构造地质学软件包
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关键词 :构造地质学 ;StrucKit ;软件包 ;程序 中图分类号 :P54 文献标识码 :A
0 引言
定性向定量方向的发展 。
计算机技术在办公和科学研究中可说是日新月 1 系统分析
异 ,但构造地质学应用软件的开发却还处于滞后状
在构造地质学分析研究中 ,常常要解决诸如构
态 。目 前 应 用 的 构 造 地 质 学 软 件 有 : WinTek 、 造要素的投影 、岩石有限应变的测量 、求取岩石流变
曲线拟合 。曲线最高点对应 n′(φ′) max ,最低点对应 n′(φ′) min 。
表 2 统计出的边界数据和方向角度 Table 2 The statistical data of boundary and the direction
给定线段在任一方向与矿物边界相交几率不变 ,即
n (φ) = N = 常数 。
2 功能块的原理及部分实例
应变椭圆长轴方向为
φi = φ′minபைடு நூலகம்。
(4)
该软件每个功能模块均有详尽的原理分析 、公 实际手工操作时 ,在一个圆内作一系列平行线
式推导和实例验证 ,保证了软件的正确性和可靠性 。 制成轮状 ,测量时将轮心固定在 x′轴原点 ,每次反
由于篇幅有限 ,在此仅简要介绍各功能块的原理和 向转动一个角度 (图 1a) ,平行线与 x′轴的交角为
绘制极密图 、绘制玫瑰图) 和一定的统计功能 。而我 国这方面的应用程序主要是在 20 世纪 80 年代开发 的 ,大部分都是 DOS 下的 BASIC 语言程序 ,用户界 面非图形界面 ,且没有很好集成 。其中具有代表性 的构造地质学程序是汤经武和杨学敏编制的 17 个 构造工具程序[2] 。20 世纪 90 年代至今 ,国内解决构 造地质问题的计算机程序有所发展 ,但总的来说 ,还 是缺乏功能比较齐全的构造地质学软件 。这一现状
陈氏网格法 变形前在模型上印刷一定型式的
网格 ,通过对模型施加载荷 ,网格跟随模型发生变 形 。然后利用变形前后网格的位形差异 ,采用一定 的力学理论 ,求得模型内的应变场 ,这就是网格法的 基本思想 。若需要 ,还可根据模型材料本构关系求 得模型的应力场 。
按照所采用的理论不同 ,网格法可分为小变形 网格法与大变形网格法 。小变形网格法采用的是无 限小应变理论 ,大变形网格法则采用有限应变理论 。 在我国地质力学界 ,以往多采用弹性小变形网格法 , 大变形网格法的应用 ,是近十几年来发展起来的 。 这里利用的理论是基于陈至达应变 转动分解定理 发展 起 来 的 拖 带 坐 标 系 网 格 法 , 也 称“陈 氏 网 格 法”[6] 。
Fig. 2
图 2 面状和线状构造优势方位确定的原理与实例结果 The method for calculation of structural preferred orientation and a sample
a. 面状构造投影 ;b. 线状构造投影 ;c. 某地节理极点等密图
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2c 是软件得到的节理极点等密图 。
条数 ,半径方位 Zi 是倾向均值 ;绘制走向玫瑰花图 ,
面状构造的投影 设面状构造产状为 φ∠θ,规 半径 Ri 表示节理条数 ,半径方位 Zi 是走向均值 ;绘
定其法线向上半球投影 (图 2a) ,投影极点到圆心的 制倾角玫瑰花图 ,半径 Ri 为倾角均值 ,半径方位 Zi
距离与
OP
的关系如下 :
OP
=
2
r
·sin
θ 2
;当θ
=
90°
为倾向均值 。以圆心为原点 , Y 轴指向北 东 ,则上述各区间投点的坐标公式为
第
33 卷 第 3 2003 年 7 月
期
吉
JOURNAL
林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版)
OF J ILIN UNIVERSITY( EARTH SCIENCE EDITION)
Vol. 33 J ul .
