satelitní snímky D Radarové snímky E Geologické mapy F Geologické řezy a blokdiagramy Geologické mapy, geologické řezy a blokdiagramy Geologická mapa poskytuje třírozměrný obraz distribuce, stáří, tvaru a geometrie geologických těles a jednotek na daném území (hornin, struktur a kontaktů), zobrazený pomocí barev, symbolů a značek na topografickém podkladu. Geologické řezy jsou vertikální řezy územím podél vybrané linie, zobrazující geologickou stavbu pod zemským povrchem. Blokdiagramy jsou třírozměrným zobrazením kombinujícím geologické mapy a řezy. Některé informace, které můžeme získat z geologických map Topografický podklad: topografie a reliéf, říční síť, zeměpisné souřadnice jakéhokoliv bodu na mapě, horizontální vzdálenosti, převýšení zemského povrchu. Geologie: typ a lokalizace jednotlivých horninových jednotek různého stáří, kontakty mezi jednotkami, orientace vrstev a struktur, typ a lokalizace zlomů a vrás. Konstrukce geologických map A Geologické mapování (i) Výběr mapového podkladu, měřítka a oblasti mapování; (ii) terénní práce (orientační mapování, identifikace průběhu kontaktů geologických těles, detailní mapování, gridové mapování, odběr vzorků, terénní dokumentace, vytvoření terénní mapy); (iii) kompilace terénních dat, laboratorní zpracování vzorků, vytvoření čistokresby mapy, sestavení závěrečné zprávy; (iv) digitalizace geologických map a datových souborů, vytvoření databáze terénních měření. B Mapa dokumentačních bodů C Struktura dokumentačního bodu Číslo dokumentačního bodu, geografická poloha, charakter odkryvu, popis hornin (barva, zrnitost, minerály, struktury a textury, kontakty, druh horniny), struktury

6


VII

D

(foliace, lineace, vrásy, zlomy), nákres nebo fotografická dokumentace. Struktura závěrečné zprávy Titul zprávy, geografické vymezení terénu, úvod do geologie studované oblasti, geologický popis studované oblasti (zařazení do regionálně‐geologického celku, petrologie hornin, stratigrafie, tektonika a strukturní vývoj, pokryvné útvary, ložiska nerostných surovin, hydrogeologie, přírodní rizika, střety zájmů).

Geologické mapy A Prvky geologických map Název, okraje, souřadnicová síť, vysvětlivky, stratigrafická kolonka, geologický řez, strukturní a litologické symboly. B Geologické mapové značky C Typy geologických map Mapy odkryté (bez kvartérního pokryvu), zakryté (s kvartérním pokryvem). Komplexní mapy: přehledné, podrobné, základní. Specializované mapy: povrchové (hydrogeologické, stratigrafické, paleogeografické, strukturní, inženýrskogeologické), podpovrchové (důlní, vrtné). D Příklady praktického použití geologických map (i) Profesionální geologové: lokalizace hornin, litologie a struktury, konstrukce geologických řezů a blokdiagramů, rekonstrukce geologické historie oblasti, průzkum a lokalizace zdrojů; (ii) architekti a plánovači: identifikace říčních teras a záplavových oblastí, svahové nestability, aktivní zlomové zóny; (iii) environmentální a stavební inženýři: přírodní rizika oblasti, náklady a technologie na odstranění materiálu z povrchu, náklady a technologie spojené se stavební činností, ukládání odpadu, pevnost, deformace, permeabilita geologických materiálů.

VIII Konstrukce topografického profilu Topografický profil znázorňuje změnu nadmořské výšky zemského povrchu ve vertikální rovině podél zvolené linie v mapě. Topografické profily se konstruují projekcí průsečíků linie řezu s vrstevnicemi na vertikální plochu (obr. 5). Pokud je vertikální měřítko stejné jako horizontální, profily označujeme jako nepřevýšené, pro zvýraznění topografie lze vertikální měřítko libovolně zvětšit (např. 5 krát), takový profil bychom označili jako 5 krát převýšený.

Obr. 1.4. Princip konstrukce topografického profilu.

7

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 2. ZPRACOVÁNÍ ORIENTAČNÍCH DAT I Prostorová orientace geologických tvarových prvků A Lineární prvky 1 Lineace Lineace je deskriptivní (negenetický) termín pro jakýkoliv lineární prvek přítomný v horninách, rozlišujeme celou řadu typů lineací (minerální lineace, lineace protažení, kataklastická lineace, krenulační lineace atd.). 2 Orientace lineárních prvků v prostoru Orientace lineárního prvku (lineace) v prostoru se v geologii definuje pomocí dvou úhlů: směru lineace a sklonu lineace. Nechť V je vertikální rovina proložená lineací, H je horizontální rovina a přímka P je průsečnice těchto dvou rovin. Pak směr lineace je definován jako azimut (úhel měřený vzhledem k severu v intervalu 0°– 360°) přímky P. Sklon lineace je úhel, který svírá lineace přímkou P (měřený ve vertikální rovině, v intervalu 0°– 90°). B Planární prvky 1 Foliace Foliace je deskriptivní (negenetický) termín pro jakýkoliv planární prvek přítomný v horninách (vrstevnatost, kliváž, kompoziční páskování atd.). 2 Orientace planárních prvků Orientace planárního prvku (foliace) v prostoru se v geologii definuje třemi možnými způsoby: spádnicovým (užívaný v České republice), směrnicovým (užívaný v Anglii a USA) a kvadrantovým. (i) Spádnicový způsob definuje orientaci geologických ploch pomocí dvou úhlů, směru sklonu a sklonu. Nechtˇ V je vertikální rovina a H je horizontální rovina. Pak průsečnici (přímku) obecně ukloněné geologické plochy s horizontální rovinou označujeme jako směnici geologické plochy; průsečnice vertikální roviny kolmé na směrnici s geologickou plochou je pak označována jako spádnice této plochy. Proložíme‐li spádnicí vertikální rovinu a označíme‐li její průsečnici s horizontální rovinou jako P, pak směr sklonu geologické plochy je azimut (úhel měřený vzhledem k severu v intervalu 0°‐360°) přímky P. Sklon geologické plochy je úhel, který svírá spádnice s přímkou P (měřený ve vertikální rovině, v intervalu 0°‐ 90°).

Obr. 2.1. Princip měření orientace lineací a foliací v terénu a jejich zobrazení do mapy.

8


C

(ii) Směrnicový způsob definuje orientaci geologických ploch pomocí dvou úhlů, směru a sklonu. Směr plochy je azimut (úhel měřený vzhledem k severu v intervalu 0°‐360°) směrnice plochy (definována výše). Sklon geologické plochy je definován stejným způsobem jako u spádnicového způsobu. (iii) Kvadrantový způsob udává azimut směrnice v intervalu 0°‐ 90°, přičemž je nutné pomocí pravidla pravé ruky specifikovat kvadrant (NE, SE, SW, NW) a směr sklonu plochy. (iv) K převodu mezi směrnicovým a spádnicovým způsobem se v geologii používá tzv. pravidlo pravé ruky: položíme‐li shora na ukloněnou plochu (např. vrstvu nebo jakoukoliv foliaci) pravou ruku, tak aby prsty směřovaly po spádnici, pak směr našeho palce je směrem vrstvy. Je‐li např. vrstva ukloněna pod úhlem 75° (sklon=75°) k jihovýchodu, směr sklonu (azimut) je 135° (jihovýchod), směr vrstvy je 45° (135 ‐ 90°). Anglická terminologie Anglická terminologie popisující orientaci geologických tvarových prvků v prostoru je různá pro plochy a přímky (obr. 2.2); každý geolog by měl tyto termíny ovládat, neboť jejich znalost je nezbytná pro správné pochopení anglicky psaných odborných geologických textů.

