Введение в геологическую картографию

Краткая история геологического картирования в Геологической службе США

Джек Рид
Геологическая служба США

Поскольку геологические карты были впервые созданы в конце 18 и начале 19 веков, они сыграли фундаментальную роль в понимании истории Земли и предоставлении информации, необходимой для решения практических проблем землепользования, таких как количество и качество грунтовых вод; опасности землетрясений, извержений, оползней и наводнений; энергетические и минеральные ресурсы; городское развитие; и здоровье экосистемы и водно-болотных угодий.

Ранние годы — составление карты нации

Когда в 1879 году была создана Геологическая служба США, перед ней была поставлена задача «классифицировать государственные земли и исследовать геологическое строение, минеральные ресурсы и продукты национального достояния». В органическом акте Обзора среди ожидаемых результатов этих исследований особо упоминаются геологические и экономические карты.

В 1879 г. уже более полудюжины Государственных геологических служб активно занимались геологической картографией; некоторые из них были активны более 50 лет. Предшественники Геологической службы США, в том числе финансируемые Конгрессом исследования Кларенса Кинга, Фердинанда В. Хайдена и Джона Уэсли Пауэлла в 1860-х и 1870-х годах, также составляли разведывательные геологические карты больших участков на американском Западе.

После создания Геологической службы США возникли острые разногласия по поводу того, должна ли ее работа ограничиваться государственными землями Запада или она должна распространяться на все Соединенные Штаты. Это было решено в 1882 году, когда по наущению тогдашнего директора Джона Уэсли Пауэлла Конгресс уполномочил Службу «продолжить подготовку геологической карты Соединенных Штатов». Пауэлл интерпретировал это как разрешение на расширение геологического картирования Обзора по всей стране. Хотя Пауэлл истолковал «подготовку геологической карты Соединенных Штатов» как требование подготовки единой серии геологических карт всей страны, сомнительно, что Конгресс имел в виду именно это. Первым шагом в решении этой задачи было создание Геологического атласа Соединенных Штатов. Атлас должен был состоять из серии листов стандартного формата, каждый из которых содержал топографические, геологические и другие карты, иллюстрации и текст, описывающий геологию конкретного четырехугольника.

Первый из этих фолиантов, охватывавший четырехугольник Ливингстона, штат Монтана, был опубликован в 1894 году. К 25-летию Обзора в 1804 году было опубликовано 106 фолиантов. Однако картографирование фолио в конечном итоге потерпело крах из-за увеличения стоимости и снижения интереса и поддержки. Последний фолиант, посвященный четырехугольникам Холидейс и Хантингтон, штат Пенсильвания, был опубликован в 1945 году, но основан на полевых исследованиях, начатых в 1908 году!

С исчезновением серии фолиантов от концепции единообразной серии геологических карт, охватывающей всю страну, фактически отказались, хотя она сохранялась в фольклоре Survey на протяжении десятилетий. Усилия по его возрождению включали создание серии карт «Геологический четырехугольник» (GQ) в 1949 году и усилия по созданию общенациональных геологических карт в масштабе 1: 250,000 1960, которые начались в XNUMX-х годах.

Эра специализации

Усилия по созданию единообразной серии карт страны были основаны на предположении, что подробная, высококачественная геологическая карта области может отразить все аспекты ее геологии и решить все ее геологические проблемы. По мере того как проблемы становились все более разнообразными, а необходимые данные становились все более специализированными, было признано, что такой вещи, как универсальная геологическая карта, не существует. Особые потребности требуют карт с особым акцентом. Геологическое картирование Геологической службы США все больше сосредоточивалось на областях, представляющих особый экономический интерес, областях, представляющих особую федеральную озабоченность, и областях, представляющих критический научный интерес.

Некоторые ранние примеры более целенаправленного геологического картирования включают:

Разведывательное картирование в начале 1920-х годов, которое привело к признанию нефтяного потенциала арктического склона Аляски и созданию военно-морского нефтяного резерва 4. В 1950-х годах более подробное картирование помогло определить местонахождение скважины, которая добыла первую нефть на арктическом склоне. .
Картирование плато Колорадо для оценки его ресурсов урана в начале холодной войны.
Подробное картографирование полигона в Неваде для изучения последствий ядерных взрывов и обеспечения их сдерживания под землей после вступления в силу Договора о нераспространении ядерного оружия в 1970 году.
Основные усилия по геологическому картированию в Кентукки, Массачусетсе и Пуэрто-Рико в значительной степени финансируются Штатами и Содружеством.
Геологическое картирование территорий, рассматриваемых на предмет статуса дикой природы, в соответствии с Законом о дикой природе 1964 года.

Закон о национальном геологическом картировании 1992 г.

Этот Закон с его повторными разрешениями в 1997, 1999 и 2009 годах признавал важность геологического картирования при использовании минеральных ресурсов, эффективного управления окружающей средой, безопасного удаления бытовых и промышленных отходов и смягчения последствий стихийных бедствий. Он учредил программу под руководством Геологической службы США, которая получила рекомендации от других федеральных агентств, государственных агентств, научных кругов и частного сектора, чтобы помочь удовлетворить эти потребности. Роль Геологической службы США включает картирование для удовлетворения требований других федеральных агентств и ведение баз данных по стратиграфии, геохронологии, палеонтологии и некоторым другим темам, связанным с картированием. Государственная роль включает более детальное картографирование для удовлетворения государственных и местных потребностей, а академическая роль делает упор на обучение студентов геологическому картированию. Хотя эта программа никогда не финансировалась на уровне, предусмотренном Законом, она оказала значительное влияние на усилия по удовлетворению потребностей страны в картировании.