No 2003
. 3
文章编号 :1671 5888 (2003) 03 0276 06
量的自动化和提高数据统计的精度和测量效率 。 结合计算机图像学 ,实现了计算机在图像上自
动判断颗粒的边界[4] ,求取岩石有限应变的大小 ,同 时也可得颗粒优选方位 。应用该软件测试了文献 [3 ]中砂岩颗粒图中的部分区域的应变 。分析结果 见图 1b 、1c ,这些结果与 Panozzo 手工测量的应变结 果吻合 ,说明了该功能块的正确性 。
Fry 法 Fry 法[5] 假定原来岩石中颗粒是随机 分布的 ,即标志体变形前的分布在统计上为各向同 性 ,而且岩石在测量范围内均匀 。即以任意标志体 中心为原点 ,与其它标志体中心的间距在各方向上 的相应点上都是相等的 。这些标志体中心的分布为 无数半径不同的共心球体 。变形后成为共心椭球 系 。当获得变形岩石切面上标志体的图形或照片 后 ,采用人工方法 ,在两张透明纸上反复投点后 ,可 获得 Fry 法的中空椭圆形的环带图形 ,进而测量应 变椭圆长 、短轴大小及其方位等参数 。
边界交点数为
角度Π℃ 边界Π个
0
85
10
89
20
88
30
90
40
86
50
89
60
91
角度Π℃ 100 110 120 130 140 150 160
边界Π个 87 81 73 72 70 77 82
n′(φ′) = N ·
70
92
170
86
80
86
180
85
λ′1 ·cos2 (φ′-
φ i
)
+ λ′3 ·sin2 (φ′-
φ i
)
。
90
85
(2)
其中 , λ′1 和 λ′3 是倒易主长度比 ,这实际上是
这一功能块就是用计算机来实现反向轮法测量
一个椭圆公式 。于是 ,应变椭圆轴比可表示成
岩石有限应变的这一系列手工操作 ,以实现应变测
Fig. 1
图 1 反向轮法测岩石有限应变的原理与实例结果 Determination of finite strain in rocks with the inverse SURFOR wheel method and the sample
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 3 期 周继彬 ,等 :构造地质学软件包 ———StrucKit 的设计与开发
277
体做一定的调整再集成 。
aΠc = λ′3Π λ′1 = n′(φ′) maxΠn′(φ′) min 。(3)
收稿日期 :2002 10 24 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (49972068) ;国土资源部“九五”攻关项目 (95 02 002 01) 作者简介 :周继彬 (1976 ) ,男 ,四川广汉人 ,硕士 ,主要从事构造物理和计算机模拟研究 ,
E mail :zhoujibin123 @etang. com1
a. 手工测量的原理图 ;b. 砂岩颗粒轮廓图 ;c. 应变分析曲线图
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
278
吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版) 2003 年
第 3 期 周继彬 ,等 :构造地质学软件包 ———StrucKit 的设计与开发
279
造在施密特网上的投影原理 ,据此可得到面状构造 坐标点 ,按顺序连接这些点就绘制出玫瑰花图 。具
和线状构造的产状与平面坐标的相互转换公式 。图 体绘制倾向玫瑰花图时 ,坐标点的半径 Ri 代表节理
求取网格角点坐标 ,可以用鼠标在模型变形前 后图形上轻松点取坐标 ,求得模型前后网格角点坐 标 ,按相应网格法理论计算可得到拖带系坐标下的 变形数据 。这些数据的等值线图便可反映出模型相 应的有限应变场和有限转动场 。 2. 2 面状或线状构造优势方位的确定及数据绘图