1 Orientace lineací Trend je ekvivalent českého termínu směr lineace, plunge je ekvivalent sklonu lineace. Pitch nebo též rake je úhel lineace měřený v rovině foliace (nikoliv tedy ve vertikální rovině) od průsečnice foliace s horizontální rovinou. 2 Orientace foliací Strike je ekvivalentní směru plochy, dip odpovídá sklonu plochy.

9


Obr. 2.2. Anglická terminologie pro orientaci přímek a ploch.

D

Zaznamenávání strukturních měření V geologii se tradičně lineace označují L (angl. lineation) a plochy (foliace) označují zkratkou S (z franc. Schistosité, popř. něm. Schieferung nebo angl. Schistosity = břidličnatost). Příklad: Geologická plocha je ukloněna pod úhlem 70° k severozápadu. Spádnicový způsob S=315/70 Směrnicový způsob S=225/70 Kvadrantový způsob S45W 70

Obr. 2.3. Kvadrantový způsob zaznamenávání strukturních měření.

II

E Zobrazení orientace lineárních a planárních prvků v mapě Tektonické znaménko (obr. 2.1) Stereografické projekce A Stereografické projekce a stereografické sítě Stereografické projekce a stereografické sítě se v geologii používají k zobrazení trojrozměrných dat (prostorové orientace ploch a přímek) a k jejich statistickému zpracování a řešení vzájemných úhlových vztahů. Stereografické sítě vznikají projekcí souřadnic (poledníků a rovnoběžek) kulové plochy do roviny; ekvatoriální (polární) síť vzniká projekcí do rovníkové roviny, meridionální síť vzniká projekcí do roviny proložené nultým poledníkem. Rozvinutím koule (polokoule) do roviny se její zobrazení deformuje, a síť je zkreslená. Úhlojevná (Wulfova) síť – zkreslení je úhlové, plochojevná (Schmidtova nebo Lambertova) síť – zkreslení je plošné. Převod trojrozměrných dat do plochy zahrnuje dva kroky: (i) sférickou projekci, kdy přímku nebo plochu umístíme do středu polokoule (v geologii se používá projekce na spodní polokouli) s orientací odpovídající údajům zjištěným v přírodě (směr a sklon) a promítneme přímku (průmět je bod) nebo plochu (průmět je oblouk) na povrch polokoule; (ii) ortogonální projekci, průmět přímky nebo plochy promítáme

10

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) z povrchu koule do roviny.

Obr.2.4. Zobrazení strukturních přímek a ploch pomocí stereografické projekce.

B

Základní typy diagramů (stereogramů, v geologické praxi označovaných jako „koláče“) Bodový diagram (poučívá se pro zobrazení lineací nebo pólů foliací) Zobrazení ploch pomocí velkých oblouků Konturový diagram (požívá se při velkém počtu měření)

11

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) Růžicový diagram (používá se pro pukliny)

Obr. 2.5. Princip konstrukce konturového diagramu.

12

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 3. VRSTEVNICE ∙ PRŮNIK GEOLOGICKÝCH PLOCH S POVRCHEM ∙ ŘEŠENÍ PLOCH ZADANÝCH TŘEMI BODY I Zobrazení povrchů ploch pomocí vrstevnic (izohyps) A Princip zobrazení ploch pomocí vrstevnic Nepravidelný třírozměrný tvar topografických (např. zemského povrchu), geologických a strukturních ploch (např. vrstevních ploch nebo geologických kontaktů) může být na mapě znázorněn pomocí linií o stejné výšce vůči nějaké referenční ploše, např. hladině moře. Princip tohoto zobrazení zpočívá v tom, že průsečnice nepravidelné plochy (zemského povrchu, vrstevní plochy) se soustavou stejně vzdálených (ekvidistantních) rovin jsou promítány do projekční roviny (mapy) – viz. obr. 3.1. Tímto způsobem lze jakýkoliv nepravidelný trojrozměrný povrch přesně zobrazit v rovině (mapě).

Obr. 3.1. Princip znázornění obecné nepravidelné plochy pomocí izohyps (vrstevnic).

B

II

Základní vlastnosti zobrazení ploch pomocí vrstevnic Mezi základní vlastnosti tohoto zobrazení patří: (i) zobrazovaná plocha má pro dané souřadnice X,Y (geografické souřadnice) pouze jednu hodnotu Z (nadmořská výška); (ii) vrstevnice jsou uzavřené křivky a neprotínají se; (iii) čím strmější je promítaná plocha, tím jsou vrstevnice v mapě blíže; (iv) pravidelné plochy se stejným sklonem jsou v mapě reprezentovány rovnoběžnými, stejně vzdálenými vrstevnicemi; (iv) v daném bodě na geologické ploše je směr této plochy rovnoběžný s vrstevnicí, směr sklonu je k vrstevnici kolmý. Vertikální rozestup vrstevnic se nazývá ekvidistance (e), vzdálenost dvou vrstevnic v mapě se nazývá interval spádu (i). Sklon plochy v daném bodě je pak arctg (e/i).

Průnik geologických ploch s povrchem Nepravidelné geologické plochy (kontakty, vrstevní plochy, zlomy apod.) vychází na zemský povrch přesně v místech, kde nadmořská výška geologické plochy je stejná jako nadmořská výška zemského povrchu. V mapě se křivky průniku geologické plochy se zemským povrchem označují jako tzv. pronikové křivky (viz obr. 3.2). Porovnáním tvaru pronikových křivek s vrstevnicemi lze z geologických map odhadnout orientaci geologické plochy (viz pravidlo V), zároveň tato křivka odděluje na mapě část geologického tělesa, která již byla oderodována (nadmořská výška

13

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) geologické plochy > nadmořská výška povrchu) od části, která je pod povrchem (nadmořská výška geologické plochy < nadmořská výška povrchu). Určení orientace geologických ploch z tvaru pronikových křivek K přibližnému určení prostorové orientace geologických ploch (např. vrstev) z mapy lze využít průběhu a tvaru pronikových křivek. Průběh těchto křivek v geologické mapě závisí na orientaci (směru a sklonu) geologické plochy a tvaru zemského povrchu (vyjádřená pomocí vrstevnic) – viz obr. K odhadu orientace geologických ploch z mapy lze použít tzv. „pravidlo V“. Průnik geologických ploch s topografickým reliéfem tvořícím údolí vytváří charakteristické tvary („V“) pronikových křivek v závislosti na vzájemném sklonu osy údolí (souklonný nebo protiklonný) a orientaci geologické plochy (obr. 3.5).

Obr. 3.2. Pronikové křivky geologických ploch s topografickým reliéfem.

14


Obr. 3.3. Příklad kostrukce pronikové křivky (vápencové vrstvy) v mapě.

Obr. 3.4. Příklad kostrukce izohyps strukturní plochy.

Obr. 3.5. Pravidlo "V".

15

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) III

Plochy definované třemi body Jinou možností, jak v geologii definovat nepravidelné geologické nebo topografické plochy a povrchy jinak než pomocí vrstevnic (izohyps) je jejich zadání pomocí sítě bodů o souřadnicích X, Y, Z (např. zeměpisná délka, šířka a nadmořská výška), které leží na těchto plochách. Při dostatečné hustotě těchto bodů můžeme jakoukoli plochu nebo povrch graficky znázornit pomocí tzv. nepravidelné triangulární sítě (TIN – „triangulated irregular network“). Nejjednodušším případem obecné geologické plochy je rovina (např. rovná vrstevní plocha), kterou lze přesně zadat polohou tří bodů na této rovině (např. výchozy určité vrstvy v terénu o známých souřadnicích), které neleží v přímce. Tohoto principu lze využít při řešení řady geologických úloh na mapách („three point problem“) – obr. 3.6 a 3.7.

Obr. 3.6. Rovina definovaná třemi body.

IV

Znázornění povrchu strukturních ploch pomocí izohyps V rámci této přednášky budeme řešit pouze geologické plochy a jejich průnik se zemským povrchem pro případ, kdy jsou planární (jsou to roviny) a mají konstatní směr a sklon (např. monoklinálně uložené vrstvy sedimentů). Princip zobrazení povrchu takto jednoduchých strukturních ploch pomocí izohyps je znázorněn na obr. 3.4 a 3.7. Izohypsy jsou v tomto případě od sebe stejně vzdálené přímky a zároveň reprezentují směr vrstev nebo strukturních ploch, směr sklonu je na ně kolmý a hodnotu sklonu je nutné vypočítat pomocí jednoduchých úhlových vztahů.

Obr. 3.7. Konstrukce izohyps a řezu z geologické plochy definované třemi body.

16

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 4. KONSTRUKCE GEOLOGICKÝCH ŘEZŮ I I

II

III

Geologické řezy a základní principy jejich konstrukce Geologické řezy jsou jednou z nejdůležitějších metod zobrazení prostorových vztahů geologických těles, představují zobrazení povrchových nebo podpovrchových geologických dat ve vertikální rovině rovnoběžné se zvolenou linií řezu v mapě. Zdrojem dat pro konstrukci geologických řezů jsou (i) geologické mapy; (ii) vrty; (iii) kombinace vrtných a povrchových dat; (iv) geofyzikální metody, zejména reflexní seismika. Geologické profily, které vycházejí pouze z povrchové geologické situace se označují jako ideové řezy, neboť podpovrchové vztahy a orientace geologických těles jsou výsledkem interpretace a extrapolace povrchových dat. Povrchová data buďto umožňují jednoznačné řešení profilu, nebo existuje více možností (zakrytost terénu, neúplná či nepřesná data). Ověřené řezy zahrnují i data z vrtů. Pro složitější strukturní práce se konstruují tzv. balancované řezy, které po „oddeformování“ poskytují nedeformovaný původní stav vrstev a geologických těles. Konstrukce topografického profilu Při konstrukci topografického profilu podél linie řezu vyneseme nejprve soustavu pomocných horizontálních čar odpovídajících jednotlivým výškovým úrovním, do takto připraveného podkladu pak vyneseme průsečíky jednotlivých vrstevnic s linií řezu podle jejich výškových hodnot. Spojením těchto bodů dostaneme tzv. profilovou křivku terénu ve vertikálním řezu. Topografické profily se konstruují buďto nepřevýšené (výškové měřítko = délkové měřítko) nebo převýšené (obr. 4.2). Konstrukce geologických řezů z mapy A Volba linie řezu Linie řezu volíme tak, aby: (i) byla kolmá k průběhu geologických struktur (tj. kolmo k vrásovým osám, zlomovým plochám, směru vrstev), důvodem je aby byla v řezu co nejvěrněji zobrazena geometrie těchto struktur (vliv orientace řezu na výsledný tvar struktury – viz obr. 4.1 a 4.2); (ii) zachytila co nejvíce míst s objektivními geologickými daty a místa s nejúplnějším sledem vrstev; (iii) vystihovala záměr a požadavky konstrukce řezu.

Obr. 4.1. Vliv orientace řezu na výsledný vzhled geologické struktury (a – různé řezy přes válec, b – brachyantiklinála zobrazená pomocí izohyps).

17


B

C

D

Projekce geologických dat na linii řezu (i) Projekce geologických kontaktů na profilovou křivku topografického povrchu a vyznačení kontrolních bodů; (ii) projekce strukturních dat (rovnoběžně se směrem vrstev nebo ploch); (iii) korekce zdánlivých sklonů a převýšení; (iv) vynesení krátkých kontrolních linií znázorňujících sklon kontaktů a struktur na povrchu. Interpretace povrchových geologických dat Interpretace povrchových geologických dat nesmí být v rozporu s obecnými geologickými zákonitostmi (např. princip superpozice, zachování konstatní mocnosti vrstev pokud není zjištěno jinak) a se zjištěnými objektivními daty, nesmí odporovat logice, zákonitostem a vztahům geologických těles vyplývajícím z mapy, naměřených hodnot a strukturnímu stylu geologických těles na povrchu. Náležitosti geologických řezů (i) Název a označení řezu; (ii) orientace řezu v souladu s geologickou mapou a topografickým podkladem; (iii) vertikální a horizontální měřítko a údaje o převýšení řezu; (iv) legenda použitých značek; (v) název organizace, jméno a datum vyhotovení řezu.

IV

Konstrukce převýšených geologických řezů Jakákoliv změna vertikálního nebo horizontálního měřítka geologických řezů má vliv na mocnost a sklon zobrazovaných geologických jednotek (obr. 4.2, 4.3). Vertikální převýšení řezu (Ve):

Ve =

vv v

Změna horizontálního měřítka (He):

He =

hh h

kde vv (hh) je převýšený vertikální (nebo změněný horizontální) rozměr a v (h) je rozměr odpovídající měřítku v mapě. Zdánlivý sklon po převýšení nebo změně horizontálního měřítka odpovídá skutečnému sklonu podle vztahu:

tan δv = Ve tan δ tan δ tan δh = He kde δv a δh je sklon po změně měřítka (převýšení) a δ je skutečný sklon. Změna mocnosti pravé mocnosti vrstev v důsledku změny měřítka je dána vztahy (obr. 4.2, 4.3):

tv ⎛ cos δv ⎞ = Ve ⎜ ⎟ t ⎝ cos δ ⎠

th ⎛ cos δh ⎞ =⎜ ⎟ t ⎝ cos δ ⎠

Obr. 4.2. Vliv převýšení a změny horizontálního měřítka na mocnost vrstev.

18


Obr. 4.3. Vliv převýšení řezu na výsledný vzhled geologických struktur.

