Realizzazione di una sezione geologica trasversale

Making a Geologic Cross Section

JoVE Science Education
Earth Science

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Earth Science

Making a Geologic Cross Section

3.2: Using Topographic Maps to Generate Topographic Profiles

3.5: Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

47,624 Views

•

08:55 min

•

February 27, 2015

Overview

Fonte: Laboratorio di Alan Lester – Università del Colorado Boulder

Le mappe geologiche sono state fatte e utilizzate per la prima volta in Europa, tra la metà e la fine del^{18 °} secolo. Da allora, sono stati una parte importante delle indagini geologiche in tutto il mondo che si sforzano di comprendere le distribuzioni rocciose sulla superficie della terra, nel sottosuolo e la loro modifica nel tempo. Una moderna mappa geologica è una rappresentazione ricca di dati di rocce e strutture rocciose in una vista planistrale bidimensionale. La base per la maggior parte delle mappe geologiche è una mappa topografica, su cui sono state posizionate variazioni di colore per rappresentare specifiche unità rocciose. I confini tra le unità rocciose sono chiamati contatti. Oltre alle linee di contatto, le mappe geologiche contengono simboli che rappresentano caratteristiche chiave, come l’immersione e il colpo delle unità rocciose, anticline e sincronie e le tracce delle superfici di faglia.

Sebbene la visualizzazione bidimensionale della mappa sia utile, uno dei compiti chiave di un geologo è quello di dedurre il tipo e l’orientamento delle rocce nel sottosuolo. Questo viene fatto usando regole geologiche, inferenze e proiezioni verso il basso dalla superficie. Il risultato è una sezione trasversale geologica, una vista che fornisce essenzialmente un’immagine tagliata, proprio come si vedrebbe su una parete del canyon o in un taglio stradale.

Questa ipotetica fetta nella terra, che fornisce una terza dimensione (profondità), è la chiave per una serie di applicazioni geologiche. Le sezioni trasversali vengono utilizzate per valutare i modelli temporali della formazione rocciosa nel tempo. In altre parole, l’obiettivo è quello di ricreare una sequenza passo-passo di quali rocce e strutture sono arrivate per prime, per ultime e nel mezzo. Sono anche usati per determinare specifiche modalità di deformazione – se le rocce hanno subito sollecitazioni compressionali, estensionali o di altro tipo.

Le sezioni trasversali geologiche aiutano a identificare le regioni di movimento delle acque sotterranee, valutare potenziali siti per depositi minerari economici e localizzare giacimenti di petrolio e gas.

Principles

Le pieghe sono la prova di deformazione plastica: in genere si formano a causa di bassi tassi di deformazione, pressioni ad alto confinamento e temperatura elevata. Al contrario, le faglie sono indicative di deformazioni fragili: in genere derivano da alti tassi di deformazione, basse pressioni di confinamento e temperature complessivamente più basse.

La deformazione di tipo pieghevole che genera strati deformati versol’alto (cioè analoghi a una ciotola capovolta) sono indicati come anticline o antiforme; e quelle pieghe che coinvolgono strati deformati verso il basso sono sincronie o sinforme. In molti casi, una regione che ha subito il ripiegamento mostrerà più serie di sincline e anticline, come le rughe su un tappeto.

In entrambi i tipi di piega (sincline e anticline) gli strati si irpendono in direzioni opposte, verso o lontano, da quello che viene definito l’asse della piega. Ad esempio, con un’anticlina, gli strati si irpeggiano verso il basso e lontano dall’asse della piega, proprio come le tegole su un tetto che si tuffano lontano da una linea di cresta. L’orientamento della bussola dell’asse di piegatura è definito la direzione “strike” della piega.

