CN112833766B - 一种地质剖面真厚度直接测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地质剖面真厚度直接测量装置及测量方法，一种地质剖面真厚度直接测量装置，包括有刻度的测量杆，测量杆上部通过固定装置安装有测量系统及GPS定位系统，测量系统包括用于测量地层倾角的仪器以及用于精准定位的激光笔；测量地层倾角的仪器、激光笔分别平行装配在测量杆两侧左侧，中心高度保持一致。本发明既能直接测量地层真厚度，既能适应各种地形环境下简单方便地进行剖面测量、剖面平移、地形和样点记录，又能避免测量参数多、测量不准确、计算繁琐等问题，从而达到提高野外地质工作效率和质量，减少人员工作量的目的。

Description

一种地质剖面真厚度直接测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于地质测量技术领域，具体涉及一种地质剖面真厚度直接测量装置及测量方法。

背景技术

实测地质剖面，绘制地层柱状图是进行野外地质调查、地层和构造研究必不可少的一项工作，是开展地质工作的基础。地质剖面图是沿着一定方位测制的，传统的剖面和地层测量一般均采用导线法进行，由地形剖面线和地层及其他地质体与断层等在这条剖面上的投影绘制而成。在实际测量过程中，由于野外露头、地形和交通状况等因素的影响，地形剖面往往不是垂直于地层走向进行，而是由前后测手测量的若干次导线构成。这样由若干个首尾相连的导线连成的折线既不在同一水平面上，也不在同一铅直面上，因此不可避免要经过测量的导线方位角、倾伏角通过二次投影才能获得在同一水平面和铅直面上的横剖面(罗嵩，1982；吴志春等，2012)，从而获得一条地形剖面线，并获得地层的真厚度和视倾角，在这条地形剖面上绘制地层剖面图和地层厚度图。

但是在实际测量和计算中，导线法受到多种因素的制约导致测量的准确性和效率受到影响：

1、因导线受到风力、地形起伏、植被等的干扰处于弯曲状态，并且不可避免，因此导线长度不一定与实测导线斜距相等。实际距离一般会小于导线读取数据。

2、单次导线方位角的测量和导线总方位也存在误差，这样不可避免导致第一次投影后，导线平面图的终点与剖面基线终点不重合。

3、必须选择剖面垂直方向地质特征变化不大的地区进行。

4、导线在大范围内平移会产生上一次导线的终点与下一次导线的起点不重合的情况。

5、需要测量和记录导线倾伏角、方位角、地层走向、倾向、倾角、导线长度等多种参数，计算复杂。

6、一次测量至少同时需要前测手、后测手和观察记录员等三名成员，费时费力。

尽管导线法存在各种缺点，但仍然是目前我们野外测制地层剖面/柱状图的主要方法。王冉等(2017)改进了这种方法。主要是利用GPS获得地形控制点，以及其他参数，从而投影绘制地质剖面图。该方法不再需要测绳，实现了地形剖面的数字化，且每个分层点都可以由GPS点控制便于野外复查，受地形影响较小。但是一般手持GPS接受机受卫星、干扰、观测时长和环境的影响，精度变化较大，5分钟以内稳定精度在10m左右，这无法达到我们对精细测量地层真厚度，进行地层分析、沉积相分析的精度要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种地质剖面真厚度直接测量装置及测量方法，既能直接测量地层真厚度，既能适应各种地形环境下简单方便地进行剖面测量、剖面平移、地形和样点记录，又能避免测量参数多、测量不准确、计算繁琐等问题，从而达到提高野外地质工作效率和质量，减少人员工作量的目的。

具体的技术方案为：

一种地质剖面真厚度直接测量装置，包括有刻度的测量杆，测量杆上部通过固定装置安装有测量系统及GPS定位系统，测量系统包括用于测量地层倾角的仪器以及用于精准定位的激光笔；