V

Konstrukce řezů šikmých k průběhu geologických struktur Při konstrukci řezů, které jsou šikmé k průběhu geologických struktur (tj. např. řezy šikmé ke spádnici vrstev) musí být provedena korekce skutečného sklonu geologických ploch na zdánlivý sklon v rovině řezu. Zdánlivý sklon geologické plochy je sklon měřený ve vertikální rovině, která není rovnoběžná se spádnicí této plochy. Tento zdánlivý sklon je funkcí sklonu geologické plochy a úhlu linie řezu vůči směru sklonu této plochy. Přepočet zdánlivého sklonu na skutečný: tan δa = tan δt ⋅ cosϕ kde δa je zdánlivý sklon, δt skutečný sklon a φ je úhel linie řezu a spádnice plochy (obr. 4.4).

Obr. 4.4. Výpočet skutečného sklonu ze šikmých řezů.

19

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) Odvození z obr. 4.4:

p p r ; tan δt = ; cos ϕ = q r q p p r = × ; tan δa = tan δt ⋅ cosϕ q r q

tan δa =

VI

Konstrukce lomených řezů Při konstrukci lomených řezů nesmíme zapomenout vyznačit místo lomu řezu, změna orientace linie řezu se projeví změnou sklonu geologických ploch v řezu (korekce zdánlivého sklonu).

20

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 5. KONSTRUKCE GEOLOGICKÝCH ŘEZŮ II ∙ MOCNOST VRSTEV ∙ KONSTRUKCE STRATIGRAFICKÉ KOLONKY I Konstrukce řezů přes diskordantní soubory vrstev Konstrukce geologických řezů přes diskordantní uložení dvou souborů vrstev, tj. souborů vrstev s různou orientací (směrem sklonu a sklonem) je založena na konstrukci průsečnic vrstev a plochy diskordance v mapě (na základě izolinií o stejných nadmořských výškách – vrstevnic), průnik těchto linií s linií řezu je pak vynášen do geologického řezu jako kontrolní body (kontakty) – viz obr. 5.1.

Obr.5. 1. Konstrukce geologického řezu přes území s diskordantním uložením vrstev.

II

Určení mocnosti vrstev A Mocnost geologického tělesa Nejkratší vzdálenost mezi dvěma omezujícími hraničními plochami geologického tělesa (např. mocnost vrstvy – nejkratší vzdálenost vrstevní ploch). Pravá mocnost je mocnost měřená ve směru kolmém na vrstevní plochy, nepravá je mocnost měřená v šikmém řezu. Důležitou úlohou v geologii je výpočet skutečné, tj. pravé mocnosti geologických těles, ať pro interpretaci geologické stavby nebo např. pro určení zásob nerostných surovin. B Výpočet mocnosti vrstev ze šikmých řezů 1 Trigonometricky Na vodorovné ploše (rovný, plochý terén bez reliéfu) – viz obr. 5.2. Na ukloněných plochách (terén s výrazným reliéfem, vrstvy vycházejí ve svahu) – viz obr. 5.2.

21

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 2

Pomocí ortografické projekce z mapy – obr. 5.3. t = DE = CE – CD δ = CBE = ABF sin (CBE) = CE/BE = CE/h CE = hsin (CBE) = hsin δ cos (ABF) = BF/AB = BF/v cos δ = BF/v = CD/v CD = vcos δ , t = hsin δ ‐ vcos δ

Obr. 5.2. Výpočet pravé mocnosti vrstev ze šikmých řezů v rovině a ve svahu.

22


Obr. 5.3. Výpočet pravé mocnosti z geologické mapy pomocí ortografické projekce.

III

Konstrukce stratigrafické kolonky Stratigrafická kolonka (“stratigraphic column”) je zjednodušený nákres geologie vybraného území zobrazující relativní stáří, posloupnost geologických jednotek (stratigrafickou sukcesi) včetně intruzí a metamorfózy, vzájemný poměr jednotlivých souborů vrstev, přerušení sedimenatce (stratigrafické hiáty), diskordance a mocnosti jednotlivých geologických těles (souborů vrstev, vulkanosedimentárních sekvencí apod.). Při kostrukci stratigrafické kolonky vyjadřuje vertikální osa mocnost vrstevních sledů, horizontální často jejich litologii či zrnitost a odolnost vůči erozi a zvětrávání (měkké jílovce vs. odolné slepence). Ve stratigrafické kolonce nejsou primárně zahrnuta strukturní data (průběh vrás či zlomů), nicméně v kombinaci s geologickými řezy mohou poskytnout celou řadu podstatných informací pro interpretaci strukturního vývoje. Stratigrafické kolonky se konstruují (i) z geologické mapy – příklad viz obr. 5.4; (ii) z vrtů a (iii) seismických profilů.

Obr. 5.4. Geologická mapa, geologický řez a příklad stratigrafické kolonky.

23

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 6. BALANCOVANÉ GEOLOGICKÉ ŘEZY ∙ METODA SKLONOVÝCH DOMÉN I Konstrukce balancovaných řezů Doposud jsme se zabývali pouze konstrukcí ideových řezů, tj. řezů kde zobrazení podpovrchové geologické situace je založeno pouze na interpretaci povrchových geologických dat (orientací geologických těles a kontaktů). Existuje však celá řada metod, jak konstruovat přesnější geologické řezy a testovat geometrickou správnost interpretace povrchových geologických dat. Tyto metody jsou založeny na “oddeformování” geologických struktur (vrás, zlomů) zobrazených na geologickém řezu, tj. jejich navrácení do původního nedeformovaného stavu (obr. 6.1). Po takovémto “oddeformování” a zobrazení původní geometrie geologické struktury by jednotlivé vrstvy zobrazené řezem měli mít stejné délky, jednotlivé segmenty (například ramena vrás, bloky oddělené jednotlivými zlomy) by se neměli překrývat anebo vznikat mezi nimi mezery (obr. 6.2). Tyto konstrukce jsou pouze geometrické (nevztahují se k směru tektonického transportu, velikosti přemístění, orientaci napětí apod.) a předpokládají konstatní objem geologických těles při deformaci (objemové změny jsou rovny nule), tudíž i plochy geologických těles v řezu před a po deformaci jsou uvažovány jako konstantní. Takovéto geometricky správné a ověřené řezy, které vyhovují všem těmto kritériím, se označují jako balancované řezy (“balanced cross‐ sections”). Pokud jakýkoliv geologický řez není správný geometricky (po “oddeformování” se vrstvy překrývají nebo na sebe nenavazují), nemůže být správný ani geologicky. Při konstrukci původní předdeformační geometrické konfigurace geologických těles z geologických řezů si nejdříve zvolíme referenční horizont (např. určitá vrstva nebo nadmořská výška) nad kterým budeme provádět konstrukci a zvolíme si fixní linii (kolmo k vrstvám nebo rovnoběžně s osními rovinami vrás) od které budeme vynášet např. délky jednotlivých segmentů vrstev. Existují tři základní metody jak konstruovat původní geometrii deformovaných geologických těles: (i) zpětné přemístění pevného tělesa (tato metoda se používá v případě, kdy veškerá deformace geologických těles byla akomodována pouze přemístěním rigidních bloků, např. podél zlomů), obr. 5; (ii) metoda ohybového skluzu – obr. 6.3. ‐ (tato metoda vychází z předpokladu, že délka vrstev před a po deformaci je konstatní, obr. 6.4); (iii) metoda konstatních ploch – obr. 6.5 ‐ (tato metoda se používá při rekonstrukci struktur, kde došlo k výrazným změnám mocnosti či délky vrstev, ale jejich plocha v řezu je uvažována jako konstantní).

