地质图上地质结构面的表示方法与应用

11.6.1　　地质结构面的表示方法

地质图上一般反映地层岩性、地质构造及物理地质现象等地质信息，这些信息需要用不同的符号和方法，才能综合在一幅图中。地层岩性是通过测绘填图单位绘制地层分界线、标注地层年代或岩性代号，再配合图例来反映的。层状岩层（沉积岩或由它形成的变质岩）在地质图上，其地层结构面分界线规律性强，岩层在地表出露线的形状是由岩层产状和地形之间的关系决定的，即符合著名的“V”字形法则，因此，层状岩层和地质构造结构面一样，可以按照地质结构面来处理。第四系松散沉积层和基岩分界线、第四系松散内沉积层之间的分界线较不规则，它表示的是在一个特定沉积环境中，随着深度变化沉积或堆积在一个区域，系统中是按照一般地层界线来处理的。按照以上的约定，建立三维模型分为地质结构面和一般地层界线两种。

地质结构面在地质平面图上的表示方法，系统有如下约定：一是为简单计，将岩石的节理面、层面、断层、裂隙、夹层、挤压破碎带等都简称为结构面（虽然有些面并不是构造原因产生的）；二是在大比例尺工程地质图上，地质结构面的几何形态多为平面或接近为平面，有时，在宏观上它们是个曲面，但在局部地区仍可近似用一个平面来表示。因此，我们用其“产状”可以准确的表示地质结构面在空间的位置。结构面的产状常用走向、倾向和倾角来表示，其中，走向是指结构面与水平面的交线（称为走向线）的方向，用方位角或方向角表示。方位角是从正北方向顺时针旋转，0°～360°；方向角是从正北或正南线量起，分为四个象限描述。系统采用方位角方式，例如NW330 NE∠56°，NE30 SE∠45°。

地质结构面产状的测定，对于在地面上或探洞内露头的结构面，可用地质罗盘就地测定，由于构造面不可能是理论上的平面，加上观测误差，测定的值有一定的变化幅度，测绘人员应保证量取产状的数量，进行统计求其均值和变化区域。可取均值作分析计算用，并可考察观测值偏离均值的情况，了解构造面的起伏程度，如果构造面产状变化较大，应当分部位提供其平均产状，或者用等值线图和曲面来模拟。这是保证计算机制图精度的关键。

11.6.2　　地质结构面的特征

在平面图上，地质结构面是以在地表的出露线来表示的。系统中，对地质结构面的特征用属性来表示，并作了一些约定，以AutoCAD对图形元素的附加数据存储地质结构面的属性。不同类型的地质结构面可以使用不同的线型，一般来说，实测的出露线绘制实线，推测的出露线绘制虚线。只要线型的前三个字母是“JGM”，系统就将其作为地质结构面来处理。绘制在平面图上的地质结构面出露线，使用“平面图”→“杂类”→“编辑地质结构面的属性”，来编辑结构面的属性，界面如图11-19所示。

地质结构面的属性，包括以下项目：

（1）编号：地质结构面的编号，例如F1、D1等。

（2）产状：地质结构面的总体产状，格式用方位角表示，例如NE30 NW<56°。

（3）宽度：地质结构面的宽度，单位是m。

（4）描述：地质结构面的说明文本。

（5）线型：地质结构面的线型。

（6）断层：0表示非断层，1是正断层，2是逆断层，3是逆掩断层，4是平移断层。

（7）垂直断距：使其他结构面产生错断的垂直断距，单位是m。

（8）左右侧岩性花纹：当结构面出露线是岩性界线时，沿线段前进方向左侧和右侧的岩性花纹代号。

图11-19　地质结构面属性界面

随后显示从线段开始点到终点各点的产状，如果整个结构面的产状未发生变化，只用一个产状来描述，那么只需在表格的第二行“产状”一栏中输入总体产状就可以了；如果产状发生变化了，可以从变化开始那一点输入产状。如图11-19所示，在第四点产状发生了变化。