Il primo passo nella costruzione di una mappa geologica è quello di prendere una mappa topografica e quindi codificare a colori le regioni che contengono diversi tipi di roccia. Tra ogni unità rocciosa c’è una linea, chiamata “contatto” tra unità identificabili. All’interno di ogni tipo di roccia (e talvolta sul contatto stesso) vengono forniti simboli di immersione / colpo per mostrare l’orientamento affiorante superficiale degli strati rocciosi. (Nota: Strike e dip sono definiti in un video precedente che coinvolge l’uso della bussola Brunton. In breve, l’immersione è semplicemente l’angolo che gli strati di roccia fanno con un piano orizzontale, e strike è il risultante orientamento della bussola azimutale della linea che rappresenta l’intersezione dell’unità rocciosa con un piano orizzontale.) È l’estrapolazione di questi cali e colpi nel sottosuolo – attraverso l’uso della sezione trasversale geologica – che può essere utilizzata per aiutare a dedurre il tipo di struttura di piegatura presente. Ad esempio, i letti che si allontanano da un asse centrale sono indicativi di anticline, mentre i letti che si iono verso un asse centrale sono indicativi di sincronie. Una volta identificata la struttura, la mappa sarà contrassegnata con una simbologia che denota il particolare tipo di piega presente e il colpo dell’asse di piegatura.

Vale la pena notare che i geologi possono spesso dedurre queste strutture semplicemente guardando la mappa geologica plan-view, ma la vista della sezione trasversale fornisce una prospettiva visiva 3D che migliora notevolmente la capacità di valutare le strutture di piega e faglia e localizzarle con grande precisione.

Uno degli usi primari della sezione trasversale geologica è quello di ricostruire pieghe e faglie che sono in qualche modo criptiche, a causa dell’erosione che rimuove le loro caratteristiche superficiali. Un’anticlina non ha bisogno di essere una collina (una deformazione verso l’alto del materiale terrestre) e una sinclina non ha bisogno di manifestarsi come una valle (una deformazione del materiale terrestre). La topografia della superficie terrestre non implica sempre un particolare tipo di piega o struttura di faglia in profondità.

Procedure

Identificare due punti che definiscono un profilo di sezione trasversale, ad esempio A-A’. Questi punti sono scelti in modo tale che la linea tra loro sia approssimativamente perpendicolare alle direzioni di attacco delle unità rocciose intermedie.
Un profilo topografico è disegnato tra i due punti, A-A’. Le indicazioni su come generare un profilo topografico sono fornite in un video diverso.
Prendi una striscia di carta e allineala lungo la linea, segnando attentamente i contatti tra le diverse unità rocciose.
Trasferire i contatti sul profilo topografico.
Ad ogni contatto, l’immersione degli strati adiacenti viene utilizzata per proiettare questo limite nel sottosuolo. Finché il profilo topografico non ha esagerazione verticale, i tuffi dalla mappa possono essere utilizzati direttamente. Ad esempio, se l’immersione a un confine calcareo/arenaria (contatto) è di 20°, allora quel contatto può essere disegnato come se si estendeva nel sottosuolo con un angolo di 20°.
Utilizza questa proiezione e la conoscenza della geologia locale per dedurre le pieghe o le faglie nel sottosuolo. Ad esempio, gli strati di roccia che si allontanano dall’asse centrale (di nuovo, come le tegole su un tetto a punta) possono indicare la presenza di un’anticlina o di un’antiforma. Inoltre, se gli strati rocciosi lungo l’asse centrale sono più vecchi di quelli che sono successivamente più lontani dall’asse, allora questa è un’ulteriore conferma di una struttura anticlinale.
Estendere gli strati rocciosi nella regione fuori terra usando linee tratteggiate; questo mostra la presenza dedotta di rocce prima dell’erosione.
Come discusso nella sezione Principi, le linee tratteggiate sopra la superficie sono effettivamente una rappresentazione di una struttura geologica che una volta esisteva, ma è stata rimossa dall’erosione.

Le sezioni trasversali geologiche possono valutare i modelli temporali della formazione rocciosa nel tempo.

Utilizzando mappe geologiche, è possibile generare sezioni trasversali che predicono gli strati della superficie delle rocce e stimano la forma della roccia fuori terra prima dell’erosione.

La sezione trasversale risultante è un’immagine ritagliata molto simile a quelle viste nelle pareti del canyon o nei tagli stradali. Mentre i geologi possono essere in grado di dedurre tali caratteristiche da una mappa geologica planistra, l’aggiunta di una sezione trasversale fornisce una terza dimensione di informazioni che può migliorare notevolmente la capacità di valutare pieghe e faglie.