Obr. 6.1. Princip rekonstrukce nedeformovaného stavu geologických těles na příkladu násunu.

24


Obr. 6.2. Chybně zkonstruovaný geologický řez (po oddeformování vznikají překryvy nebo mezery mezi vrstvami).

Obr. 6.3. Konstrukce původní geometrie deformovaných geologických těles – metoda přemístění pevného tělesa.

25


Obr. 6.4. Konstrukce původní geometrie deformovaných geologických těles – ohybový skluz.

Obr. 6.5. Konstrukce původní geometrie deformovaných geologických těles – konstatní délka vrstev, pokud jsou po oddeformování jednotlivé vrstvy nestejně dlouhé, je geologický řez geometricky chybný.

26


Obr. 6. Konstrukce původní geometrie deformovaných geologických těles – konstantní plochy.

II

Konstrukce řezů metodou sklonových domén Tato metoda vychází z předpokladu, že údaje o sklonu vrstev na povrchu indikují podpovrchovou geometrii geologických struktur (např. vrás), lze ji aplikovat tam, kde předpokládáme jednoduché vrásové struktury a konstatní mocnost vrstev. Tyto předpokládají buďto existenci planárních segmentů mezi osními rovinami vrás (geometrie typu zalomených vrás) nebo předpokládají, že jednotlivé segmenty vrstev reprezentují části kruhových oblouků. Principy těchto konstrukcí – viz obr. 7.

Obr. 6.7. Konstrukce geologických řezů metodou sklonových domén (a – mapa, b a c řez).

27

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 7. VRÁSOVÉ STRUKTURY ∙ ZÁKLADNÍ GEOMETRIE ∙ JEJICH OBRAZ V GEOLOGICKÉ MAPĚ A V GEOLOGICKÝCH ŘEZECH I Vrásové struktury – úvod V této části bude hlavní pozornost směřována pouze na základní geometrické aspekty studia vrásových struktur (tj. jejich tvar a orientaci), které mají význam pro práci v terénu, interpretaci geologických map a konstrukci geologických řezů. Zanedbány budou mechanické principy vzniku a vývoje vrásových struktur a celá řada pokročilejších geometrických metod vrásové analýzy (viz Ramsay a Huber, 1987; Price a Cosgrove, 1991; Ghosh, 1993, Plamínek, 1992). Vrásové struktury (vrásy) patří k jednomu z nejběžnějších typů struktur, které můžeme pozorovat v terénu. Vrásy představují spojité struktury s periodicky opakujícím se strukturním tvarem (typicky na nich nedochází ke vzniku ploch nespojitosti, jako v případě zlomů nebo puklin), které vznikají deformací (ohybem) preexistujících ploch (vrstevnatosti, starší foliace). Vrásy se vyskytují v litosféře ve různých měřítkách (od mikroskopických, mezoskopických pozorovatelných na výchozech až po velké vrásy v měřítku desítek a stovek km) a ve všech typech hornin. II Základní geometrické prvky vrás v profilu a v 3‐D K základním geometrickým prvkům, které jsou důležité pro popis vrás v terénu patří: (i) zámek vrásy (bod na profilu vrásy s maximálním zakřivením vrásněné plochy; (ii) inflexní bod (bod, kde je zakřivení vrásového profilu rovno nule); (iii) vrchol a spodina vrásy (nejvýše a nejníže položené body na vrásovém profilu); (iv) ramena vrásy (část vrásového profilu mezi zámkem a inflexním bodem); (v) vrásová osa (b‐osa, osa ohybu vrásové plochy) a (vi) osní rovina. Dalšími důležitými parametry, charakterizujícími vrásové struktury, je amplituda, vlnová délka a velikost meziramenního úhlu (úhel, který svírají přilehlá ramena vrás).

Obr.7.1. Základní geometrické prvky vrásové struktury: vrásová osa (fold axis), zámek (hinge), inflexní bod, rameno vrásy (fold limb), osní rovina vrásy (axial surface).

III

IV

Antiklinála, synklinála, antiforma, synforma Termíny antiklinála a synklinála nemají pouze geometrický, ale i stratigrafický význam, u antiklinál vystupují nejstarší vrstvy v jádře, u synklinál je tomu naopak. Pokud není známa stratigrafická sukcese ve zvrásněném souboru vrstev, je lepší použít termíny antiforma a synforma. Jako antiklinoria a synklinoria jsou označovány složitě zvrásněné oblasti, v nichž vrásy velkého měřítka tvoří antiklinální, resp. synklinální ohyby. Základní typy vrás A Podle tvaru vrásy podél vrásové osy (i) cylindrické vrásy; (ii) necylindrické vrásy; (iii) brachyvrásy

28


B C

Podle symetrie vrásových ramen (i) symetrické vrásy; (ii) asymetrické vrásy Podle velikosti meziramenního úhlu (i) Rozevřené vrásy (180° – 120°); (ii) otevřené vrásy (120°‐ 70°); (iii) zavřené vrásy (70°‐ 30°); (iv) sevřené vrásy (30°‐0°); (v) izoklinální vrásy (0°), (vi) zaškrcené vrásy.

Obr.7. 2. Základní geometrické typy vrás (cylindrické, necylindrické, symetrické, asymetrické).

Obr. 7.3. Brachyvrásy (dómy a pánve) a další speciální typy necylindrických vrás.

Obr. 7.4. Klasifikace vrás podle velikosti meziramenního úhlu (interlimb angle).

V

Orientace vrás v prostoru Pro popis polohy vrásové struktury v prostoru je důležitá hlavně orientace vrásové osy, osní roviny a vrásových ramen, všechny tyto parametry obvykle měříme na výchozech. Podle orientace vrásové osy rozlišujeme vrásy (i) horizontální; (ii) ponořující se; (iii) vertikální. Podle sklonu osní roviny rozlišujeme vrásy: (i) přímé (vertikální osní rovina); (ii) nakloněné (mírně – 10°‐30°, středně – 30°‐ 60°, strmě – 60°‐80°); (iii) ležaté (0°‐10°); (iv) ponořené (záporný úhel).

29


Obr. 7.5. Orientace vrás v prostoru – sklon vrásové osy a osní roviny.

V

Vergence a "facing" Vergence vrás je směr jejich naklánění nebo překocování, facing je směr, kterým vrstvy mládnou, měří se v osní rovině vrásy kolmo k její vrásové ose.

Obr. 7.6. Facing.