根据面状或线状构造产状在等面积网 (施密特 网) 上投图方法 ,编制该功能程序 。首先转换面状或 线状产状为平面二维坐标的 X 、Y 值 ;其次在等面积 网上投点 ,得到构造产状极点图 ;最后 ,利用网格法 等值线原理 ,画出极点等密图 ,同时还根据不同等级 的等值线求出优势中心 。图 2a 、2b 是面状和线状构
(1)
式 (1) 中 , N 为变形前单位线段与颗粒边界交点个
数 ,φ为线段与参考轴 x 之间的夹角 。岩石变形后 ,
所选线段与矿物颗粒边界交点个数不变 ,但线段长
度以及交点间的距离发生了改变 , x 轴变为 x′轴 ,所
给线段与 x′轴的夹角为φ′。当应变椭圆长轴与 x′
轴不平行时 ,有一夹角 φ′,则单位长度线段与颗粒
构造问题分类
详 细 内 容
数据绘图
节理玫瑰花图 、面状 、线状构造产状等密图 和极点图 、岩组图 、褶皱π图 、褶皱β图
应变测量
岩石有限应变测量 Fry 法和反向轮法 、模型 非均匀有限应变场测定陈氏网格法
几何参数与 流变参数 、断裂线曲率 、三点法确定岩层产 流变参数 状 、岩层真厚度计算
给我们留下了不少研究课题 ,如对原有 DOS 程序的 升级 、改进和对一些原来没有实现的功能进行实现 以及集成等 。
GEOSTRUK、SteroNett 、StereoPro 等[1] 。它们的优点是 参数等 ,具体分类如表 1 。
面向 Windows 操作系统 ,界面友好 ,操作简便 。但功
表 1 常见构造问题需求分类
能有限 ,它们仅涉及到构造要素的投图 (赤平投影 、 Table 1 The class of the common structural problems
部分实例 。
φ′,统计对应不同 φ′角度时平行线上颗粒边界总
2. 1 岩石有限应变测量的反向轮法 、Fry 法和陈氏 数 ,直到转动 180°,这便得到一系列数据 (表 2) ,在
网格法
平面直角坐标系中 ,作 n′(φ′) 对 φ′的投点 ,并进行
反向轮法 根据 Panozzo 提出的原理[3] ,岩石在 未变形时各种组构是随机的 ,各向同性的 ,但变形后 将出现一定的优选方位 ,在给定截面上可得有限应 变椭圆 。假设变形前岩石中矿物颗粒随机分布 ,则
按照 Fry 的心对心法 ,编制该功能块以实现 Fry 法手工操作 ,同时也简化了颗粒中心的求取 ,可以直 接在计算机上用鼠标点取颗粒图像的中心 ,让计算 机自动保存各中心点坐标 。程序根据中心点坐标数 据 ,逐一以每点为中心 ,其余各点进行相应的坐标平 移 ,并进行投点 ,最后得到 Fry 法的中空椭圆点图 ; 进一步得出拟合椭圆和应变参数 。
构造地质学软件包 ———StrucKit 的设计与开发
周继彬1 ,2 ,曾佐勋1 ,2 ,袁金荣3
(1. 中国地质大学 地球科学学院 ,湖北 武汉 430074 ;2. 华中构造力学研究中心 ,湖北 武汉
3. 上海市隧道工程轨道交通设计研究院 ,上海 200070)
430074 ;
摘要 :StrucKit 是一个构造地质学工具软件 ,采用 VB 6. 0 开发完成 。它集成 12 项功能 ,包括岩石 有限应变测量的反向轮法和 Fry 法 、模型非均匀有限应变场测定的陈氏网格法 、面状和线状构造优势 方位的确定 、节理玫瑰花图 、岩组图的计算机绘制 、三点法求岩层产状 、岩层真厚度计算 、断裂线曲率 计算 、能干层褶皱流变参数的估算 、褶皱的π图解和β图解 。StrucKit 的优点是功能的集成 、结果的直 观性 、操作的简便性 、运算精度和效率较高等 。
基于目前构造地质学软件或程序 ,开发出功能 比较齐全的构造地质学软件包 ———StrucKit ,将会对 构造地质学研究起到一定的作用 ,促进构造研究从
以上构造问题的解决 ,可以用计算机软件来完 成 ;根据系统问题和要求 ,设计一个框架结构合理的 软件是十分必要的 。出于紧凑和相对独立的角度 , 设计出 12 个功能块 。对这些功能块的开发 ,采用微 软快速开发 Windows 应用程序的可视化设计工具 Visual Basic 6. 0 。各功能块是单个开发 ,最后根据整