Questo video illustrerà il processo di creazione di una sezione trasversale geologica ed evidenzierà alcuni degli usi estesi di questo strumento geologico.

Il primo passo nella creazione di una mappa geologica è quello di prendere una mappa topografica e su questo codice colore le regioni contenenti diversi tipi di roccia. Sul campo, i geologi osservano caratteristiche mineralogiche e tessiturali, che vengono quindi utilizzate per identificare tipi di roccia e unità rocciose distinte. Le linee tra ogni sezione di unità rocciosa sono i contatti. All’interno di ciascun tipo di roccia, verranno aggiunti dati di sciopero e immersione per illustrare l’orientamento affiorante superficiale degli strati rocciosi.

Questi dati di strike e dip indicano deformazioni di tipo fold che generano strati deformati verso l’alto, analoghi a una ciotola capovolta, che sono indicati come anticline. Le pieghe che coinvolgono strati deformati verso il basso sono sincronie. Al contrario, le faglie sono il risultato di una deformazione fragile, per cui le rocce si rompono invece di piegarsi lungo una superficie di rottura distinta. Questa superficie è il “piano di faglia”.

Presi insieme, il tipo di roccia, la posizione e l’orientamento vengono utilizzati per creare una sezione trasversale geologica. Il primo passo è creare un profilo topografico, che mostri l’elevazione e il contorno della regione di destinazione. I dati geologici vengono quindi aggiunti a questo profilo. Questa sezione trasversale può ora essere utilizzata per dedurre la struttura sotterranea. Ad esempio, i letti che si allontanano da un asse centrale sono indicativi di anticline, mentre i letti che si ivano verso indicherebbero le sincronie.

Inoltre, le sezioni trasversali geologiche vengono utilizzate per ricostruire pieghe e faglie che possono essere criptiche, a causa degli effetti dell’erosione sulle caratteristiche superficiali. Ciò si ottiene estrapolando i dati esistenti della superficie e del sottosuolo verso l’alto sopra il piano esistente.

Ora che abbiamo familiarità con i principi alla base della costruzione di una sezione trasversale geologica, diamo un’occhiata a come questo viene eseguito su una mappa di esempio.

Per costruire una sezione trasversale geologica, prendi prima una mappa geologica dell’area di rilevamento target. Iniziate scegliendo due punti che definiscono un profilo di sezione trasversale di interesse. Etichettare questi punti come A e A’. Questi dovrebbero essere selezionati in modo che una linea tra loro sia approssimativamente perpendicolare alle direzioni di attacco delle unità rocciose intermedie. Collega questi punti e crea un profilo topografico, senza esagerazione verticale, basato sui contorni che intersecano la linea. Quindi, prendi una striscia di carta e allineala lungo la linea A-A ‘, e segna attentamente i contatti tra le diverse unità rocciose.

Ad ogni contatto, le informazioni di immersione dei livelli adiacenti vengono utilizzate per proiettare il limite nel sottosuolo. Si noti che nella proiezione al sottosuolo, usiamo un tuffo medio attraverso la piega. Questo mantiene costante lo spessore del letto nella proiezione.

Usando un proniometro, misurare l’angolo del tuffo secondo la mappa originale ed estendere gli strati rocciosi in linee rette sotto la superficie. Proiettando queste informazioni in ogni punto di contatto si otterrà una visione approssimativa della sezione trasversale prevista degli strati rocciosi sotto la superficie. Quindi, cerca i modelli nelle proiezioni di roccia che possono indicare pieghe dello stesso tipo di strati rocciosi. Se queste linee di strati previste sembrano incontrarsi, ciò indica il ripiegamento dello stesso substrato e dovrebbero essere uniti in una proiezione liscia basata sulle magnitudini di immersione date in superficie.

Infine, estendere gli strati di rocce nella regione fuori terra. Questo mostra la presenza dedotta di rocce e struttura geologica prima dell’erosione.