测量地层倾角的仪器、激光笔分别平行装配在测量杆两侧左侧，中心高度保持一致。

其中，所述的测量地层倾角的仪器为手持水平仪或者地质罗盘仪。

所述测量杆上的固定装置为一可移动的滑块，并通过螺栓固定在测量杆的固定位置，还包括可拔插的可扩展的支架，支架连接测量地层倾角的仪器和激光笔。

所述测量杆的底部安装有尖脚用于插入地面。

一种地质剖面真厚度直接测量方法，采用上述的装置，包括以下步骤：

(1)将测量地层倾角的仪器和激光笔固定在测量杆上部1.5m处，并与测量杆垂直；GPS定位系统的GPS接收机固定在测量系统上部适合操作的位置；

(2)用测量地层倾角的仪器测量地层产状，在测量地层倾角的仪器的垂直刻度盘上移动指针设定角度与层倾角一致，在没有地层倾角变化时保持固定不变；

(2)垂直于地层走向，向被测地层方向转动测量杆，且保持滑块上的气泡居中；

(3)当测量地层倾角的仪器上的水平气泡居中时，测量杆与地层的延长线成90°相交；

(4)通过测量地层倾角的仪器观察确定地层上表面位置；

(5)同时按动激光笔的开关，激光投射在地层上的点就是所观察该段地层上表面上的点，并与通过测量地层倾角的仪器所观察的对象对比，确定一致；

(6)这时从测量杆的脚尖以上的位置到测量地层倾角的仪器固定点的长度等于测量杆的脚尖所在的地层层面到所观察的面的地层层面的真厚度；记录地层厚度，该厚度没有特别的情况，每次测量的厚度为1.5m；

(7)通过GPS定位系统记录下本次测量起始位置的GPS点；

(8)在野外防水记录本上记录下本次测量的地层厚度、GPS点、描述地层特征，精确绘制岩相图，粗略绘制地质剖面图；

(9)移动测量杆到上一个点观察到的地层面，开始下一次测量；如遇到地层剖面长距离平移，则打开激光笔，测量杆保持与地层垂直，水平转动测量杆，激光点则从观察点移到目标点，再进行下一次测量；如果激光笔的光源更换为一字光源，则在一字光源的自然延长方向寻找下一次测量合适的目标点。

与已有的技术相比，本发明提供的一种地质剖面真厚度直接测量装置，集成了手持水平仪(地质罗盘仪)、激光笔和GPS模块。

可以在单人操作的情况下，同时测定地层真厚度、地形剖面和开展地质素描、记录和剖面图绘制。

更具优势的是在地层剖面需要在较大距离内平移时能准确追踪到下一个地层剖面起点位置。

该项发明克服了导线法的各种缺点，原理明确、简单易学、操作方便，只需测量地层倾角和读取单次测量地层厚度，无需进行投影转换、地层厚度和倾角计算等繁琐内业工作。该套装置所采用的方法代替了原始的多人测量方法，极大提高了剖面测制和地层厚度计算的效率和精度，解决了现有技术方法多人协同测量、多参数、多计算、多误差的难题。

该套装置结构简单，无复杂电子电路装置，轻便易携带，整体重量不超过1千克，适应各种复杂的环境，符合地质野外作业的需求。

附图说明

图1a为本发明的结构示意图之一；

图1b为本发明的结构示意图之一；

图2为本发明的手持水平仪；

图3为本发明的地质罗盘仪测量系统。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1a和图1b，一种地质剖面真厚度直接测量装置，包括有刻度的测量杆1，测量杆1上部通过固定装置6安装有测量系统2，通过固定装置5安装有GPS定位系统4；测量系统2包括用于测量地层倾角的仪器7以及用于精准定位的激光笔3。

测量地层倾角的仪器7、激光笔3分别平行装配在测量杆1左右两侧，中心高度保持一致。

所述的测量地层倾角的仪器7为手持水平仪或者地质罗盘仪。

所述地层真厚度的测量装置基本原理是利用三角几何和平行线的原理。通过已知的地层产状(倾向和倾角)设定测量装置的测量地层倾角的仪器7的盘面角度，在与倾向一致的面上转动测量杆1直至与地层面保持垂直，从而获得地层真厚度。

所述手持水平仪由方形观察镜筒8、镜筒内45°反光镜、镜筒末端对准丝、角度尺9、角度指针10及固定在指针上的水平气泡组成，用于确定地层倾角大小，观察地层测量的上表面位置。装配在测量杆1左侧，便于操作人员操作和观察，如图2。

所述地质罗盘仪为专用地质罗盘仪，由罗盘指针、垂直气泡、水平气泡、坡度锤、水平刻度盘、垂直刻度盘、仪器上盖、指针停止按钮、连接合页、瞄准窗、反光镜、短照准器、长照准器等部分组成。可通过罗盘角度刻度盘、刻度指针、垂直气泡、长瞄准器、瞄准窗和反光镜的组合来替代手持水平仪的观察筒和角度器作为测量工具，如图3。