图面上的地质结构面绘制完成以后，系统可以自动完成标注产状符号的工作，并在产状发生变化的位置标注产状符号。系统还可以自动绘制地质结构面汇总表，选择“平面图”→“杂类”→“绘制结构面汇总表”，系统自动到图面上寻找地质结构面，并显示在如图11-20对话框中，用户可在此对话框中进行编辑，也可以删除或移动位置，点击“OK”按钮以后，系统先后提示用户输入起始行号、终止行号、描述的宽度、绘制表格起始位置等，然后自动完成表格的绘制。绘制到图面上的表格都是AutoCAD的文本和线实体，可以用AutoCAD的命令进行编辑修改，如图11-21所示，同时将汇总表的数据输出在用户选定的一个文本文件中，可以在电子表格中打开编辑修改。

图11-20　选择结构面

图11-21　断层和岩脉汇总表

以下介绍的两种方法，是通过结构面出露线上各点的三维坐标计算得来的。一是选择“平面图”→“地质结构面”→“计算结构面出露线各点产状”，计算结构面各点产状。我们知道，已知三个点的空间坐标，可以建立一个平面方程，计算其产状，有时根据勘探点在地表上绘制了结构面的出露线，可以根据这些出露点计算各点产状，方法是以当前点和前后相邻各一个点共三个点计算出当前点的产状，计算结果存放在一个文件里，然后可以根据这些数据绘制玫瑰花图和极点图，找出相对优势的一组，确定该结构面的总体产状，如图11-22所示。二是选择“平面图”→“地质结构面”→“结构面出露线转成三维数据”，在地质平面图上选择一条地质结构面出露线，计算机自动计算出露线各点产状，然后向地表以下延伸，生成三维面的BSN数据文件。

图11-22　结构面出露线计算各点产状和玫瑰花图

11.6.3　　地质结构面的三维表示方法

地质结构面在地质平面图上是以出露线的方式表示的（线是由若干点组成的），如何将线转换为三维表示呢，采用的方式是将线转换为面，再由面转换为实体，转换过程是按照结构面的产状自动完成的。如图11-23所示，出露线上的每个点位都有一个产状，各点位都按照各自的倾向和倾角，计算出地表以下一定高程的另一点，相邻的两组数据共四个点组成一个平面，当出露线有N个点时，就会组成N-1个平面，将这些平面数据存储在一个文件里，文件名为该结构面的编号，后缀为BSN，存放在当前工程的PL子目录下，数据是以Auto LISP的表格形式来存放的。BSN数据生成以后，可以通过读取这些数据，在三维地质模型中，绘制三维结构面，切制剖面图、平切图等，通过数据完成这些工作，可以减少直接对三维图形实体的操作，进而提高速度，减少图形文件的容量。生成三维BSN数据的功能是选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“结构面出露线转成三维数据”。

图11-23　结构面数据转换界面

图11-24　结构面数据转换界面

该程序是在地质平面图上运行，程序开始提示选择地质结构面，对用户选定的线实体，程序自动进行筛选，删除掉不是地质结构面的线实体（地质结构面的线型前三个字母是“JGM”），删除掉那些对地质结构面的属性（编号和产状）未进行赋值的实体，因为未赋值产状不能转换成三维数据。程序提示输入高程下限，高程下限是结构面由地表向地下延伸的终止高程，如图11-24所示，高程下限选择准确以后，在切制平切图和剖面图时就会非常的方便和简单，否则会增大切制图形以后手工调整的工作量。程序是以用户在建立平面图总体参数时确定的高程下限为约定值，接着显示一个对话框，显示用户所选中的全部结构面属性及高程下限，此时还可分别对每一个结构面的高程下限进行修改，点击“OK”按钮以后，程序自动完成结构面的出露线向三维面的转换，数据自动存盘并显示转换完成信息。