La mappa utilizzata per questa dimostrazione mostra una porzione della masonville, COLORADO, quadrilatero di 7,5 minuti, mappa geologica USGS. Gli strati e i contatti rocciosi sono stati trasferiti al profilo geologico e le proiezioni fatte nel sottosuolo e nella superficie. Nel caso di una delle unità, il gruppo Dakota, etichettato KD ed evidenziato in verde, vediamo gli strati immergersi su un lato di quella che viene definita l’anticlina, a est e ad ovest sul lato opposto. Nel complesso, le proiezioni suggeriscono una combinazione anticline-syncline, e la cresta dell’anticlina è registrata sulla mappa originale stessa come una linea tratteggiata, con il trogolo (pronunciare “trof”) della sinclina indicato a ovest da una diversa linea tratteggiata. Questa combinazione si traduce in una serie di formazioni rocciose arcua e una formazione incurvata, prodotta da passate sollecitazioni di compressione sugli strati rocciosi. Il gruppo Dakota, che segue questo modello anticline-syncline, è un’unità di importanza in quanto rappresenta un’arenaria, che conterrà acqua o petrolio, che potrebbe essere di interesse per l’estrazione mineraria.

Le sezioni trasversali geologiche sono strumenti utili per una serie di tipi di indagini geologiche. Alcune di queste applicazioni sono esplorate qui.

L’analisi di sequenze di deposizione, intrusione, deformazione o erosione nel tempo può informare non solo le dimensioni spaziali della roccia, ma anche la dimensione temporale. Utilizzando queste informazioni, è anche possibile simulare e anticipare futuri cambiamenti nella struttura terrestre, come l’erosione di sostanze più morbide, lasciando esposte rocce più dure.

Depositi minerali economicamente più importanti; tra cui oro, argento, rame e molibdeno; sono associati a rocce ignee. Se tali rocce si trovano sulla superficie durante un’indagine geologica e i loro contatti superficiali possono essere valutati, è possibile utilizzare una sezione trasversale geologica per estrapolare dove è possibile trovare minerali nel sottosuolo.

Le sezioni trasversali geologiche sono fondamentali per valutare il flusso del fluido nel sottosuolo. Comprendere l’orientamento degli strati che migliorano il flusso, o falde acquifere, rispetto agli strati che impediscono il flusso, o acquiclude, consente ai geologi di prevedere il movimento delle acque sotterranee e potenzialmente determinare aree adatte per la perforazione dei pozzi. In generale, i tipi di roccia contenenti un considerevole spazio dei pori, come l’arenaria, saranno acquiferi, e quelli con una struttura più densa e poco spazio dei pori, come l’ardesia, agiranno come acquicludi. Fondamentalmente, queste informazioni consentono anche l’analisi del movimento degli inquinanti acquosi e lo sviluppo di possibili strategie di mitigazione in tali eventi.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alle sezioni trasversali geologiche. Ora dovresti capire come creare un profilo geologico da una mappa geologica e gli usi e le applicazioni di queste sezioni trasversali geologiche.

Grazie per l’attenzione!

Results

Per questa dimostrazione, è stata utilizzata una parte della mappa quadrangolare di 7,5 minuti di Carter Lake, Colorado, USGS. Questa notazione significa che 7,5 minuti di longitudine e 7,5 minuti di latitudine definiscono i confini E-W e N-S sulla mappa. Sul lato est della linea di sezione trasversale A-A’, gli strati rocciosi si indono verso ovest; al contrario, sul lato ovest, gli strati si tuffano verso est. Si può dedurre che questi strati si incontrano nel sottosuolo per formare una struttura pieghevole a forma di ciotola, nota come syncline. In definitiva, tutte le pieghe (sia che si tratti di deformazioni verso il basso, come le sincronie, o di deformazioni verso l’alto, come le anticline) sono un prodotto della deformazione in stile compressione. Quando le rocce sono state schiacciate, mostrano caratteristiche di deformazione plastica (ripiegamento), specialmente se la deformazione si è verificata relativamente rapidamente, con pressioni ad alto confinamento e temperature elevate nella crosta superiore della Terra. Al contrario, la rapida applicazione di stress, bassa pressione confinante e basse temperature hanno maggiori probabilità di produrre deformazioni fragili, note come faglie.