所述激光笔3由笔壳、激光模组、电池和开关组成。为适应野外使用场景，采用结构最简单的绿光二极管激光笔(点光源或一字光源)。用于确定观察的目标地层的上表面，较长距离平移地层的追踪。开关位于激光笔末端，便于操作人员控制。

所述测量杆1上的固定装置6为一可移动的滑块，并通过螺栓将固定在测量杆1的固定位置，还包括第一支架12和第二支架13，分别连接测量地层倾角的仪器7和激光笔3。

所述第一支架12为可拆解的和调节的，可通过内置弹簧调节不同尺寸的地质罗盘仪或者手持水平仪。通过螺栓固定在固定装置8左侧用于夹持测量地层倾角的仪器7。所述第二支架13为可拔插的支架，可通过螺栓固定在固定装置右侧用于夹持激光笔3。

所述测量杆1由轻便结实，不易弯折的碳纤维杆，碳纤维杆每20cm一个刻度，用于精准读取地层真厚度。

所述测量杆1的底部安装有2cm长尖脚14插入地面，用于固定所测剖面的起始位置。

所述GPS定位系统4固定在测量杆上的GPS手持接收机及其相应的固定滑块和支架5组成，用于记录每一次测量起始点/样品点的点位，绘制所测剖面的地形起伏。

本发明的地质剖面真厚度测量装置的具体实施如图1a和图1b，其主要由长度160cm直径2cm的测量杆1及固定在测量杆1上部1.5m处的测量系统2和1.6m处的定位系统4三部分组成。其中测量杆1由4根长度为40cm的碳纤维杆通过螺栓首尾相接而成，并且每隔20cm刻制刻度线，测量杆1底部连接2m长的尖脚14，用于测量时插入地面。

测量系统2包括测量地层倾角的仪器7和激光笔3。用于设定地层倾角，测量地层倾角的仪器7为如图2的手持水平仪，或者如图3的地质罗盘仪。

如图2，以手持水平仪为例，将固定装置6套入测量杆1，并在1.5m处通过螺栓固定。在固定装置6的左侧第一支架12并用螺栓固定在固定装置6上，然后将手持水平仪(角度尺在前)固定在支架上通过螺栓和压板固定，保持手持水平仪与测量杆1垂直。在固定装置6的右侧同样插入第二支架13并用螺栓固定在固定装置6上，然后将激光笔3固定在支架上，同样也保持激光笔3与测量杆1水平，同时激光笔3中心与左侧的手持水平仪的观察中心位于同一水平面上。在固定装置6的上方，可用通过固定支架夹5住GPS定位系统4，如图1a和图1b。

本发明的地质剖面真厚度测量装置使用时仅需单人操作即可，完全避免了导线测绳法或者其他激光测距装置需要两人或者两人以上的人员配合操作。同时在测量时，仅需测量地层的产状，即倾向和倾角，无需进行室内投影校正、地层真厚度和倾角计算，大大提高了野外作业效率和精度。同时记录每次测量的地层剖面的轨迹和样品采集GPS点位。

具体操作步骤如下(以手持水平仪为例)：

(1)将手持水准仪7和激光笔3固定在测量杆1上部1.5m处，并与测量杆1垂直。GPS定位系统4的GPS接收机固定在测量系统2上部适合操作的位置。

(2)用地质罗盘测量地层产状，在手持水准仪或者罗盘仪的垂直刻度盘上移动指针设定角度与层倾角一致，在没有地层倾角变化时保持固定不变。

(2)垂直于地层走向，向被测地层方向转动测量杆1，且保持滑块上的气泡居中。

(3)当手持水准仪上的水平气泡居中时，测量杆1与地层的延长线成90°相交。方法是用手持水准仪，通过观察镜筒，发现镜筒内反光镜内的气泡与镜筒末端的对准丝重合时停止转动，这时测量杆与地层面垂直。

(4)通过手持水准仪的观察筒观察确定地层上表面位置(测量杆1离地层近时)。

(5)同时按动激光笔3的开关，激光投射在地层上的点就是所观察该段地层上表面上的点，并与通过观察筒所观察的对象对比，确定一致。

(6)这时从测量杆1的脚尖以上的位置到手持水准仪固定点的长度等于测量杆1的脚尖所在的地层层面到所观察的面的地层层面的真厚度。记录地层厚度。该厚度没有特别的情况，每次测量的厚度为1.5m。