VI

Asymetrie parazitických vrás a kritéria převrácených vrstevních sledů Pro studium vrás větších měřítek v terénu mají velký význam dvě velmi užitečné informace: určení směru stratigrafického nadloží (mládnutí vrstev) na výchoze, umožňující identifikaci normálních a převrácených (překocených) vrstevních sledů, a asymetrie drobných parazitických vrás, umožňující interpretaci v které části větší vrásové struktury se studovaný výchoz nachází. A Kritéria pro určení převrácených vrstevních sledů V sedimentárních souvrstvích lze pro určení směru mládnutí vrstev použít několik kritérií: (i) šikmé zvrstvení; (ii) gradační zvrstvení; (iii) výplně dutin v sedimentech; (iv) orientace schránek mlžů nebo ramenonožců; (v) paleontologická data. Ve

30


B

vulkanických horninách se podobným způsobem používají dutiny v lávových proudech, kontaktní aureoly lávových proudů a tvar polštářů v pillow lávách. V plutonických horninách lze použít projevy kompakce živcových vyrostlic v podloží mafických ložních žil a drobné diapirické struktury na rozhraní magmat odlišného složení. V metamorfovaných horninách byly použity pro interpretaci směru do nadloží některé struktury v migmatitech, vznikající únikem taveniny (leukosomu) směrem vzhůru. Asymetrie drobných parazitických vrás Dalšími užitečnými terénními pomůckami pro mapování velkých vrásových struktur, které můžeme použít při studiu drobných vrás na výchozech, je asymetrie drobných parazitických vrás a intersekce kliváže a vrstevnatosti ve vrásových ramenech. Tyto struktury umožňují interpretovat v které části větší vrásové struktury se studovaný výchoz nachází. Drobné parazitické vrásy (vrásy malého měřítka, které „parazitují“ na větších vrásových strukturách) jsou obvykle asymetrické, pokud se nalézají v protilehlých vrásových ramenech („S“ a „Z“ geometrie) nebo jsou symetrické a mají tvar písmene „M“, pokud se nachází v zámkové oblasti. Podobně lze použít i intersekce kliváže a vrstevnatosti, protože stopa vrstevnatost‐kliváž‐vrstevnatost v protilehlých ramenech vrásového profilu má tvar buďto písmene „S“ nebo „Z“ – viz obr. 7.7.

Obr. 7.7. Asymetrie drobných parazitických vrás a intersekce kliváže s vrásněnou foliací.

V

Interference vrásových souborů V oblastech, které prodělaly komplikovaný polyfázový deformační vývoj, často dochází k vzájemné superpozici (interferenci) vrásových struktur, výsledkem jsou pak mnohem komplikovanější geometrie vrás než v případě jednoduchých vrás vzniklých během jedné deformační události. Výsledná geometrie vrás pak závisí na vzájemné orientaci a tvaru superponovaných (interferujících) vrás.

31

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 8. ZLOMY ∙ ZÁKLADNÍ GEOMETRIE ∙ ANALÝZA ZLOMŮ V TERÉNU ∙ OBRAZ ZLOMŮ V GEOLOGICKÉ MAPĚ A V GEOLOGICKÝCH ŘEZECH I Zlomy – úvod Zlomy představují struktury, na kterých došlo k přerušení spojitosti horniny (k jejich frakturaci) a podél nichž docházelo k významnému přemístění (na rozdíl od puklin). Zlomy jsou většinou vyvinuty jako plochy nespojitosti, popřípadě širší zlomové zóny. V přírodě se zlomy vyskytují ve všech měřítkách, od velkých krustálních zlomů až po mikroskopické fraktury. Podobně jako v předchozí části, týkající se vrás, zde budou popsány pouze základní geometrické aspekty studia zlomů, které mají význam pro analýzu zlomů v terénu a zobrazení zlomů v mapě a v geologických řezech. II Identifikace zlomů v terénu a v geologické mapě Zlomy lze v terénu identifikovat na základě celé řady kritérií: (i) diskontinuita geologických těles a struktur, přítomnost zlomových ploch na výchozech; (ii) stopy pohybu na zlomových plochách (striace, orientovaný růst minerálů); (iii) deformace okolních hornin (dislokační brekcie, vznik kataklazitů a mylonitů); (iv) mineralizace a hydrotermální alterace; (v) geomorfologie terénu (zlomové deprese a svahy). V geologické mapě se zlomy projevují jako ostré diskontinuity ve tvaru geologických těles a struktur, náhlá přerušení, opakování nebo naopak absence vrstev ve vrstevních sledech.

Obr. 8.1. Rozdíl v sekvencích vrstev při vrásové a zlomové deformaci v geologickém řezu.

IV Základní geometrie zlomů Jednoduché zlomy jsou tvořeny zlomovou plochou, která odděluje jednotlivé bloky (kry). Průnik zlomové linie s povrchem se označuje jako zlomová linie. Blok, která leží pod ukloněnou zlomovou plochou se označuje jako podložní („footwall“), blok, který leží nad ní jako nadložní („hanging wall“). Analýza zlomů zahrnuje analýzu orientace zlomových ploch a asociovaných struktur, kinematickou analýzu (velikost přemístění, smysl pohybu) a dynamickou analýzu (orientace hlavních napětí). A Orientace zlomu Orientace zlomu je definována orientací zlomové plochy (jejím sklonem a směrem). U zlomů se někdy uvádí nejen úhel sklonu měřený od horizontální roviny ("dip"), ale i doplňkový úhel od vertikální roviny proložené směrovou přímkou zlomové plochy ("hade"). Podle sklonu zlomové plochy se rozlišují zlomy vysokoúhlové ("low‐angle faults") a nízkoúhlové ("high‐angle faults"), v české terminologii mírně, středně a strmě ukloněné. Vzhledem k orientaci vrstev a zlomové plochy se rozlišují zlomy směrné ("strike faults"), úklonové ("dip faults") a vrstevní ("bedding‐plane faults"). Kromě orientace zlomové plochy je dalším důležitým parametrem, který měříme v terénu, orientace lineace na zlomové ploše, neboť ta indikuje směr paralelní s vektorem přemístění na zlomu.

32


Obr. 8.2. Základní geometrie zlomů.

B

Přemístění na zlomové ploše Celkový posun, tj. vektor přemístění na zlomové ploše ("net slip") lze rozložit do několika složek: složky paralelní se směrem sklonové plochy – směrový posun ("strike slip") a složky paralelní se sklonem zlomové plochy – sklonový posun ("dip slip"). Sklonový posun má horizontální ("heave") a vertikální složku ("throw"). Podle orientace zlomové plochy vzhledem k celkovému posunu, rozlišujeme horizontální (směrové) posuny ("strike‐slip faults"), sklonové posuny ("dip‐slip faults") a diagonální posuny ("oblique‐slip faults"). Pokud dochází pouze k posunu bloků podél zlomové plochy, označujeme takové zlomy jako translační, pokud dochází i k vzájemné rotaci, označujeme takové zlomy jako rotační.

Obr. 8.3. Základní terminologie přemístění na zlomech.

C

Kinematika (smysl pohybu) na zlomech Existuje několik základních možností vzájemného pohybu jednotlivých bloků podél zlomové plochy: (i) v případě horizontálních posunů, kdy se veškerý pohyb na zlomu odehrává v horizontálním směru, mohou nastat dva případy relativního pohybu bloků – levostranný (sinistrální, "left‐lateral"), tj. proti směru hodinových ručiček, a pravostranný (dextrální, "right‐lateral"), tj. po směru hodinových ručiček; (ii) pokud dochází k pohybu ve směru spádnice zlomové plochy (např. nadložní blok se pohybuje nahorů nebo dolů), hovoříme o poklesové nebo násunové kinematice zlomu. V anglické terminologii se při popisu kinematiky násunů udává směr přemístění nadložní kry, např. "top‐to‐the‐W" znamená přemístění nadložní kry západním směrem; u poklesů se udává, který blok vystupoval směrem nahoru, např. "NE‐side‐up" znamená, že blok, který se nachází na severovýchod od zlomové plochy se pohyboval směrem vzhůru relativně k nadložnímu bloku.