Applications and Summary

Le sezioni trasversali forniscono un mezzo per analizzare e valutare l’orientamento del sottosuolo delle unità rocciose. I geologi usano le regole di datazione relativa di taglio trasversale e sovrapposizione per determinare i tempi di deposizione e deformazione. Ad esempio, quando un livello si trova sopra un altro, si può dedurre che lo strato superiore è molto probabilmente più giovane del livello sottostante. Inoltre, se una faglia attraversa una particolare unità rocciosa, allora la faglia è molto probabilmente più giovane dell’unità rocciosa che compensa.

Alcune applicazioni specifiche includono la determinazione della storia geologica, l’analisi del flusso delle acque sotterranee, i depositi minerali e i giacimenti di petrolio e gas. Le tecniche di datazione relativa consentono una valutazione di una sequenza di eventi geologici, tra cui deposizione, intrusione e deformazione (pieghe e faglie). I geologi cercano di comprendere la terra non solo nelle tre dimensioni spaziali, ma anche nel contesto di una dimensione temporale, l’idea è quella di ricostruire il cambiamento geologico nel tempo.

Le sezioni trasversali sono una chiave per valutare il flusso del fluido nel sottosuolo. Comprendere l’orientamento degli strati che migliorano il flusso (falde acquifere) rispetto agli strati che impediscono il flusso (aquiclude) è la chiave per valutare il movimento delle acque sotterranee. Ciò fornisce anche un’applicazione per determinare dove i pozzi sono i migliori da perforare. Consente l’analisi del movimento degli inquinanti acquosi e delle possibili strategie di mitigazione. In generale, i tipi di roccia che contengono un notevole spazio poroso(ad esempio arenaria o rocce ignee / metamorfiche altamente fratturate) saranno acquifere. Al contrario, i tipi di roccia che contengono uno spazio limitato sui pori (o pori che mancano di inter-connettività) saranno più probabilmente acquicude.

La maggior parte dei giacimenti minerari economici(ad esempio,Au, Ag, Cu, Mo, ecc.) sono associati a rocce ignee. Se le rocce ignee affiorano sulla superficie e i loro contatti superficiali possono essere valutati, allora si può determinare dove si possono trovare possibili minerali nel sottosuolo. La maggior parte dei giacimenti di petrolio e gas sono associati a rocce sedimentarie, perché questi sono i tipi di roccia che contengono fonti di idrocarburi (sostanze organiche in decomposizione, sia terrestri che marine). Qui, l’analisi della sezione trasversale è assolutamente fondamentale per determinare dove è probabile che esistano trappole di piega o di faglia e se contengono risorse petrolifere. Ad esempio, gli up-warps (anticline) sono un luogo classico per la perforazione di petrolio e gas. Questo perché gli idrocarburi mobili tendono a fluire verso l’alto, all’interno di strati permeabili, fino a raggiungere il picco (o l’asse) di un’anticlina. Se lo strato permeabile è coperto da uno strato impermeabile, si accumula un serbatoio di idrocarburi e si accumula all’apice della piega.

Transcript

Geologic cross-sections can assess temporal models of rock formation through time.

Using geologic maps, cross-sections can be generated which predict the strata of the rocks sub-surface, and estimate the rock shape above ground prior to erosion.

The resulting cross-section is a cutaway image much like those seen in canyon walls or road cuts. While geologists may be able to infer such features from a plan-view geologic map, the addition of a cross-section provides a third dimension of information that can greatly enhance the ability to evaluate folds and faults.

This video will illustrate the process of creating a geologic cross section, and highlight some of the extensive uses of this geological tool.

The first step in creating a geologic map is to take a topographic map and onto this color-code the regions containing different rock types. In the field, geologists observe mineralogic and textural features, which are then used to identify distinct rock types and rock units. The lines between each rock unit section are the contacts. Within each rock type, strike and dip data will be added to illustrate the surface outcrop orientation of the rock strata.

These strike and dip data indicate fold-type deformations that generate up-warped strata, analogous to an upside down bowl, which are referred to as anticlines. The folds that involve down-warped strata are synclines. In contrast, faults are a result of brittle deformation, whereby rocks break instead of bending along a distinct surface-of-rupture. This surface is the “fault-plane.”