在地质平面图上转换地质结构面数据，是按照地形等高线将平面的线段转换成三维线段，当地形等高线比较密集时，转换速度会受到一定影响。也可以直接在三维地形（3DMesh网格面）上进行转换，操作步骤如下：首先绘制一个3dface三维地形面，选择“平面图”→“三维功能”→“绘制3dface表面”，程序自动完成3dface三维地形表面的绘制。将地质结构面出露线从地质平面图上拷贝到三维地形图上，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“结构面出露线转换成三维数据（3dface）”，程序自动完成转换。

在地质平面图上将地质结构面出露线转换成三维数据以后，可以进入一张新图作为三维图，绘制三维结构面，方法是：选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“绘制地质结构面swjgm1”，按照计算机的提示选择要绘制的结构面，然后自动绘制三维结构面，此时绘制的是三维表面（3dface）。

在平面图上绘制的地质结构面出露线，如果是按照“V”字形法则绘制的，那么在绘制三维结构面时就是一个平面，如图11-25中的结构面F1所示；如果不符合“V”字形法则，那么绘制的三维面就是由若干平面组成的折面，如图11-25中的结构面Fp1所示。地质结构面出露线的产状是可以分段表示的，而转换三维数据时又是按照各点坐标及产状进行转换的，因此绘制的三维面是随着产状的改变而变化，在产状变化点三维面有很好的衔接，如图11-26所示。

图11-25　绘制三维结构面

三维地质结构面也可以绘制成圆滑的曲面，其方法是：用地质结构面上各出露点和按照产状计算出的其余点作为离散点，使用Surfer软件进行网格化，然后绘制出圆滑的三维地质结构面，如图11-27所示。

图11-26　三维地质结构面

图11-27　三维地质结构面

地质结构面绘制成三维实体：选择“平面图”→“三维功能”→“三维实体”→“绘制地质结构面”，读取结构面的BSN数据文件，在三维图上绘制地质结构面的三维实体，如图11-28所示。此时绘制的结构面是3DSolid实体。绘制三维实体的优点是便于切割和实体组合，缺点是占用磁盘空间较大。

11.6.4　　三维结构面的编辑

当地质结构面绘制到三维图上以后，还可以对其进行编辑修改：

（1）修改地质结构面的高程下限。如果对开始生成结构面三维数据时选定的高程下限不满意，还可以再进行修改，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“修改结构面高程下限”，系统提示用户选择结构面，输入新的高程下限，程序自动完成对原数据文件的修改并存盘，可以反复修改一直到满意为止。

图11-28　结构面绘制成三维实体

（2）计算两个结构面的交线。在工程实际应用中，我们经常遇到多组结构面相互切割的情况，需要做些相应的几何计算，最重要的就是计算两个结构面的相交棱线的方位和倾角。在二维制图时，假定结构面是平面，可以通过绘制赤平投影图的方法计算相交棱线的产状。当结构面是曲面时，可以使用以下方法：

根据两个结构面的三维BSN数据文件，计算出两个结构面的交点，并连接成一条三维线（3dPOLY），选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“计算两结构面的交线”。程序开始时，提示选择两个结构面，然后绘制出两个结构面的交线，如图11-29所示。两个结构面（A和B）相交线的计算原理是：先以结构面A的每一条边作为一条线段，与结构面B的每一个平面计算交点，再以结构面B的每一条边作为一条线段，与结构面A的每一个平面计算交点，所有的交点按照顺序依次连接成一条线，就是两个结构面的交线，如图11-29所示。AutoCAD本身未提供两个曲面计算交线的功能，以上程序是中国水电顾问集团北京勘测设计研究院开发的。用户也可以使用MicroStation V8来进行这一操作，使用MicroStation V 8打开AutoCAD的图形文件，选择“工具”→“表面模型”→“修改表面”→“构造修剪”（第一个按钮），选取两个表面以后，程序自动计算出交点，绘制出交线，然后再存成AutoCAD的DWG图形文件。

（3）剪切一个结构面。假设有两个结构面相交，结构面A和结构面B，如果其中一个结构面B剪切另一个结构面A，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“剪切一个结构面”，先后选择被剪切结构面和剪切结构面，系统自动完成剪切，如图11-30所示。