33

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) Určení smyslu pohybu na zlomových plochách může být problematické, nejčastěji se používá asymetrických hrbolků, které mají strmou stranu orientovanou po směru pohybu zlomu, nejedná se však o jednoznačná kritéria, a proto je třeba při interpretaci pohybu na zlomech použít více znaků najednou (vlek vrstev, stratigrafie).

Obr. 8.4. Základní kinematické typy zlomů.

34


Obr. 8.5. Translační a rotační zlomy a základní terminologie pro translační zlomy (posuny).

Obr. 8.6. Smysl pohybu na zlomech.

V

Vztah zlomů a hlavních napětí Analýzu vztahu orientace napětí a zlomů označujeme jako dynamickou analýzu. Základní koncepce vztahu zlomů k napěťovému režimu byla odvozena britským

35

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) geologem E. M. Andersonem. Obecně orientované napětí působící na plochu pod určitým úhlem, můžeme rozložit na dvě složky – střižné napětí (ve směru plochy) a normálové napětí (kolmo na plochu). V tělese, na které působí obecně orientované trojosé napětí, můžeme vždy nalézt tři na sebe kolmé plochy, na kterých je střižná komponenta napětí nulová. Tři na sebe kolmá normálová napětí, a zároveň kolmá k těmto plochám, pak označujeme jako hlavní napětí (maximální, střední a minimální), a značíme jako σ1, σ2, σ3. Andersonova klasifikace zlomů je založena na předpokladu, že zemský povrch (rozhraní země a vzduchu) je plochou, kde je nulové střižné napětí, a tedy jedno z hlavních napětí musí být vždy kolmé k zemskému povrchu (je vertikální), zbylá dvě jsou pak orientována horizontálně. Na tomto principu lze pak zlomy klasifikovat do tří kategorií: (i) horizontální posuny (σ1 a σ3 jsou horizontální, σ2 je vertikální); (ii) poklesy (σ1 je vertikální, σ2 a σ3 horizontální); (iii) násuny nebo přesmyky (σ1 a σ2 jsou horizontální, σ3 vertikální).

Obr. 8.7. Vztah zlomů a hlavních napětí (poklesy, horizontální posuny, násuny).

36

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 9. MAGMATICKÁ TĚLESA ∙ ZÁKLADNÍ TYPY MAGMATICKÝCH TĚLES, RELATIVNÍ ČASOVÉ VZTAHY A JEJICH OBRAZ V GEOLOGICKÉ MAPĚ I Úvod Magmatická tělesa, jejich časové a geometrické vztahy k okolním horninám a jejich obraz v geologické mapě, často poskytují velké množství důležitých informací pro celkovou interpretaci geologického vývoje mapovaného území. Navíc se dají často velmi dobře datovat radiometrickými metodami, což v případě, dobře známe jejich strukturní vztahy k okolním horninám umožňuje nepřímo odhadovat stáří geologických procesů v okolí intruzí. V této části bude pominuta fyzikálně‐chemická problematika magmatických procesů a hlavně se zaměříme na aspekty důležité pro práci v terénu a interpretaci geologických map, tj. základní typy a tvary magmatických těles a jejich obraz v mapě či geologickém řezu.

Obr. 8.1. Kontakty magmatických těles v geologické mapě: A – diskordance, B – intruzívní.

II

Strukturní vztahy magmatických těles k okolním horninám Z hlediska strukturního vztahu k okolním horninám, rozlišujeme dva základní typy magmatických těles: konkordantní a diskordantní. Konkordantní tělesa intrudují paralelně s preexistující foliací (vrstevnatost nebo jakákoliv jiná planární stavba) okolních hornin, diskordantní tělesa intrudují napříč nebo šikmo k foliaci okolních hornin. Toto rozdělení ztrácí smysl, pokud magma intruduje do hornin bez stavby (např. masívní s všesměrnou texturou). Velmi často však v terénu můžeme pozorovat mnohem komplikovanější vztahy, kdy např. celkově diskordantní kontakt je lokálně konkordantní apod.

Obr. 8.2. Konkordantní (A) a diskordantní (B) magmatická tělesa – žíly.

37


Obr. 8. 3. Konkordantní a diskordantní tělesa v mapě a v řezu.

III

Základní typy a tvary magmatických těles Tělesa magmatických hornin se v litosféře vyskytují ve velkém rozmezí velikostí (mm‐ mocné žíly < pně < 100 km2 < batolity až po tělesa 150 x 75 km v dnešním denudačním řezu), různého vertikálního rozsahu (několik m až desítky km) a tvarů od víceméně planárních a tabulárních těles (žíly, sily, lakolity, lopolity, kuželové žíly, kruhové žíly, tabulární plutony) až po cirkulární, eliptická a nepravidelná tělesa (plutony, litodémy, intruzívní suity, batolity). Plutony jsou většinou jednoduchá intruzívní tělesa; litodémy jsou jednotky hornin podobného složení, textury a stáří (ekvivalent souvrství v sedimentárních sekvencích); intruzívní suita je tvořena kogenetickými litodémami a plutony, které jsou si podobné stářím, texturami, složením a geografickou polohou (ekvivalent stratigrafické skupiny). Velikost, tvar a orientaci magmatických těles můžeme interpretovat buďto na základě terénních pozorování (menší tělesa, které lze pozorovat v měřítku výchozu, např. žíly) nebo z geologické mapy (velká tělesa). Nicméně je důležité si uvědomit, že původní trojrozměrný tvar celého tělesa nelze nikdy přesně určit – část nad zemským povrchem již byla oderodována a podpovrchová část není vidět, pokud nemáme data např. z vrtů. Tvar velkých geologických těles se tedy obvykle nepřímo interpretuje z jejich průběhu a obrazu v geologické mapě, vnitřní stavby a orientaci a charakteru kontaktů, kterými je těleso vymezeno. Z celé řady variabilních typů a tvarů magmatických těles zde budou zmíněny pouze základní nejběžnější typy těles, s kterými se lze v terénu a v geologických mapách setkat. Nejjednodušší klasifikace magmatických těles je založena na hloubce jejich vmístění a chladnutí – intruzívní tělesa (podpovrchová, mělká – subvulkanická, hlubinná ‐ plutonická) a extruzívní (na zemském povrchu, produktem vulkanické činnosti). Intruzívní tělesa: (i) žíly – jsou deskovitá tělesa s poměrem šířka/ délka ~ 1/100 – 1/1000, jsou buďto konkordantní (ložní žíly – sily) nebo diskordantní (pravé žíly ‐ dajky); (ii) pně – menší jednoduchá plutonická tělesa do 100 km2 v mapovém řezu; (iii) plutony – jednoduchá hlubinná magmatická tělesa, obvyhle tvořená jedním typem hornin s definovanými kontakty (ostrými nebo gradačními); (iv) batolity – velká hlubinná magmatická tělesa složená z více dílčích plutonů. Extruzívní tělesa: např. lávové proudy, tělesa pyroklastik, vulkanické dómy. Další klasifikace magmatických těles: podle vztahu k anizotropii okolních hornin (konkordantní, diskordantní); podle hloubky vmístění (epizonální, mezozonální,