0 引言
定性向定量方向的发展 。
计算机技术在办公和科学研究中可说是日新月 1 系统分析
异 ,但构造地质学应用软件的开发却还处于滞后状
在构造地质学分析研究中 ,常常要解决诸如构
态 。目 前 应 用 的 构 造 地 质 学 软 件 有 : WinTek 、 造要素的投影 、岩石有限应变的测量 、求取岩石流变
曲线拟合 。曲线最高点对应 n′(φ′) max ,最低点对应 n′(φ′) min 。
表 2 统计出的边界数据和方向角度 Table 2 The statistical data of boundary and the direction
给定线段在任一方向与矿物边界相交几率不变 ,即
n (φ) = N = 常数 。
2 功能块的原理及部分实例
应变椭圆长轴方向为
φi = φ′minபைடு நூலகம்。
(4)
该软件每个功能模块均有详尽的原理分析 、公 实际手工操作时 ,在一个圆内作一系列平行线
式推导和实例验证 ,保证了软件的正确性和可靠性 。 制成轮状 ,测量时将轮心固定在 x′轴原点 ,每次反
由于篇幅有限 ,在此仅简要介绍各功能块的原理和 向转动一个角度 (图 1a) ,平行线与 x′轴的交角为
绘制极密图 、绘制玫瑰图) 和一定的统计功能 。而我 国这方面的应用程序主要是在 20 世纪 80 年代开发 的 ,大部分都是 DOS 下的 BASIC 语言程序 ,用户界 面非图形界面 ,且没有很好集成 。其中具有代表性 的构造地质学程序是汤经武和杨学敏编制的 17 个 构造工具程序[2] 。20 世纪 90 年代至今 ,国内解决构 造地质问题的计算机程序有所发展 ,但总的来说 ,还 是缺乏功能比较齐全的构造地质学软件 。这一现状
陈氏网格法 变形前在模型上印刷一定型式的
网格 ,通过对模型施加载荷 ,网格跟随模型发生变 形 。然后利用变形前后网格的位形差异 ,采用一定 的力学理论 ,求得模型内的应变场 ,这就是网格法的 基本思想 。若需要 ,还可根据模型材料本构关系求 得模型的应力场 。
按照所采用的理论不同 ,网格法可分为小变形 网格法与大变形网格法 。小变形网格法采用的是无 限小应变理论 ,大变形网格法则采用有限应变理论 。 在我国地质力学界 ,以往多采用弹性小变形网格法 , 大变形网格法的应用 ,是近十几年来发展起来的 。 这里利用的理论是基于陈至达应变 转动分解定理 发展 起 来 的 拖 带 坐 标 系 网 格 法 , 也 称“陈 氏 网 格 法”[6] 。
Fig. 2
图 2 面状和线状构造优势方位确定的原理与实例结果 The method for calculation of structural preferred orientation and a sample
a. 面状构造投影 ;b. 线状构造投影 ;c. 某地节理极点等密图
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2c 是软件得到的节理极点等密图 。
条数 ,半径方位 Zi 是倾向均值 ;绘制走向玫瑰花图 ,
面状构造的投影 设面状构造产状为 φ∠θ,规 半径 Ri 表示节理条数 ,半径方位 Zi 是走向均值 ;绘
定其法线向上半球投影 (图 2a) ,投影极点到圆心的 制倾角玫瑰花图 ,半径 Ri 为倾角均值 ,半径方位 Zi
距离与
OP
的关系如下 :
OP
=
2
r
·sin
θ 2
;当θ
=
90°
为倾向均值 。以圆心为原点 , Y 轴指向北 东 ,则上述各区间投点的坐标公式为
第
33 卷 第 3 2003 年 7 月
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吉
JOURNAL
林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版)
OF J ILIN UNIVERSITY( EARTH SCIENCE EDITION)
Vol. 33 J ul .