图11-29　两结构面的交线(www.xing528.com)

图11-30　剪切一个结构面

系统能够完成地质结构面的互相剪切、错断切割等操作。一个结构面对另一个结构面产生错断，如图11-31所示。

（4）剪切两个结构面。假设有两个结构面相交，结构面A和结构面B，如果两个结构面形成相互剪切，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“剪切两个结构面”，先后选择两个结构面，系统自动完成剪切，两个结构面互相剪切如图11-32所示。

（5）错断一个结构面。两个结构面相交，一个结构面是被错断的结构面，我们称之为结构面A，另一个结构面是错断结构面，称之为结构面B，结构面B对结构面A产生错断，结构面B的属性垂直断距一值必须输入一个大于0的数据，因为错断时是按照这个数据错断的，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“错断一个结构面”，系统首先提示用户选择被错断的结构面，再错断的结构面，然后自动完成错断，如图11-31所示。

两个结构面（A，B）的相交线、剪切和错断的程序设计原理，是依照两个曲面在三维空间相交进行计算的原理来进行的。首先，以两个曲面的数据计算出相交线，再以相交线分割曲面，形成新的曲面，从而完成剪切和错断。

图11-31　结构面错断

图11-32　剪切两个结构面

11.6.5　　复杂地质结构面的绘制

除去前面所述地质结构面可用不同产状分段表示以外，还可以制作如下复杂的地质结构面：

（1）倾角在不同高程改变，选择“平面图”→“地质结构面”→“手工确定高程下限和倾角”，在平面图上选择一条地质结构面出露线以后，系统提示用户输入倾角值和高程下限，如图11-33所示，然后自动生成三维结构面数据文件。

图11-33　倾角变化的结构面

（2）在地表以下倾角任意变化，形成曲面的地质结构面分为以下三步完成：

第一步：在平面图中，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“定义结构面起点UCS（地表出露线）”，点取一条地质结构面出露线，自动计算结构面在地表出露线的各点三维坐标。

第二步：进入一张新图，输入“pl6”以后，系统自动绘出地质结构面出露线，并以结构面的起点坐标定义为新的用户UCS坐标系统的（0，0）点，倾向方向为新的用户UCS坐标系统的X轴，Y轴与X轴垂直，并且按照结构面的产状（倾角），绘制出一条倾向线，用户可在当前用户UCS坐标系统下，以点（0，0）为起点，绘制一条轻便多义线作为倾向线。用户UCS坐标系统的名称为：“结构面”＋结构面的编号，例如，结构面编号为F2，则用户UCS名为结构面F2。用户可以使用AutoCAD的“UCS”命令，来进行UCS用户坐标系的操作，请参阅AutoCAD的三维UCS坐标系统。

第三步：倾向线绘制好以后，选择“平面图”→“地质结构面”→“起点结构面延伸”，系统自动以用户绘制的倾向线为标准，沿着结构面出露线拉伸，自动生成三维面，并生成三维BSN数据文件，此时生成的三维面是一个曲面，适用于结构面在倾向方向产状发生变化时使用，如图11-34所示。

图11-34　拉伸结构面

以上思路也可用于多值曲面的绘制，一般的单值曲面是指在一个平面坐标点，曲面上只有一个点与其对应，而多值曲面有多个点与其对应（例如褶皱），利用离散点数据进行网格化，对于多值曲面来说是无法解决的，它不可能拟合出多值曲面。如果曲面符合断面法的要求，可以采用以上办法，绘制曲面轴线和起点断面线，然后以断面线沿轴线延伸而生成多值曲面。

（3）平切图走向线生成三维面：假设在两个平洞勘探到同一地质结构面，根据勘探资料绘制出某一高程的平切图，在平洞1绘制走向线AB，在平洞2绘制的走向线ab，手工连接Ba两点，形成一条连续的线段，选择“平面图”→“杂类”→“编辑结构面属性”，输入地质结构面的属性，然后选择“平面图”→“三维功能”→“平切图走向线生成三维面”，提示输入两侧延伸距离，然后自动以倾向线为基准拉伸形成三维面，并生成三维BSN数据文件，如图11-35所示。

