卫星地图在地质学课程中的应用研究

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构造地质学是地质学的基础学科和骨干学科，具有很强的理论性与实践性[1-3]。构造地质学课程中的基本概念多来源于地质现象的描述和总结，而课堂上由于缺少直观感性认识，学生常对这些构造概念和构造现象理解得不够深入，且部分学生把构造地质学课程当作文史类课程，靠死记硬背来学习，不求甚解[4]。目前，构造地质学课程教师在教学中为了强调实践性，大多从以下两个方面着手[5]。一方面，教学需要与野外地质实习和动手能力培养密切结合，通常情况下，学生在学习构造地质学课程之前会参加野外地质认知实习，故而会对一些地质现象有所认识，但是构造地质学中涉及的构造现象众多，学生的认识和学习仍然十分有限。后续的构造地质学实验课程、构造地质学课程设计及基础地质综合实习实践课程可以进一步深化学生对构造地质学基本概念和基础理论的认识，培养学生将课堂理论与实际实践相结合的能力，但是该过程具有一定的滞后性，在构造地质学课程学习的过程中影响较小，这会让学生在课堂上对某些地质构造的理解有所局限。另一方面，教师可使用大量的地质图件、野外地质照片、三维动画和视频素材来丰富教学内容，从而培养学生对野外地质现象的观察和判断能力，加强学生对基本概念的理解和记忆。但是受到经费、精力、时间、版权和技术等因素的影响，教师无法对构造地质学中各个知识点对应的构造现象进行野外观测和拍照，而且野外地质照片也会与实际地质背景相脱离，导致学生往往只能领会单一的构造现象特征，而无法联系其实际地质情况及宏观构成进行系统分析。对此，将卫星地图引入构造地质学课程教学，开展卫星地图构造现象的观察，可以让学生从已知的地理位置出发，寻找和观察地质构造现象，综合大范围的地质构造特征，宏观分析构造特征，深入理解其地质背景及成因意义。基于此，本文拟以岩层露头和褶皱构造章节为例，对卫星地图在构造地质学课程教学中的应用加以论述，即通过全球范围内卫星地图的系统观测与判识，结合相关地质资料分析，对岩层露头和褶皱构造章节教学过程中的难点和抽象问题进行卫星地图系统观测，优选出典型构造现象作为实践案例进行剖析，这能为加深学生对岩层露头和褶皱构造相关知识点的理解及典型构造现象的案例剖析实践提供有效的方法和途径。

一、卫星地图在构造地质学课程教学中应用的重要性

构造地质学课程岩层露头和褶皱构造章节涉及的地质现象众多，对此，教师引导学生对卫星地图进行观察，可以加深学生对这些构造现象和相关知识点的理解。卫星地图又称卫星遥感图像，与传统意义上的地图不同，卫星地图上看到的地表面貌是真实且实时的，因此卫星地图的使用面非常广泛。遥感的发展极大地开阔了人类的视野，其具有的宏观性、综合性、多尺度、多层次的特点，已成为地质研究和地质勘查不可缺少的技术手段，在地质调查、矿产勘查、地质环境评价、地质灾害监测和基础地质研究等方面都发挥了越来越大的作用。目前，民用卫星图像的空间分辨率已达到厘米级，空间分辨率的不断提高，使地物精细的空间特征（包括地物的大小、形状、阴影、空间分布、纹理结构、与其他地物的空间关系等）在遥感图像上一览无余。传感器分辨率（空间、光谱、时间、辐射）的不断提高，不仅极大地提高了遥感的观测尺度、对地物的分辨能力和识别的精细程度，而且使遥感地质发生了由宏观探测到微观探测、由定性解译到定量反演的质的飞跃，将遥感地质及其应用都推向了一个新的高度[6]。卫星地图是卫星拍摄的真实的地理面貌，具有全球性、多时期性、便捷性及宏观性强、方位感强、清晰度高、直观性强、信息密度大、多级连续缩放等优点[7-10]。现如今，卫星地图的获取极为方便，日常使用的百度地图、高德地图和腾讯地图均可免费提供卫星地图，且奥维互动地图、新知地图、外业精灵、Bigemap、地球在线、91卫图助手等网络和软件平台也可免费使用卫星地图。而通过卫星地图进行岩层露头和褶皱构造现象的观察和分析，可以做到“足不出户观天下”，同时大型构造和巨型构造卫星地图可以提供区域性的岩层露头和褶皱构造俯视观察效果，从而避免认识的局限性。可见，基于卫星地图的构造现象系统观测可为岩层露头和褶皱构造章节教学提供丰富的教学素材和实践案例。