(7)按下GPS接收机的记录按键，记录下本次测量起始位置的GPS点。

(8)在野外防水记录本上记录下本次测量的地层厚度，GPS点，描述地层特征，精确绘制岩相图，粗略绘制地质剖面图。

(9)移动测量杆1到上一个点观察到的地层面，开始下一次测量。如遇到地层剖面长距离平移，则打开激光笔3，测量杆保持与地层垂直，水平转动测量杆，激光点则从观察点移到目标点，再进行下一次测量。如果激光笔的光源更换为一字光源，则在一字光源的自然延长方向寻找下一次测量合适的目标点。这对于标志地层难以追踪的地层尤为有效。

不局限于上述施例，上述手持水平仪可更换为地质罗盘仪，测量方法基本相同。所不同的是利用地质罗盘仪的垂直角度盘来测量。同样通过更换支架将地质罗盘仪固定在测量装置的左侧，反光镜一面在前，长照准一侧在后，如图3。通过罗盘仪角度盘设定地层倾角。转动罗盘的反光镜，使得操作者站在测量杆前能通过反光镜观察到罗盘仪的垂直气泡。同样垂直地层走向转动测量杆，当垂直气泡居中时，通过长照准孔，反观镜上的观察孔观察目标地层的位置，同时通过激光笔进一步确定被测地层顶面的位置，并在该位置再进行下一次测量。上述测量杆可采用伸缩式的测量杆，并保持测量杆打开的长度不变，这样更有利于小于1.5m的精细剖面测量，且不用移动滑块。此外，可将GPS接收机通过GPS模块集成到测量装置里面，进一步优化该套装置。

以上显示和描述了本项发明的基本原理，主要特征、构建组成及具体实施方式以及本发明对于解决当前地层厚度和地质剖面测量手段和方法的优势。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述施例的限制。在不脱离本发明的产品和方法的精神和范围的前提下，本发明将会根据具体实施情况反馈进行各种优化和改进，这些优化和改进都落入要求保护的本发明之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书记等效物界定。

Claims (1)

1.一种地质剖面真厚度直接测量方法，采用地质剖面真厚度直接测量装置，包括有刻度的测量杆，测量杆上部通过固定装置安装有测量系统及GPS定位系统，测量系统包括用于测量地层倾角的仪器以及用于精准定位的激光笔；

测量地层倾角的仪器、激光笔分别平行装配在测量杆左右两侧，中心高度保持一致；

其特征在于，包括以下步骤：

（1）将测量地层倾角的仪器和激光笔固定在测量杆上部1.5m处，并与测量杆垂直；GPS定位系统的GPS接收机固定在测量系统上部适合操作的位置；

（2）用测量地层倾角的仪器测量地层产状，在测量地层倾角的仪器的垂直刻度盘上移动指针设定角度与层倾角一致，在没有地层倾角变化时保持固定不变；

（2）垂直于地层走向，向被测地层方向转动测量杆，且保持滑块上的气泡居中；

（3）当测量地层倾角的仪器上的水平气泡居中时，测量杆与地层的延长线成90°相交；

（4）通过测量地层倾角的仪器观察确定地层上表面位置；

（5）同时按动激光笔的开关，激光投射在地层上的点就是所观察地层上表面上的点，并与通过测量地层倾角的仪器所观察的对象对比，确定一致；

（6）这时从测量杆的脚尖以上的位置到测量地层倾角的仪器固定点的长度等于测量杆的脚尖所在的地层层面到所观察的面的地层层面的真厚度；记录地层厚度，每次测量的厚度为1.5m；

（7）通过GPS定位系统记录下本次测量起始位置的GPS点；

（8）在野外防水记录本上记录下本次测量的地层厚度、GPS点、描述地层特征，精确绘制岩相图，粗略绘制地质剖面图；

（9）移动测量杆到上一个点观察到的地层面，开始下一次测量；如遇到地层剖面长距离平移，则打开激光笔，测量杆保持与地层垂直，水平转动测量杆，激光点则从观察点移到目标点，再进行下一次测量；如果激光笔的光源更换为一字光源，则在一字光源的自然延长方向寻找下一次测量合适的目标点。

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