No 2003
. 3
文章编号 :1671 5888 (2003) 03 0276 06
量的自动化和提高数据统计的精度和测量效率 。 结合计算机图像学 ,实现了计算机在图像上自
动判断颗粒的边界[4] ,求取岩石有限应变的大小 ,同 时也可得颗粒优选方位 。应用该软件测试了文献 [3 ]中砂岩颗粒图中的部分区域的应变 。分析结果 见图 1b 、1c ,这些结果与 Panozzo 手工测量的应变结 果吻合 ,说明了该功能块的正确性 。
Fry 法 Fry 法[5] 假定原来岩石中颗粒是随机 分布的 ,即标志体变形前的分布在统计上为各向同 性 ,而且岩石在测量范围内均匀 。即以任意标志体 中心为原点 ,与其它标志体中心的间距在各方向上 的相应点上都是相等的 。这些标志体中心的分布为 无数半径不同的共心球体 。变形后成为共心椭球 系 。当获得变形岩石切面上标志体的图形或照片 后 ,采用人工方法 ,在两张透明纸上反复投点后 ,可 获得 Fry 法的中空椭圆形的环带图形 ,进而测量应 变椭圆长 、短轴大小及其方位等参数 。
边界交点数为
角度Π℃ 边界Π个
0
85
10
89
20
88
30
90
40
86
50
89
60
91
角度Π℃ 100 110 120 130 140 150 160
边界Π个 87 81 73 72 70 77 82
n′(φ′) = N ·
70
92
170
86
80
86
180
85
λ′1 ·cos2 (φ′-
φ i
)
+ λ′3 ·sin2 (φ′-
φ i
)
。
90
85
(2)
其中 , λ′1 和 λ′3 是倒易主长度比 ,这实际上是
这一功能块就是用计算机来实现反向轮法测量
一个椭圆公式 。于是 ,应变椭圆轴比可表示成
岩石有限应变的这一系列手工操作 ,以实现应变测
Fig. 1
图 1 反向轮法测岩石有限应变的原理与实例结果 Determination of finite strain in rocks with the inverse SURFOR wheel method and the sample
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 3 期 周继彬 ,等 :构造地质学软件包 ———StrucKit 的设计与开发
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体做一定的调整再集成 。
aΠc = λ′3Π λ′1 = n′(φ′) maxΠn′(φ′) min 。(3)
收稿日期 :2002 10 24 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (49972068) ;国土资源部“九五”攻关项目 (95 02 002 01) 作者简介 :周继彬 (1976 ) ,男 ,四川广汉人 ,硕士 ,主要从事构造物理和计算机模拟研究 ,
E mail :zhoujibin123 @etang. com1
a. 手工测量的原理图 ;b. 砂岩颗粒轮廓图 ;c. 应变分析曲线图
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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吉 林 大 学 学 报 (地 球 科 学 版) 2003 年
第 3 期 周继彬 ,等 :构造地质学软件包 ———StrucKit 的设计与开发
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造在施密特网上的投影原理 ,据此可得到面状构造 坐标点 ,按顺序连接这些点就绘制出玫瑰花图 。具
和线状构造的产状与平面坐标的相互转换公式 。图 体绘制倾向玫瑰花图时 ,坐标点的半径 Ri 代表节理
求取网格角点坐标 ,可以用鼠标在模型变形前 后图形上轻松点取坐标 ,求得模型前后网格角点坐 标 ,按相应网格法理论计算可得到拖带系坐标下的 变形数据 。这些数据的等值线图便可反映出模型相 应的有限应变场和有限转动场 。 2. 2 面状或线状构造优势方位的确定及数据绘图