二、卫星地图在构造地质学课程教学中的应用实践

（一）在岩层露头章节中的应用

1.卫星地图上岩层的判识。岩层判识是在卫星地图上进行地质构造分析的基础。岩层露头为岩层裸露地表、未被第四系松散堆积层覆盖的部分。如表1所示，在岩层露头区，可根据其颜色单一、厚度稳定、条带状展布和连续性延伸等特征进行沉积岩层的判识和划分，如新疆火焰山地区岩层露头很好、卫星地图清晰，可见灰红色、土黄色、灰绿色和棕黄色的岩层露头条带，指示了不同岩层的发育。在岩层露头较差的地区，学生可根据不同岩性和厚度的岩层在卫星地图中的山体走向、地形变化、植被覆盖程度和人为工事等地形地貌的差异表现，进行岩层及其分布的概略判识，以理解相关知识。例如，一般厚层的石灰岩和石英砂岩等坚硬的岩层抗风化剥蚀能力相对较强，常构成山脊等正地形，而相对软弱的岩层则常为低洼部位。在植被分布具有明显自然差异的地区，一般植被在岩性软弱或风化剥蚀严重的破碎带地区生长茂密，一般为泥岩出露区。一些人为工事，如农村房屋、道路、坟地和农田，若无特殊要求或规划，为节省人力、物力，多建于岩性软弱且易施工的地区，如泥岩出露区；特殊工事，如采石场，则多建于利用价值较高的岩层附近，可指示某些岩层的性质，如石灰岩采石场.一般在丘陵、戈壁、高原和山地的岩层露头较好，有利于构造现象的观测，在我国西部、西南部、西北部地区及中东和北非地区的卫星地图上可以清晰地观察到众多典型的地质构造现象；而在沙漠、雪山、平原、草原、森林、湖泊和海洋等地区的岩层露头很差，多为掩盖区，无法进行地质构造的观察和判识。课程教学过程中，教师可以引导学生对不同地形地貌条件下的岩层露头和露头线进行卫星地图判识，进而加深学生对岩层露头和露头线概念的理解。2.不同产状岩层的影像特征。倾斜岩层是最为常见的岩层露头类型，往往是某种构造形态的一部分，如褶皱构造的一翼或断层构造的一盘，或为岩层受地壳差异升降运动的影响及岩浆活动引起的上覆岩层倾斜等。当倾斜岩层横跨河谷和山脊时，岩层露头线则呈现出“V”字形展布，其展布规律服从“V”字形法则[11]。“V”字形法常让学生感到抽象难懂，历来就是一个难点，可概括为“倾小弯大、倾大弯反和倾反弯小”这十二字口诀，每一句口诀的前两个字是地质原因，即“倾小、倾大和倾反”是指岩层倾角与地形坡角或岩层倾向与地面坡向的关系；后两个字是地质现象，即“弯大、弯反和弯小”是指岩层露头线与地形等高线弯曲程度或弯曲方向的关系。“V”字形法则中的“倾大弯反”在卫星地图上表现得非常明显，如对于安徽省宿州市秤砣山东坡的岩层露头，可结合卫星地图的3D模式和地形线叠加功能进行系统观察，其表现为岩层露头线弯曲方向与地形等高线的弯曲方向相反（弯反），这是由岩层倾向与地面坡向相同，且岩层倾角大于地形坡角（倾大）所致。“倾反弯小”现象多处于出现“倾大弯反”现象山体的相反一侧，如在安徽省宿州市秤砣山的西坡存在该现象，表现为岩层露头线弯曲程度小于地形等高线的弯曲程度（弯小），这是由岩层倾向与地面坡向相反（倾反）所致。“倾小弯大”现象在卫星地图上较为罕见，经过大量的卫星地图和文献调查，可以发现在安徽省宿州市黑峰岭东南坡的岩层露头表现为岩层露头线弯曲程度大于地形等高线的弯曲程度（弯大），这是由岩层倾向与地面坡向相同，且岩层倾角小于地形坡角（倾小）所致。对卫星地图上岩层露头“V”字形展布现象进行观察，不仅有利于学生加深对“V”字形法则的理解，同时也可以基于此进行实践和应用，基于卫星地图进行岩层的倾向、走向和倾角的求取。在岩层延伸方向地形平缓、起伏不大的地区，或者岩层与山体走向相一致时，不会呈现岩层露头“V”字形展布，此时岩层走向与其露头整体延伸方向相一致。水平岩层的露头以美国科罗拉多大峡谷和我国的新疆天山东段哈密三道岭雅丹群最为典型，岩层露头线与地形等高线平行。直立岩层以澳大利亚乌鲁鲁最为典型，卫星地图上可见直立岩层的露头线呈直线状，其延伸方向代表了岩层的走向。

