基于幾何學構建本科生構造地質學實習課內容體系

陳書平+周榆杰+陳曉坤

摘要：構造地質學的內容或研究方法包括幾何學、運動學和動力學三個部分。這三個部分相互銜接穿插，但以構造幾何學為基礎。對于本科生初學者，構造幾何學是一個切入點，也是本科生能否對構造地質學產生興趣的關鍵，隨堂實習課在其中起著重要作用。因此，在構建實習課內容時，應以構造幾何學部分為主，兼顧運動學和動力學的學習。

關鍵詞：構造地質學；實習課；內容體系；改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0029-02

構造地質學是地質學的重要分支科學，以研究地殼及上地幔地質體的形成、形態和變形構造作用的成因機制及其相互影響、時空分布和演化規律為其主要目標。構造地質學堪稱“地質學中的哲學”，可分為大地構造學（在1∶20萬及以下比例尺地質圖上能見其全貌的構造單元）、“狹義”構造地質學（在1∶5萬地質圖至手標本尺度上能見全貌的構造）和顯微構造學（顯微鏡下可以觀察到的構造）。本文的構造地質學主要指的是“狹義”構造地質學，其研究方法是利用野外觀察、地球物理探測、室內試驗和基于連續力學的計算來研究地質構造。構造地質學內容或研究方法包括幾何學、運動學和動力學三個方面[2，3]，這三個方面不是獨立存在，而是相互穿插銜接。對本科生初學者來說，構造幾何學概念的建立是最重要的，也是最基本的要求，必須通過大量的實習才能取得好的效果。這就要求在構建實習課內容時，合理分配學時，并精心組織內容。本文將結合教學實際，對本科生構造地質學實習內容及教學環節等提出一些看法，供同行交流。

一、構造幾何學的內涵

構造幾何學是指地質構造的形態、大小、產狀以及各構造要素之間的幾何關系，他們組成完整的具有幾何規律的構造系或型式。構造幾何學應含制圖學[1]。運動學是指巖石作為整體或其內部各部分從形成至變形期間所經歷的過程和發生的運動，是由巖石或巖層中的原生構造、次生構造所揭示。運動學含定年學和GPS技術[1]。動力學是指產生構造的力、應力和力學過程，其目的是查明變形應力的性質、大小和方位，常以應變分析和流變分析為基礎。上述三個方面中，幾何學是構造解析的基礎，也是最具有實際應用價值的部分[2，3]。

二、構造幾何學的意義

構造幾何學的意義主要表現在三個方面，一是幫助學生建立構造的概念模型，二是幫助培養學生的繪圖能力，三是在探礦等方面的實際應用。構造幾何學分析也是構造的描述性分析，是構造研究第一步的也是最基礎的部分，是對構造位態、規模及其相互之間關系的分析描述，幫助定義構造類型、構造樣式，建立構造變形場。構造幾何學分析為運動學分析和動力學分析打下基礎，例如頂厚褶皺或多排線狀褶皺，很可能是縱彎褶皺作用的結果，巖層受到了垂直褶皺長軸方向的水平擠壓；再如，斷層面上的一條水平擦痕，則指示斷層兩盤發生了走向運動，斷層兩盤受到剪切力作用。構造幾何學分析之下的運動學和動力學分析，既可幫助理解構造形成的動力學機制，理解構造動力學背景，又可反過來指導幾何學研究，幫助預測未發現的構造，如構造應力場計算預測裂縫分布。在油氣探測、礦床尋找等實踐活動中，往往需要構造大小規模、排列分布等方面的資料，如某圈閉構造的產狀及閉合幅度、礦體大小及展布方向等，這都是幾何學方面的內容。這些參數有時可在野外直接測量活動，更多的情況則是根據間接資料如地震資料等通過編圖獲得，如剖面圖、構造圖等。在編圖過程中，培養了學生的繪圖能力，幫助建立了構造的空間概念，幫助理解構造。

三、加強構造幾何學概念的措施

1.依據多資料多方法多手段建立產狀概念。產狀乃巖體在地殼上的賦存狀況，包括巖層面的空間方位和傾角以及巖層厚度，是建立空間概念、進行構造分析和讀圖分析的基礎。這里的產狀主要指的是面狀構造（巖層面、斷層面等）的空間方位和傾斜程度，有走向、傾向、傾角。產狀可在野外露頭上直接測量獲得，也可根據諸如鉆井、地震資料，利用間接手段得到。隨堂實習課，學生學習的方法應包括：在地形地質圖上，應用“V”字型法則、“弧弦法”、“三點法”等求產狀。“V”字型法則可以幫助判斷巖層走向和傾向；“弧弦法”是在地形地質圖上，通過制作同一層面上兩條平行走向線的方法獲得的；“三點法”的基本原理是三點決定一個面，資料來源于鉆井或地震。赤平投影是間接獲得巖層產狀的有效方法，它既可方便地表示面、線構造的產狀及其相互關系，又能進行要素統計和幾何關系解析。赤平投影方法的學習和應用，還可幫助學生建立構造的空間概念。