38


IV

V

katazonální); podle časových vztahů vmístění a regionální deformace (pretektonické, syntektonické, posttektonické, anorogenní). Upřesnění anglických termínů: český termín žíla je mnohoznačný a v angličtině mu odpovídá několik termínů s přesně definovaným geometrickým a mechanickým významem. Dyke (amer. dike) je planární těleso magmatických hornin (poměr dlouhé a krátké osy 1/100 – 1000) orientované kolmo k mimimálnímu napětí a intrudující diskordantně (na rozdíl od sillů, které jsou konkordantní) k anizotropii okolních hornin, které se deformují elasticky. Tento pojem má tedy mechanický význam. Termín sheet se používá jako deskriptivní označení jakéhokoli planárního magmatického tělesa bez ohledu na reologii okolních hornin, orientaci k hlavním napětí a anizotropii okolních hornin. Vnitřní stavba magmatických těles Kromě vnějšího tvaru, orientace a vztahů magmatických těles k okolním horninám, je pro geologické mapování důležitá také jejich vnitřní stavba. Pro interpretaci celkové vnitřní stavby magmatických těles se obvykle konstruují mapy magmatických foliací a lineací. Jako magmatické foliace a lineace se označují planární, resp. lineární stavby v magmatických horninách (analogicky jako v jiných typech hornin), tj. plošné nebo lineární uspořádání minerálů v hornině, bez evidence jejich duktilní nebo křehké deformace. Magmatické stavby mohou být definovány například tvarovou přednostní orientací amfibolu, živců, biotitu, ale i mikrogranulárních enkláv, šlír apod. Pro interpretace vztahu magmatických těles k jejich okolí je velmi důležitý vztah vnitřní stavby ke stavbám v okolních horninách, který lze velmi dobře posuzovat právě z geologických map, tj. jestli jsou diskordantní (stavby v okolí jsou jiné než v magmatickém tělese) nebo konkordantní (oba typy staveb mají stejné orientace a průběh) nebo např. často jsou stavby v magmatických tělesech paralelní s okrajem intruze a ve vnitřních částech intruze mají odlišné orientace. Relativní stáří magmatických těles – princip intersekce Vzájemný časový vztah magmatických těles a hornin v jejich okolí může být dvojí: buďto je magmatické těleso starší a okolní horniny na jsou něm diskordantně uloženy, anebo naopak je těleso mladší (intruduje do svého okolí). Pro interpretaci o který typ kontaktu se jedná (diskordance nebo intruzívní) lze jak v terénu, tak v geologické mapě použít následující kritéria: (i) diskordance – vrstevnatost je často paralelní s kontaktem, nadložní sedimenty obsahují úlomky podložních magmatitů, zlomy, žíly, kompoziční rozhraní v magmatickém tělese jsou zakryta diskordancí; (ii) intruzívní kontakt – magmatické horniny obsahují úlomky okolních hornin (xenolity), mohou být při kontaktu velmi jemnozrnná (tzv. zchlazené okraje), obvykle kontaktně metamorfují okolního horniny (kontaktní aureola), vrstevnatost v okolních horninách může být diskordantní ke kontaktu. Při interpretaci relativního stáří magmatických těles platí tzv. princip intersekce – intruzívní těleso je vždy mladší než horniny, kterými proniká.

39

Jiří Žák ‐ G421C41 Metody geologického výzkumu (0/2 LS) 10. GEOLOGICKÁ TĚLESA ‐ SHRNUTÍ ∙ MAPOVÁNÍ GEOLOGICKÝCH KONTAKTŮ ∙ INTERPRETACE GEOLOGICKÝCH MAP I Geologická tělesa Z geometrického hlediska je geologické těleso část geologického prostoru (např. litosféry) s určitými vlastnostmi (stejný vznik, stáří, složení) ohraničená uzavřenou plochou nebo soustavou ploch (geologických kontaktů). Geologická tělesa mohou být jednoduchá nebo složená. Základními geometrickými charakteristikami geologických těles je jejich vnější tvar, vnitřní stavba, velikost, orientace a charakter hraničních ploch (kontaktů), kterými jsou tělesa vymezena. Geologická tělesa mohou být bud´to nepravidelná, izometrická, částečně izometrická (např. čočkovitá), planární (deskovitá, např. vrstvy), lineární (sloupcovitá, trubkovitá, např. přívodní dráhy vulkanitů). Tvar geologických těles může být buďto primární (jako výsledek procesů souvisejících se vznikem geologického tělesa) nebo sekundární (např. změna tvaru v důsledku tektonické deformace), nebo kombinace obou. V praktické geologii se obvykle vnější tvar geologických těles vizualizuje pomocí geologických map, řezů a blokdiagramů. II Typy kontaktů geologických těles Geologické kontakty představují buďto plochy nespojitosti, omezující geologická tělesa (například zlomy, diskordance) nebo se v terénu projevují jako širší přechodní zóny (gradační kontakty) mezi dvěma geologickými tělesy. Kromě takto jasně v terénu vymezitelných hranic geologických těles, můžeme vymezit smluvní hranice geologických těles, což je obvykle plocha, v terénu nerozeznatelná, proložená všemi body o určité hodnotě (např. obsah prvku). Rozpoznání charakteru, průběhu a orientace geologických kontaktů je jedním z nejdůležitějších aspektů terénní geologie a geologického mapování. Rozlišujeme celou řadu typů geologických kontaktů: (i) litologické (depoziční); (ii) intruzívní; (iii) tektonické. Litologické Konkordantní - ostré - gradační

Diskordantní - skrytá d. - úhlová d. - regionální d.

Intruzívní Magmatické - ostré - gradační - diskordantní - konkordantní Sedimentární - diskordantní (klastické žíly) - diapiry

Tektonické Zlomy - poklesy - horizontální posuny - násuny Střižné zóny Kataklastické zóny

Tab 1. Přehled typů kontaktů geologických těles.

III Interpretace geologických map

Litologie, stratigrafická sukcese, relativní stáří geologických jednotek A Základní typy hornin ve studované oblasti B Relativní stáří hornin v mapě C Časová posloupnost základních geologických jednotek v mapě, diskordance (typ, orientace plochy diskordance) Struktury a strukturní vývoj A Vrásy – typy vrás a jejich orientace B Zlomy, střižné zóny – typ, orientace, kinematika, přemístění

40


C Strukturní vývoj – relativní časový sled deformací, deformační fáze Magmatická tělesa A Intruzívní – typ, tvar, orientace, vnitřní stavby B Extruzívní – typ, tvar, orientace, vnitřní stavby C Žíly – pravé, ložní, orientace D Relativní stáří jednotlivých magmatických těles, vztah k okolním geologickým jednotkám Metamorfóza A Regionální – stupeň metamorfózy, metamorfní vývoj studované oblasti B Kontaktní – kontaktní aureoly kolem magmatických těles, šířka, intenzita kontakní metamorfózy Geomorfologie Vztah mezi topografií reliéfu, litologí a strukturami v mapě Geologický vývoj studované oblasti Celková syntéza geologického vývoje – časový sled všech geologických událostí

41

METODY GEOLOGICKÉHO VÝZKUMU

Recommend Documents