（二）在褶皱构造章节中的应用

褶皱构造为构造地质学课程中的重要教学内容，且该教学内容需要学生具有较强的空间想象能力，而卫星地图的引入将为学生提供更为直观的、立体的褶皱构造案例。1.褶皱构造判识。一般根据地层的新老关系及地层对称性重复出露情况来确定背斜和向斜类型。岩层露头发生弯曲弯折或呈环形圈闭、褶皱构造的转折端部位为褶皱构造在卫星地图上判识的有力证据，判断其为背斜或向斜时可结合岩层的倾向进行分析。在此要注意排除地形起伏和“V”字形法则造成的岩层露头弯曲的影响，可以在卫星地图上进行褶皱构造的平面观察和研究。2.褶皱对称性。如表2所示，对于连续发育、两翼不等长的不对称褶皱，可根据短翼与其相邻两个长翼组成的形态分为S型和Z型不对称褶皱，如印度本迪西山的S型褶皱和摩洛哥提莱姆松的Z型褶皱在卫星地图上均可进行清晰和系统的观察。S型和Z型常为大型褶皱的从属褶皱，具有重要的构造成因指向意义，表现为S型和Z型不对称褶皱的轴面与上、下岩层面所夹的锐角指示了相邻岩层的滑动方向，也可按照Z型不对称褶皱为顺时针（右行）力偶作用产物、S型不对称褶皱为逆时针（左行）力偶作用产物进行构造解析。大型褶皱转折端处的从属褶皱则是对称的M型褶皱，如巴基斯坦格勒瓦格M型褶皱露头就十分典型。3.不同枢纽褶皱特征。根据褶皱枢纽的产状可将褶皱分为水平褶皱、倾伏褶皱和倾竖褶皱，该教学内容需要学生具有较强的空间想象能力，且教师要强化日常地质实例的教学演示，以便助力学生解决学习难点。枢纽近于水平延伸的水平褶皱在卫星地图上可通过褶皱两翼岩层的对称性重复分布且岩层走向大致平行的特征进行判识，如加拿大巴瑟斯特岛可见褶皱两翼的地层及受地层分布控制的山体走向均近于平行分布。倾伏褶皱和倾竖褶皱两者在卫星地图上的岩层露头分布特征则较为相似，均表现为两翼岩层走向发生弧形合围，结合3D模式观察和地层倾向分析，在倾伏褶皱转折端为背斜倾伏端或向斜扬起端判识的基础上，可进一步分析倾伏褶皱枢纽的倾伏向，如安徽巢湖北部相邻发育的平顶山向斜和凤凰山背斜均为倾伏褶皱，褶皱枢纽的倾伏向均为SW向；倾竖褶皱的岩层均近于直立为其主要判识标志，如新疆阿克苏天山的局部地层露头，褶皱两翼在卫星地图上表现为直立岩层的露头特征。4.褶皱平面轮廓。在卫星地图上，褶皱的平面轮廓可以根据褶皱中的同一褶皱面在平面上出露的纵向长度和横向宽度之比进行表达，如美国东部阿巴拉契亚褶皱山系和加拿大巴芬岛次级向斜分别为典型的线状褶皱和短轴褶皱构造，前者表现为在地表延伸很远的狭长形褶皱，其延伸长度大大超过了褶皱的宽度，并形成了世界三大褶皱山系之一的阿巴拉契亚褶皱山系；后者表现为长圆形的褶皱发育，岩层露头呈长圆形圈闭。等轴褶皱中的穹窿构造和等轴向斜分别以毛里塔尼亚非洲眼和墨西哥东马德雷山脉的构造盆地最具有代表性，其中毛里塔尼亚的非洲眼也称撒哈拉眼，地貌奇特，如同同心圆，从天空中俯瞰的话，整个地貌如同一只蓝色的巨眼，是世界十大地质奇迹之一，如此震撼人心的地质奇观势必会激发学生的学习热情。5.褶皱组合形式。地壳一定范围内不同形态、规模和级次的褶皱常以一定的组合形式展布。在同一构造运动时期和同一构造应力作用下，成因上有联系的一系列背斜和向斜组成的具有一定几何规律的褶皱的总体样式，称为褶皱的组合形式。褶皱的组合形式主要有三种：阿尔卑斯式褶皱、侏罗山式褶皱和日耳曼式褶皱。阿尔卑斯式褶皱组合形式在卫星地图上以巴基斯坦莫克兰俯冲带褶皱最为典型，众多线状褶皱连续发育、平行排列、布满全区。隔档式和隔槽式褶皱组合分别以川东平行岭谷和湖北恩施贵帽山最为典型，前者背斜形态完整、窄而紧闭，形成褶皱山系，后者向斜紧闭、山脉狭窄，背斜平缓、山谷宽阔。青海柴达木盆地北部平缓短轴背斜和穹隆构造为典型日耳曼式褶皱组合，褶皱翼部倾角极缓，呈雁列式排列。6.不同成因褶皱特征。根据褶皱形态及其伴生构造反映的褶皱形成过程，以及在形成过程中的物质运动规律和应变的分布情况，并结合模拟实验进行理论分析，可将褶皱的形成机制分为纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、剪切褶皱作用及柔流褶皱作用[12]。对于沉积岩层而言，一般未发生构造变形的岩层为水平岩层，地壳以水平运动为主，因此地壳中的多数褶皱是纵弯褶皱作用的产物。一般来说，在脆硬性岩层中产生弯滑褶皱作用，形成等厚褶皱，而在韧软性岩层中产生弯流褶皱作用，形成顶厚褶皱，卫星地图上可见新疆天山独库公路一侧等厚褶皱和顶厚褶皱的互层发育。盐丘构造的底辟作用为典型的横弯褶皱作用成因之一，如伊朗大盐湖沙漠中的盐丘构造发育，形成了一系列彼此孤立发育的穹窿和短轴背斜构造，为横弯褶皱作用产物；而底辟核内褶皱形态极为复杂，为韧性很大的岩盐发生柔流褶皱作用、塑性流动变形的产物。除此之外，已经褶皱的岩层再次弯曲变形而形成的褶皱为叠加褶皱，叠加褶皱反映了多期变形结果，其形态十分复杂，类型极其繁多，有多种分类。一般沉积岩地区比较简单，以跨褶型的穹隆、构造盆地和马鞍状构造较为常见，如巴基斯坦佐布可见典型的马鞍状叠加褶皱和短轴状构造盆地叠加褶皱构造出露。

三、结语

卫星地图构造现象观测为高效实用的构造地质学研究方法之一。本文以构造地质学课程岩层露头和褶皱构造章节为例，通过全球范围内卫星地图的系统观测，结合相关地质资料分析，建立了岩层和褶皱构造的影像判识模型。同时，对不同产状岩层及不同变形特征、组合形式和成因类型的褶皱构造露头卫星影像特征进行了判定和分析，剖析了典型构造现象，为课程提供了丰富的教学素材和实践案例。

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作者:李明 姜波 兰凤娟 单位:中国矿业大学资源与地球科学学院