当结构面在倾向方向也有变化时，可分以下两步完成。第一步：选择“平面图”→“地质结构面”→“平切图走向线定义结构面起点UCS”，以结构面的起点坐标定义为新的用户UCS坐标系统的（0，0）点，倾向方向为新的用户UCS坐标系统的X轴，Y轴与X轴垂直，并且按照结构面的倾角绘制出一条倾向线，用户可在当前用户UCS坐标系统下，以点（0，0）为起点，绘制一条轻便多义线作为倾向线。第二步：倾向线绘制好以后，选择“平面图”→“地质结构面”→“起点结构面延伸”，系统自动以用户绘制的倾向线为标准，沿着结构面出露线拉伸，自动生成三维面，并生成三维BSN数据文件，此时生成的三维面是一个曲面，适用于结构面在倾向方向倾角发生变化时使用。

图11-35　平切图走向线生成三维面

11.6.6　　构造等高线图

地质结构面可以用等高线来表示，当地质结构面是一个断层面时，特别是当断层面具有弯曲形状或断层面广泛发育时，可以用构造等高线来表示，进而根据构造等高线图生成三维表面和BSN数据文件。构造等高线是构造面上相等高程的线，用来描绘构造面的形态，最简单的情况下，平整的面上所画的构造等高线是一条直线，它与走向线的意义相同。在弯曲的面上，它们表现为各处与走向相切的曲线。等高线的疏密表示构造面倾角的陡缓，等高线的延伸方向代表该处岩层的走向。工作步骤如下：

第一步：在平面图上，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”－“出露线转成BSN数据”，系统提示选择一条地质结构面出露线，自动完成三维数据的转换，并提示“进入一张新图，使用pl7绘制构造等高线图!”，这是因为在地质图上，如果再绘制构造等高线图，会显得比较乱，因此在两张图上分别绘图。

第二步：打开一张新图，输入“Pl7”，选择构造面编号和等高线间距以后，自动绘制出构造等高线图。此时绘制的构造等高线，只是按照地表出露点和产状向地下延伸而绘制出来的，地质人员可以对其作出合理的解释，并根据已有勘探点资料（例如钻孔和平洞），凭借技巧和想象力来进行编辑修改，加密等高线可以使构造面变得更陡，稀疏等高线可以使构造面变得更平缓。

第三步：根据等高线图绘制三角网，具体操作如下：选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“等值线生成三角网”，读取图面上等高线的数据作为离散点，使用泰森法连接三角网。由于构造面的边界常显现凹凸状，三角网有时可能连接不甚理想，在此可以通过手工的方法进行删除和添加，删除使用“erase”，添加使用“3Dface”，捕捉三角形的三个端点构成三维面。

第四步：三角网生成BSN数据文件，选择“平面图”→“三维功能”→“地质结构面”→“三角网生成BSN数据”，自动读取图面上的三角形，然后绘制三维表面，形成新的三维BSN数据，就可以提供在三维地质模型中应用，切制剖面和平切图，如图11-36所示。

也可根据构造等高线图转换成离散点数据，经Surfer网格化以后生成BSN数据文件，绘制三维面。

图11-36　构造等高线图

图11-37　等高线图生成三维面

生成三维面的另一种方法是：在一张空白图上，给定一勘探点坐标（X，Y，Z）、结构面的总体产状和延伸长度，自动绘制出结构面的等高线图，此时按照结构面的走向和倾角绘制出的等高线图，表现为一个平面，如图11-37所示，用户可根据其他勘探资料，加上自己的工作经验和想象力，编辑修改等高线，使其改变成为一个符合实际情况的曲面形态，然后再根据结构面的等高线图生成结构面的BSN数据文件，绘制成三维面。将上述思路延伸一下，假如我们在一个结构面上，通过勘探工作，获得两个以上的勘探点（例如图11-38中的A、B两点），那么以每个勘探点为中心，在一定范围内绘制构造等高线图，然后通过手工的编辑修改，将几个等高线图合理的连结成一张等高线图，再根据连接好的等高线图，生成三角网，最终形成该结构面的BSN数据文件，就可以切制剖面和平切图了。