2.通過讀圖和編圖理解構造幾何學。（1）讀圖，讀圖主要指閱讀分析地質圖。先讀水平巖層和單斜巖層地區的地形地質圖，然后讀帶斷層和褶皺的地形地質圖。在此基礎上，讀復雜褶皺區地質圖。（2）編圖，表達一個構造的最基本圖件就是平面圖和剖面圖。通過編圖，使學生對構造三維空間形態有更深的理解，同時培養學生動手能力，這也是將來工作所必需的基本技能。地質圖和構造（等高線）圖是最重要的平面圖。地質圖可以根據巖層露頭點和傾斜資料，利用放線距進行編制，可編制一個層系的簡單露頭線，也可編制帶不整合或其他構造的多層系露頭線。構造圖是表示某一個面（巖層面、斷層面等）的高低起伏變化，可根據鉆井資料、地震資料編圖，并對圖件所反映的構造形態做出簡要分析。從編制一個簡單背斜構造圖入手，再編制有斷層和褶皺地區的構造圖。剖面圖一般指的是橫切構造的鉛直剖面。在本科生學習階段，制作剖面圖，主要是在地質圖上進行。可在1幅地質圖上的多個方向編圖，這樣會使學生對構造有一個全方位的理解，從二維圖上“看出”三維構造。剖面圖的編制可從簡單的入手，如先編制單斜層剖面圖，然后逐漸過渡到編制復雜構造區剖面圖。根據野外節理產狀統計資料，用赤平投影方法編制等密圖，學習節理資料的統計方法，進一步理解產狀概念和構造三維形態。（3）綜合作業，在課程后期，安排綜合分析作業，所分析的圖件應較復雜，包括不整合、斷層、褶皺以及巖漿巖體等構造現象，分析構造特點、演化歷史及動力條件。同時編制1—2幅剖面圖、構造綱要圖，最后寫出總結報告，培養學生綜合分析能力。最后，在教學過程中，應結合講課內容安排1—2次野外實地講課，如好的褶皺構造、斷層構造露頭等，使學生對構造形態有更好的理解。

四、效果分析

在構造地質學的教學過程中，難點之一就是表現在各構造及構造間關系的空間概念建立上，不能根據地質圖、構造圖想象出實體構造形態和方位，從而影響了學習興趣和對構造地質學的理解。而這一問題的解決，只能靠大量的練習和觀察才能解決。通過上述的實習課內容的補充調整和安排，在教學過程中得到了良好的教學效果，也得到了學生們的認可。通過實習課，學生的讀圖能力、做圖能力和綜合分析能力都有明顯的提高。隨堂進行的2次野外實地教學，極大地調動了學生的積極性和學習興趣，有道是百聞不如一見。學生實地觀察、實地測量、實地分析討論，取得了非常好的教學效果。這樣的實地教學不同于認識實習和綜合地質實習，它是緊密結合教學內容，主題明確。實習課內容的整合凝練，幫助學生對構造地質學內容和研究方法的系統理解和掌握，也使學生懂得了實際應用，明確了學習目標，提高了學習興趣，課堂氣氛活躍，課后積極思考和完成作業。總體教學效果優良。

五、結論及建議

在新的形式下，構造地質學實習課的教學面臨著新的挑戰，其內容既要體現傳統經典，又要體現當代發展要求。在構造地質學實習課內容編排和講授環節上，應以構造幾何學為主，兼顧運動學和動力學。只有這樣，才能讓學生對構造地質學有一個系統的理解，提高學習興趣，取得良好的教學效果。

參考文獻：

[1]賈承造，雷永良，陳竹新.構造地質學的進展與學科發展特點[J].地質論評，2014，60（4）：709-720.

[2]Davis G H and Reynolds S J. Structural geology of rocks and regions. New York：John Wiley & Sons，INC，1996：1-22.

[3]徐開禮，朱志澄.構造地質學[M].第2版.北京：地質出版社，1989.