Taken together, rock type, position, and orientation, are used to create a geologic cross-section. The first step is to create a topographic profile, which shows the elevation and contour of the target region. The geologic data is then added to this profile. This cross-section can now be used to infer the subterranean structure. For example, beds dipping away from a central axis are indicative of anticlines, whereas beds that dip towards would indicate synclines.

Further, geologic cross sections are used to reconstruct folds and faults that may be cryptic, due to the effects of erosion on the surface features. This is achieved by extrapolating the existing surface and subsurface data upwards above the existing plane.

Now that we are familiar with the principles behind the construction of a geologic cross section, let’s take a look at how this is carried out on an example map.

To construct a geologic cross-section, first take a geologic map of the target survey area. Begin by choosing two points that define a cross section profile of interest. Label these points as A and A’. These should be selected so that a line between them will be approximately perpendicular to the strike directions of the intervening rock units. Connect these points, and create a topographical profile, without vertical exaggeration, based on the contours that intersect the line. Next, take a strip of paper and align it along the A-A’ line, and carefully mark the contacts between the different rock units.

At each contact, the dip information of the adjoining layers is used to project the boundary into the subsurface. Note that in the projection to the subsurface, we use an average dip across the fold. This maintains constant bed thickness in the projection.

Using a protractor, measure the angle of the dip according to the original map, and extend the rock layers in straight lines below the surface. Projecting this information at each contact point will give a rough predicted cross-sectional view of the rock strata beneath the surface. Next, look for patterns in the rock projections that may indicate folds of the same type of rock strata. If these predicted strata lines appear to meet, this indicates folding of the same substrate, and they should be joined in a smooth projection based on the dip magnitudes given at the surface.

Finally, extend the rocks layers into the above ground region. This shows the inferred presence of rocks and geologic structure prior to erosion.

The map used for this demonstration shows a portion of the MASONVILLE, COLORADO, 7.5 minute quadrangle, USGS geologic map. The rock layers and contacts have been transferred to the geologic profile, and projections made into the subsurface and surface. In the case of one of the units, the Dakota group, labeled KD and highlighted in green, we see the layers dipping on one side of what is referred to as the anticline, to the east, and to the west on the opposite side. Overall, the projections suggest an anticline-syncline combination, and the crest of the anticline is recorded on the original map itself as a dashed line, with the trough (pronounce “trof”) of the syncline indicated to the west by a different dashed line. This combination results in a bowed down set of rock formations, and a bowed up formation, produced by past compressional stresses on the rock strata. The Dakota group, which follows this anticline-syncline pattern, is a unit of importance as it represents a sandstone, which will contain water or oil, which may be of interest for mining.

Geologic cross-sections are useful tools for a number of types of geological investigation. Some of these applications are explored here.

Analyzing sequences of deposition, intrusion, deformation, or erosion over time can inform not only the spatial dimensions of the rock, but also the temporal dimension. Using this information, it is also possible to simulate and anticipate future changes in the Earth’s structure, such as the erosion of softer substances, leaving harder rock exposed.

Most economically important mineral deposits; including gold, silver, copper, and molybdenum; are associated with igneous rocks. If such rocks are found on the surface during a geological survey, and their surface contacts can be assessed, it is possible to use a geologic cross section to extrapolate where possible ores can be found in the subsurface.

Geologic cross-sections are key to evaluating fluid flow in the subsurface. Understanding the orientation of flow-enhancing layers, or aquifers, versus flow preventing layers, or aquicludes, allows geologists to predict the motion of groundwater, and potentially determine suitable areas for drilling of wells. In general, rock types containing considerable pore space, like sandstone, will be aquifers, and those with denser structure and little pore space, like slate, will act as aquicludes. Crucially, this information also allows for analysis of aqueous pollutant movement, and development of possible mitigation strategies in such events.

You’ve just watched JoVE’s introduction to geologic cross-sections. You should now understand how to create a geologic profile from a geologic map, and the uses and applications of these geologic cross-sections.

Thanks for watching!

Tags

Valore vuoto Problema