图11-38　结构面生成三维面

11.6.7　　其他功能

关于结构面F在地面上的出露轨迹，是由地形和F产状三要素控制的。由于地形起伏的变化，此时F在地表的出露线就不一定是沿其走向呈一直线，除非F的倾角是垂直或近直立的情况，F的轨迹应遵循“V”字形法则。对于从勘探点（钻孔和平洞）揭露的结构面，有的在地表并无露头，此需要通过计算确定其产状。确定一个结构面必须至少有三个勘探点的数据，当勘探点的数据只有一个或者两个时，提供了如下办法来绘制结构面在地表的出露线。

（1）给定一点（X，Y，Z）及产状，在地形图上寻找出露点绘制出露线，程序设计的方法是：在P点沿结构面F的走向方向绘制一条走向线L，L与高程为Z的地形等高线相交点就是高程为Z的出露点，高程为Z1的出露点是再沿倾向方向计算出另一点P1，其间距是ΔZ/tanδ，其中ΔZ＝Z－Z1，δ是结构面的倾角；在P1点绘制一条走向线，与高程为Z1的地形等高线相交点，就是高程为Z1的出露点；以此类推，就可以计算出地质结构面F在整个图面上的出露点，并自动连接成出露线。

（2）给定一点（X，Y，Z）及产状，在地形图上寻找出露点绘制出露线，程序设计的方法是：在P点按照结构面的产状绘制一个三维面，通过计算得到该平面的数学方程，然后再分别计算地形等高线与平面的交点，所有的交点就是结构面在地表的出露点，出露点自动连接成一条出露线。通过试验，感到在速度和平面的平整度上第二种方法优于第一种方法。

（3）给定一点（X，Y，Z）及产状，在三维地形实体上，直接绘制三维面，程序设计的方法是：根据给定的一点坐标和产状，计算出平面上的三点坐标，以这三点坐标为剖切面，剖切三维地形实体，产生一个面域，也就是三维面，读出面域的各点坐标，即是结构面在地表的出露线。

（4）给定两点坐标和结构面的走向，在地表寻找出露点，绘制出露线，程序设计采用的方法类似于第二种方法。

（5）给定三点坐标计算产状：地质结构面产状的测定，对于在地面上或探洞内露头的结构面，可用地质罗盘就地测定，有的结构面并不露头，而是从钻孔中揭露的，便需要通过计算确定其产状。从几何学可知，我们至少需要三个点才能确定一个平面。设我们有三个钻孔，其平面坐标分别为（X1、Y1），（X2、Y2），（X3、Y3）。三个钻孔中，各在高程Z1、Z2、Z3处发现构造面F，求其产状。

该程序约定正北方向为X的正方向，正东方向为Y的正方向。

运行X:\bjy\2000\xulso\ap2程序，程序开始运行后，提示用户输入三个点坐标（X，Y，Z），然后计算出由这三个点所组成的平面的产状。

（6）给定任意一点及产状绘制地质结构面：在三维地形实体上，输入一个三维点和结构面的产状，系统自动绘制出三维平面，将三维面的地表面以上部分切除，只保留地表面以下部分，那么，在地表的出露线是完全符合“V”字形法则的，如图11-39所示。

图11-39　给定任意一点及产状绘制地质结构面

还有一种方法：选择“平面图”→“三维功能”→“三维实体1”→“给定一点和产状绘制地质结构面”，输入一点三维坐标、结构面产状和延伸长度，系统自动以输入点为中心绘制三维平面。这可用于一组几个结构面切割三维实体的操作。