Геологическое картографирование сегодня

В настоящее время большая часть геологических карт USGS сосредоточена на практических аспектах геологии. К ним относятся распространение активных разломов, создающих угрозу землетрясения для населенных пунктов или важных объектов; распределение материалов, особенно подверженных оползням или обрушению склонов; распределение вулканических отложений, помогающих очертить районы, подверженные риску извержений вулканов; исследования движения воды, нефти, природного газа и отходов (в том числе радиоактивных) через геологические породы; и исследования поверхностных отложений, фиксирующие климатические изменения с течением времени. Все они используют информацию, найденную в геологических картах.

Сегодня геологическое картирование живо и хорошо работает в Геологической службе США и обычно облегчается с помощью спутниковых изображений, аэрофотосъемки, технологии глобальной системы позиционирования GPS и картографии на основе географических информационных систем на основе ГИС. Но, в конце концов, вся геологическая картография сводится к тому, что геологи носят сапоги и ходят по земле с компасом, киркой, блокнотом и ручной лупой, как они это делали во времена Пауэлла.

Дэвид Р. Соллер
Геологическая служба США
(Эта статья была впервые опубликована в Ежегоднике науки и технологий McGraw-Hill за 2004 г., стр. 128–130.)

Общественность привыкла ожидать почти мгновенной доставки актуальной и понятной информации через Интернет, что, в свою очередь, начало влиять на методы, используемые в геологической картографии, а также на характер продукта. Геологи быстро внедряют методы ГИС и информационных технологий (ИТ) в производство и распространение геологических карт.

Рисунок 1. Графическое представление типичной информации на геологической карте общего назначения, которую можно использовать для выявления геологических опасностей, определения местонахождения природных ресурсов и облегчения планирования землепользования. (По Р.Л. Берннопфу и др., 1993).

Геологическое картирование — это интерпретативный научный процесс, который позволяет создавать целый ряд картографических продуктов для различных целей, включая оценку качества подземных вод и рисков загрязнения; прогнозирование опасности землетрясений, извержений вулканов и оползней; характеристика энергетических и минеральных ресурсов и затрат на их добычу; размещение могильника отходов; землеустройство и планирование землепользования; и общее образование. Ценность информации о геологической карте для принятия государственных и частных решений (например, для размещения свалок и автомагистралей) неоднократно описывалась анекдотично и была продемонстрирована в анализе выгод и затрат для уменьшения неопределенности и, соответственно, потенциальных затрат.

Геолог-картограф стремится понять состав и структуру геологических материалов на поверхности Земли и в глубине, а также изобразить наблюдения и интерпретации на картах, используя символы и цвета (рис. 1). В течение последних 10–20 лет технология географических информационных систем (ГИС) начала изменять аспекты геологической картографии, предоставляя программные инструменты, позволяющие хранить в электронном виде геометрию и характеристики горных тел и другие геологические объекты (например, разломы). отображаются, запрашиваются и анализируются в сочетании с, казалось бы, бесконечным разнообразием других типов данных.

Например, ГИС можно использовать для пространственного сравнения возможных источников загрязнения (таких как нефтяные скважины) с близлежащими ручьями и геологическими образованиями, которые служат источниками подземных вод. Кроме того, ГИС можно использовать для сравнения положения предлагаемой дороги с окружающей геологией, чтобы определить участки с высокими затратами на земляные работы или неустойчивые склоны. Эти сравнения всегда были возможны, но ГИС значительно облегчает анализ и, в результате, дает геологам возможность предоставлять информацию в виде карт, которые легко интерпретируются и используются негеологами.

Полевые методы геологического картирования

Геологи традиционно записывают в полевых тетрадях свои наблюдения, включая зарисовки, измерения (например, угол наклона пластов) и рассказы. Справедливость этих наблюдений остается; однако цифровые фотографии теперь часто дополняют эскизы, а инструменты повышают точность измерений (например, с помощью инструмента глобальной системы позиционирования возможны более точные местоположения, чем с простой привязкой к местоположению по отношению к топографическим и культурным особенностям). Все чаще полевые рассказы пишутся и систематизируются на ноутбуке или персональном цифровом помощнике (КПК).

Развитие полевых систем для записи и управления информацией ускорилось за последние 10 лет. Ожидается, что наиболее полезные системы получат широкое распространение, что поможет стандартизировать методы и форматы полевых наблюдений. Все чаще геологи не только записывают полевые наблюдения, но и проводят полевые интерпретации положения таких особенностей, как геологические контакты и разломы (т. е. «рисуют линии»), используя примитивное программное обеспечение ГИС на КПК или ноутбуках.

Дескрипторы геологических карт

При записи наблюдений геологи используют описательные термины и названия горных пород, которые являются общеупотребительными или уникальными для данной местности. