1 Bài tập 1. Đo đạc và biểu diễn các cấu tạo mặt và đ-ờng (tham khảo thêm ở phần 4.8, ch-ơng 4 của Lê Nh- Lai, 2001) I. Những vấn đề chung I.1. Khái niệm Trong địa chất cấu tạo (hoặc nói chung là trong địa chất), một nhà địa chất phải có khả năng nghĩ và làm việc trong một không gian ba chiều. Đây không phải là điều dễ cho tất cả mọi ng-ời họ và cần phải rèn luyện để t-ởng t-ợng mọi vật theo không gian ba chiều và suy nghĩ về các mối quan hệ hình thái theo không gian ba chiều hơn là hai chiều. Phần lớn các cấu tạo địa chất đều có thể đ-ợc biểu diễn hoặc đo đạc nh- đối với các mặt hoặc các đ-ờng trong không gian ba chiều. Những ví dụ về cấu tạo mặt đơn giản bao gồm mặt đứt gãy và khe nứt, thớ chẻ, và mặt phân lớp trầm tích. Các cấu tạo đ-ờng bao gồm trục nếp uốn, giao tuyến của hai mặt phẳng, tính định h-ớng kéo dài của các hạt khoáng vật trong đá Các cấu tạo phức tạp hơn phải đ-ợc xác định bởi cả hai yếu tố đ-ờng và mặt. Chẳng hạn một nếp uốn phải đ-ợc xác định bởi đ-ờng trục hay đ-ờng vòm (cấu tạo đ-ờng) và mặt trục hay cánh của nếp uốn (cấu tạo mặt). Nhiều cấu tạo phức tạp th-ờng không có dạng mặt phẳng hoặc đ-ờng thẳng mà th-ờng là các mặt uốn l-ợn gồ ghề. Tuy nhiên, từng phần của chúng vẫn có thể coi là một mặt phẳng hoặc đ-ờng thẳng. ở bất cứ tỷ lệ quan sát nào, cả cấu tạo mặt và đ-ờng đều hoặc là những cấu tạo không xuyên thấu (non-penetrative structures)- tồn tại một cách độc lập, rải rác, hoặc cấu trúc xuyên thấu (penetrative)-tạo nên một thể câú tạo đồng nhất và phát triển ở mọi vị trí trong thân đá ở tỷ lệ quan sát (Hình 1). Về mặt hình thái, cả hai loại cấu trúc này đều có thể coi là nh- nhau và có thể đo đạc theo cùng một cách. Hình 1. ảnh h-ởng của tỷ lệ lên những gì ta nhìn thấy: A) cấu tạo phân phiến xuyên suốt trên vết lộ nh-ng không phải ở tỷ lệ khu vực (B). C) ở tỷ lệ khu vực thì đứt gãy là không xuyên suốt nh-ng lại có thể xuyên suốt ở tỷ lệ vết lộ (D). 2 I.2. Khung tham khảo (reference frame) Vị trí và h-ớng phân bố của một mặt, đ-ờng, hoặc bất cứ yếu tố hình thái nào cũng có thể liên hệ với một khung tham khảo cấu tạo bởi ba trục toạ độ vuông góc với nhau. Trong địa chất cấu tạo, một trục luôn luôn song song với vĩ tuyến đi qua nó (h-ớng đông tây), một trục song song với kinh tuyến (h-ớng bắc nam) và một trục thứ ba thẳng đứng, gần song với đ-ờng kính của trái đất tại điểm đó. Cần nhớ rằng sự định h-ớng tuyệt đối của các trục tham khảo đó (trục tham khảo) biến đổi từ điểm này tới điểm khác vì trái đất có hình cầu. Do đó chúng ta cũng phải ghi chép cả vị trí đo đạc, hoặc bằng toạ độ địa lý và độ cao hoặc đơn giản hơn là đánh dấu vị trí của điểm quan sát trên bản đồ hoặc ảnh hàng không. I.3. Tr-ờng từ (magnetic field) Trong hệ trục toạ độ này chúng ta có thể đo đạc các số liệu cấu trúc dựa trên hai dụng cụ đơn giản là địa bàn (compass)-để đo sự định h-ớng trên hai mặt nằm ngang và th-ớc đo góc nghiêng (clinometer)-để đo thông số giữa mặt nằm ngang và trục thẳng đứng. Hai loại dụng cụ này đ-ợc kết hợp trong cùng một địa bàn địa chất. Tuy nhiên, địa bàn là dụng cụ phụ thuộc vào tr-ờng từ của trái đất. Tr-ờng từ của trái đất t-ơng tự nh- một thanh lam châm hai cực tồn tại trong tâm trái đất nh-ng có cực không trùng với trục xoay của trái đất. Lam châm này tạo nên vô số đ-ờng từ lực. Các đ-ờng lực từ có ph-ơng thẳng đứng tại cực và nằm ngang ở xích đạo từ. Kim địa bàn sẽ định h-ớng song song với các đ-ờng từ này ở bất kỳ vị trí nào. Hình 2. Các đ-ờng từ tr-ờng của trái đất: MN: cực bắc từ; TN: cực bắc địa lý; MS: cực nam từ; TS: cực nam địa lý. 3 Chúng ta biết rằng khi chia trung bình cho các khoảng thời gian địa chất thì trục từ có ph-ơng gần trùng với ph-ơng trục xoay của trái đất. Tuy nhiên có một sự thay đổi th-ờng kỳ (secular variation-th-ờng trong khoảng hàng chục triệu năm) cả về định h-ớng và c-ờng độ tr-ờng từ. Nói cách khác cực từ có xu h-ớng di chuyển xung quanh cực xoay với một biên độ nhỏ và nh- vậy h-ớng của cực từ so với cực địa lý sẽ thay đổi theo thời gian. Chúng ta cũng phát hiện ra rằng c-ờng độ từ tr-ờng đang giảm dần và bị đảo ng-ợc trong những khoảng thời gian ngắn. Vì sự khác nhau giữa cực từ và cực địa lý nh- vậy, khi đo đạc bằng địa bàn, các số liệu phải hiệu chỉnh để tìm ra một ph-ơng vị địa lý đúng cho điểm quan sát. Góc lệch giữa h-ớng của kim địa bàn và h-ớng bắc thật (kinh tuyến) tại bất cứ điểm nào trong tr-ờng từ đ-ợc gọi là độ lệch từ (magnetite declination). Độ lệch từ này ở các vị trí khác nhau trên bề mặt trái đất sẽ khác nhau và nếu ta muốn đo số liệu địa chất tại điểm đó bằng địa bàn thì ta phải hiệu chỉnh độ lệch từ địa ph-ơng. Để biết đ-ợc độ lệch từ, cần tìm một bản đồ địa hình mới đ-ợc xuất bản, có ngày xuất bản và độ lệch từ hàng năm. I.4. Địa bàn địa chất Phổ biến nhất là địa bàn Brunton (địa bàn Trung Quốc hiện đ-ơcở Việt Nam đ-ợc mô phỏng kiểu này) và địa bàn Silva. Ngoài ra còn địa bàn của Đức (cũ). Địa bàn Silva rất hữu ích trong đo đạc góc ph-ơng vị và xác định lộ trình trong khi đó địa bàn Đức tiện lợi trong việc đo thế nằm cấu tạo. (Học sinh tự tham khảo thêm). II. Đo đạc cấu tạo mặt và đ-ờng II.1. Cấu tạo mặt Sự định h-ớng trong không gian của một mặt độc lập hay bất cứ mặt cấu trúc nào có thể đ-ợc xác định bằng đ-ờng ph-ơng (strike) và góc dốc thực (true dip), gọi chung là thế nằm (attitude) của mặt đó. Đ-ờng ph-ơng là sự định h-ớng của bất cứ đ-ờng thẳng nằm ngang nào trên một mặt phẳng, có thể Hình 3. Hình vẽ khái quát cho thấy một địa bàn đ-ợc hiệu chỉnh độ lệch từ: a) độ lệch từ 15 độ về phía tây và b) độ lệch từ 15 độ về phía đông. H-ớng bắc thực H-ớng bắc thực 4 hình dung là đ-ờng giao nhau của một mặt nằm ngang với mặt phẳng mà ta quan tâm. Nó đ-ợc xác định trên địa bàn bằng góc ph-ơng vị (azimuth) là góc giữa h-ớng bắc thực và đ-ờng ph-ơng đo đạc theo chiều thuận kim đồng hồ (Hình 4, 5). Góc dốc của một mặt nằm nghiêng đ-ợc xác định bằng góc tạo bởi mặt phẳng đó và mặt nằm ngang đi qua đ-ờng ph-ơng và đo trên mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với đ-ờng ph-ơng. Giao tuyến của mặt phẳng thẳng đứng này với mặt phẳng nằm ngang đ-ợc nằm phía trên mặt lớp đ-ợc gọi là đ-ờng h-ớng dốc. Nh- vậy d-ớng dốc thực vuông góc với đ-ờng ph-ơng (Hinhg 4). Để xác định góc dốc của mặt ta không chỉ ghi chép góc dốc mà còn phải xác định ph-ơng vị của đ-ờng h-ớng dốc hoặc đ-ờng ph-ơng (Hình 4, 5). Các góc dốc có đ-ờng h-ớng dốc không vuông góc với đ-ờng ph-ơng gọi là góc dốc t-ơng đối hay biểu kiến. Góc này không bao giờ lớn hơn góc dốc thực (-xem Hình 4). Đ-ờng ph-ơng Góc dốc thực (góc dốc lớn nhất của mặt phẳng) Đ-ờng h-ớng dốc Góc dốc biểu kiến Hình 4. A. Các yếu tố đo đạc của một mẳt phẳng: đ-ờng ph-ơng, đ-ờng h-ớng dốc, góc dốc thực. B. Sự giao cắt của mặt biển (nằm ngang) với các vách đá xác định đ-ờng ph-ơng của bờ. C. Ví dụ về đo đ-ờng ph-ơng bằng địa bàn Brunton A B B C B Hình 5. Xác định đ-ờng ph-ơng và góc dốc trên vết lộ (A), và hình t-ợng hoá nó theo không gian ba chiều (B). Góc dốc thực 5 Có nhiều cách để xác định thế nằm của cấu tạo mặt, và tất cả đều dựa trên các đo đạc trên thực tế. Ph-ơng pháp trực tiếp nhất là dùng địa bàn đo đạc trực tiếp trên một bề mặt trên vết lộ. Tất cả các phép đo đều liên quan tới việc xác định đ-ờng ph-ơng và góc dốc. II.2. Cấu tạo đ-ờng Một đ-ờng thẳng không thể đo đ-ợc đ-ờng ph-ơng và góc dốc nh- là một mặt phẳng. Ph-ơng vị của nó đ-ợc xác định bởi góc cắm (plunge) và h-ớng cắm (trend, Hình 6). Góc cắm là góc tạo thành bởi cấu tạo đ-ờng và một đ-ờng nằm ngang đo trong một mặt thẳng đứng có chứa cấu tạo đ-ờng này (t-ơng tự nh- góc dốc của mặt phẳng). Huớng cắm là góc ph-ơng vị cuả mặt phẳng thẳng đứng chứa câú tạo đ-ờng. Phuơn-g vị h-ớng cắm đ-ợc ghi chép theo h-ớng mà cấu tạo đ-ờng cắm xuống. Để tránh nhầm lẫn với cấu tạo mặt, nên khi ghi chép số liệu về thế nằm của cấu tạo đ-ờng ng-ời ta th-ờng ghi số liệu góc cắm tr-ớc số liệu h-ớng cắm. Đo đạc cấu tạo đ-ờng bằng địa bàn 1. cấu tạo đ-ờng cắm thoải và nằm trên một mặt vết lộ xác định: dễ dàng đo đ-ợc bằng cách điều chỉnh cho cạnh dài của địa bàn dọc theo cấu tạo đ-ờng, đầu bắc h-ớng về phía h-ớng cắm của cấu tạo, xoay và nâng địa bàn trở về vị trí nằm ngang sao cho cạnh dài vẫn song song với đ-ờng h-ớng cắm-đọc đ-ợc đ-ờng ph-ơng. Để đo góc cắm: t-ơng tự nh- xác định góc dốc của lớp (tuỳ thuộc loại địa bàn mà có cách đo thích hợp). 2. Cấu tạo đ-ờng nằm trên một mặt phẳng cắm dốc hoặc gần thẳng đứng: trong tr-ờng hợp này, sử dụng mắt th-ờng thiếu chính xác và do vậy cần có công cụ hỗ trợ. Đơn giản nhất là sử dụng một một tấm bìa cứng (hoặc quyển sổ), đặt một cạnh vào đ-ờng, điều chỉnh cho sổ thẳng đứng và đo ph-ơng vị của mặt. Bạn cũng có thể đo các góc khác và dùng l-ợng giác để tính toán. Cấu tạo đ-ờng Góc cắm của cấu tạo đ-ờng H-ớng cắm A B B Hình 6. A. Các yếu tố đo đạc của một cấu tạo đ-ờng: đ-ờng cắm, góc cắm. B. Ví dụ về đo một cấu tạo đ-ờng bằng địa bàn Silva 6 Phân biệt cấu tạo mặt xuyên thấu (penetrative) từ cấu tạo đ-ờng Bạn có thể cho rằng chỉ có kẻ ngớ ngẩn mới không phân biệt nổi một cấu tạo mặt và một cấu tạo đ-ờng. Tuy nhiên, trong nhiều tr-ờng hợp, mặc dù là một ng-ời giàu kinh nghiệm, nhà địa chất vẫn có thể gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa chúng. Một ví dụ đơn giản là lấy một bó bút chì-đây hoàn toàn là cấu tạo đ-ờng với mặt cắt ngang là tập hợp các vòng tròn. Nh-ng nếu ta cắt dọc theo chiều dài của cây bút thì tất cả sẽ có một mặt elip. Nếu bạn nhìn thấy 2 mặt elip đó trên 2 mặt phẳng gần vuông góc nhau, bạn có thể nghĩ rằng chúng đại diện cho một cấu tạo mặt xuyên suốt hơn là một cấu tạo đ-ờng. Trong tr-ờng hợp này, bạn phải hết sức thận trọng-bạn có thể dập vỡ một mảnh đá xem cấu tạo có là dạng đ-ờng hay không. Trong nhiều tr-ờng hợp, các đá bị biến dạng phức tạp có cả hai yếu tố cấu tạo đ-ờng và cấu tạo mặt chẳng hạn cấu tạo phiến với các cấu tạo đ-ờng khoáng vật trên mặt phiến hoặc các cấu tạo phiến gơnai vơí tổ hợp các khoáng vật kéo dài theo mặt phiến. II.3. Xác định h-ớng bằng địa bàn Trong nhiều tr-ờng hợp cần xác định h-ớng của các cấu tạo đ-ờng lớn (nh- đ-ờng xá, sông, đ-ờng nối hai điểm, đ-ờng lộ trình , ph-ơng tới một điểm chọn sẵn [núi, điểm cao]), bạn có thể ngắm h-ớng bằng địa bàn. Một trong những cách đó là h-ớng địa bàn sao cho địa bàn nằm ngang và ngang với tầm mắt, huớng của địa bàn song song h-ớng cấu tạo (h-ớng bắc hoặc nam chỉ về phía đầu xa của cấu tạo). Nhìn qua khe ngắm tới điểm ngắm. Nếu là địa bàn Brunton, đọc kim đen (vì địa bàn chỉ về phía bạn). Nếu là địa bàn Silva, đọc kim trắng (cố tìm hiểu cách định h-ớng). Xác định các điểm bằng ph-ơng pháp giao hội Đôi khi không thể đo đạc đ-ợc một cách trực tiếp chiều dài hay h-ớng của một lộ trình, chúng ta có thể xác định đ-ợc vị trí của một điểm bằng ph-ơng pháp gián tiếp nếu ta có 2 hoặc 3 điểm địa hình nổi bật khác nhau (điểm đánh dấu). Việc này đ-ợc thực hiện bằng cách ngắm h-ớng (xem phần trên) tới các điểm đánh dấu. Biểu diễn ph-ơng vị của các điểm này tới điểm đứng trên bản đồ, điểm giao thoa giữa chúng là vị trí của điểm đứng. III. Ghi chép và biểu diễn kết quả Có nhiều cách chi chép kết quả đo vẽ các cấu tạo mặt và đ-ờng. Đối với cấu tạo mặt hiện có hai cách cơ bản để đo đạc và biểu diễn kết quả thông dụng nhất: 1) ph-ơng pháp luật của bàn tay phải (Bắc Mỹ): (để ngửa lòng bàn tay phải với các ngón dài h-ớng về phía đ-ờng ph-ơng và ngón tay cái chỉ về phía h-ớng dốc) trong tr-ờng hợp này thì ph-ơng vị đ-ờng phuơng đ-ợc xác định theo h-ớng của ngón tay và việc ghi chép th-ờng bao gồm đ-ờng ph-ơng/góc 7 dốc-cần l ý rằng do cách ghi ché này mà trong nhiều phần mềm vi tính sử dụng trong địa chất ở Bắc Mỹ thì các số liệu thế nằm cũng đ-ợc quy -ớc là số liệu đ-ờng ph-ơng/góc dốc; 2) ph-ơng pháp đ-ờng h-ớng dốc/góc dốc th-ờng dùng ở Việt Nam để xác định thế nằm của cấu tạo mặt. (Học sinh tự tìm hiểu thêm). Khi biểu diễn kết quả, mỗi cấu tạo đ-ờng và mặt khác nhau cần phải có một ký hiệu riêng để phân biệt. Các loại ký hiệu đó th-ờng phải thống nhất (chẳng hạn quy chế) và có chú giải rõ ràng để tránh nhầm lẫn. (Lấy một số ví dụ). IV. Thực hành 1) Học cách sử dụng các loại địa bàn địa chất (học sinh dã làm quen trong địa chất đại c-ơng). 2) Đo đạc các cấu tạo mặt và đ-ờng khác nhau 3) Biểu diễn kết quả lên giấy (bản vẽ) 8 V. Bài tập thực hành 1. Bốn sinh viên năm thứ ba ngành địa chất đo đạc ph-ơng vị của một số đứt gãy nhỏ và câú tạo đ-ờng tr-ợt nằm trên mặt đứt gãy. Hãy cho biết những tr-ờng hợp nào sau đây là đúng và những tr-ờng hợp nào không thể xảy ra đ-ợc và giải thích tại sao (giả sử các sinh viên này biểu diễn kết quả đo đạc theo ph-ơng pháp đ-ờng h-ớng dốc/góc dốc đối với cấu tạo mặt): -thế nằm của đứt gãy: 045/60; góc/h-ớng cắm của đ-ờng tr-ợt: 40/180 : 042/50; : 50/180 : 065/70; : 65/180 : 045/70; : 70/135 2. Imagine a fault surface on which there are four different overprinted sets of slip lineations. The surface is oriented 341/47 O (strike/dip) A geologist recorded the following measurements to describe four sets of lineations. 47/051 (lineation 1); 68/000 (lineation 2); 47/051 (lineation 3); 34/000 (lineation 4). a) Assuming that the planar attitude was measured correctly, determined which lineation measurements are impossible. In other words, which lineation(s) cannot possibly lie in the specific plane (indicate why for each case). b) Assuming that the measurement 1 is correct, does it indicate movement parallel to the strike of the fault (strike-slip movement) or movement parallel to the dip of the fault (dip-slip movement)? Draw a block diagram to demonstrate your point of view. 3. Hãy vẽ một sơ đồ khối của một cấu tạo đ-ờng có thế nằm 60/045 độ. Bản vẽ của bạn phải có một hệ trục toạ độ để xác định không gian ba chiều (bắc-nam, đông-tây, và trục Z). Dùng th-ớc để vẽ sao cho đẹp. Đánh dấu góc ph-ơng vị h-ớng cắm (b) và góc cắm (e) trên mặt phẳng thẳng đứng. 4. Hãy vẽ một sơ đồ khối của cấu tạo mặt có đ-ờng h-ớng dốc của góc dốc biểu kiến là 020 độ và góc dốc biểu kiến theo là 45 độ. Hãy ký hiệu góc dốc thực (a), góc dốc biểu kiến (b), và góc ph-ong vị h-ớng dốc của góc dốc biểu kiến lên hình vẽ. 5. You have a map on which the localities of three landmarks: a house [A], a telephone pole [B], and a sign [C]) are located (Figure 1). You are standing on an outcrop in the map area but do not know exactly where the outcrop is. Call the position of this outcrop point X. Define the location of the outcrop on map with respect to three landmarks, given: A to X: 133 O , B to X: 180 O , and C to X: 230 O . 9 Figure 1. Determination of an unknown point (X) by three-point sighting approach. Points A, B, C are landmarks and their bearings relative to point X are given above. 6. Một nhà địa chất mới ra tr-ờng đ-ợc phân công đo vẽ địa chất tại vùng A trên bản đồ ở Hình 2. Khu vực vẽ bản đồ là một cao nguyên bằng phẳng, chỉ có các vết lộ nhô lên khỏi mặt đất. Tuy nhiên do thiếu kinh nghiệm nên nhà địa chất này chỉ biểu diễn các điểm lộ mà không biểu diễn các yếu tố cấu tạo cung nh- khoanh nôí các ranh giới địa chất. Các kết quả đo vẽ đ-ợc thể hiện ở Bảng 1. (1) Bạn hãy giúp sinh viên này biểu diễn kết quả lên bản đồ và vẽ ranh giới của các các tập thạch học có thành phần khác nhau. A B C N 1000 m 1 2 3 4 5 6 777 8 11 12 10 9 B 500 m Hình 2. Sơ đồ vị trí điểm lộ của vùng A Sông 10 Bảng 1. Số liệu địa chất thực tế đo đạc tại tcác điểm lộ ở Hình 2 Điểm lộ Đặc điểm thạch học Thế nằm (h-ớng dốc/góc dốc) Điểm lộ Đặc điểm thạch học Thế nằm (h-ớng dốc/góc dốc) 1 Granit 2 mica ? 7 Dăm kết kiến tạo với mặt tr-ợt 330/85 2 Cuội /sạn kết phân lớp dày 000/30 8 Granit 2 mica ? 3 Cát kết hạt trung màu xám 000/30 9 Dăm kết kiến tạo với mặt tr-ợt Đ-ờng ph-ơng: 315, góc dốc: 90 4 Dăm kết kiến tạo với mặt tr-ợt 330/80 10 Đá vôi phân lớp mỏng 310/20 5 Bột kết silic 310/20 11 Bột kết silic 310/20 6 Đá vôi phân lớp mỏng 310/20 12 Dăm kết kiến tạo với mặt tr-ợt Đ-ờng ph-ơng: 315, góc dốc: 90 (2) Ng-ời ta định đắp một con đập qua sông tại vị trí 9, với t- cách là một nhà t- vấn địa chất bạn hãy cho biết có nên đắp đập ở đây không và giải thích lý do tại sao. . 1 Bài tập 1. Đo đạc và biểu diễn các cấu tạo mặt và đ-ờng (tham khảo thêm ở phần 4.8, ch-ơng 4 của Lê Nh- Lai, 20 01) I. Những vấn đề chung I .1. Khái niệm Trong địa chất cấu tạo (hoặc. các các tập thạch học có thành phần khác nhau. A B C N 10 00 m 1 2 3 4 5 6 777 8 11 12 10 9 B 500 m Hình 2. Sơ đồ vị trí điểm lộ của vùng A Sông 10 Bảng 1. Số liệu địa chất thực. bị biến dạng phức tạp có cả hai yếu tố cấu tạo đ-ờng và cấu tạo mặt chẳng hạn cấu tạo phiến với các cấu tạo đ-ờng khoáng vật trên mặt phiến hoặc các cấu tạo phiến gơnai vơí tổ hợp các khoáng