根据面状或线状构造产状在等面积网 (施密特 网) 上投图方法 ,编制该功能程序 。首先转换面状或 线状产状为平面二维坐标的 X 、Y 值 ;其次在等面积 网上投点 ,得到构造产状极点图 ;最后 ,利用网格法 等值线原理 ,画出极点等密图 ,同时还根据不同等级 的等值线求出优势中心 。图 2a 、2b 是面状和线状构
(1)
式 (1) 中 , N 为变形前单位线段与颗粒边界交点个
数 ,φ为线段与参考轴 x 之间的夹角 。岩石变形后 ,
所选线段与矿物颗粒边界交点个数不变 ,但线段长
度以及交点间的距离发生了改变 , x 轴变为 x′轴 ,所
给线段与 x′轴的夹角为φ′。当应变椭圆长轴与 x′
轴不平行时 ,有一夹角 φ′,则单位长度线段与颗粒
构造问题分类
详 细 内 容
数据绘图
节理玫瑰花图 、面状 、线状构造产状等密图 和极点图 、岩组图 、褶皱π图 、褶皱β图
应变测量
岩石有限应变测量 Fry 法和反向轮法 、模型 非均匀有限应变场测定陈氏网格法
几何参数与 流变参数 、断裂线曲率 、三点法确定岩层产 流变参数 状 、岩层真厚度计算
给我们留下了不少研究课题 ,如对原有 DOS 程序的 升级 、改进和对一些原来没有实现的功能进行实现 以及集成等 。
GEOSTRUK、SteroNett 、StereoPro 等[1] 。它们的优点是 参数等 ,具体分类如表 1 。
面向 Windows 操作系统 ,界面友好 ,操作简便 。但功
表 1 常见构造问题需求分类
能有限 ,它们仅涉及到构造要素的投图 (赤平投影 、 Table 1 The class of the common structural problems
部分实例 。
φ′,统计对应不同 φ′角度时平行线上颗粒边界总
2. 1 岩石有限应变测量的反向轮法 、Fry 法和陈氏 数 ,直到转动 180°,这便得到一系列数据 (表 2) ,在
网格法
平面直角坐标系中 ,作 n′(φ′) 对 φ′的投点 ,并进行
反向轮法 根据 Panozzo 提出的原理[3] ,岩石在 未变形时各种组构是随机的 ,各向同性的 ,但变形后 将出现一定的优选方位 ,在给定截面上可得有限应 变椭圆 。假设变形前岩石中矿物颗粒随机分布 ,则
按照 Fry 的心对心法 ,编制该功能块以实现 Fry 法手工操作 ,同时也简化了颗粒中心的求取 ,可以直 接在计算机上用鼠标点取颗粒图像的中心 ,让计算 机自动保存各中心点坐标 。程序根据中心点坐标数 据 ,逐一以每点为中心 ,其余各点进行相应的坐标平 移 ,并进行投点 ,最后得到 Fry 法的中空椭圆点图 ; 进一步得出拟合椭圆和应变参数 。
构造地质学软件包 ———StrucKit 的设计与开发
周继彬1 ,2 ,曾佐勋1 ,2 ,袁金荣3
(1. 中国地质大学 地球科学学院 ,湖北 武汉 430074 ;2. 华中构造力学研究中心 ,湖北 武汉
3. 上海市隧道工程轨道交通设计研究院 ,上海 200070)
430074 ;
摘要 :StrucKit 是一个构造地质学工具软件 ,采用 VB 6. 0 开发完成 。它集成 12 项功能 ,包括岩石 有限应变测量的反向轮法和 Fry 法 、模型非均匀有限应变场测定的陈氏网格法 、面状和线状构造优势 方位的确定 、节理玫瑰花图 、岩组图的计算机绘制 、三点法求岩层产状 、岩层真厚度计算 、断裂线曲率 计算 、能干层褶皱流变参数的估算 、褶皱的π图解和β图解 。StrucKit 的优点是功能的集成 、结果的直 观性 、操作的简便性 、运算精度和效率较高等 。
基于目前构造地质学软件或程序 ,开发出功能 比较齐全的构造地质学软件包 ———StrucKit ,将会对 构造地质学研究起到一定的作用 ,促进构造研究从
以上构造问题的解决 ,可以用计算机软件来完 成 ;根据系统问题和要求 ,设计一个框架结构合理的 软件是十分必要的 。出于紧凑和相对独立的角度 , 设计出 12 个功能块 。对这些功能块的开发 ,采用微 软快速开发 Windows 应用程序的可视化设计工具 Visual Basic 6. 0 。各功能块是单个开发 ,最后根据整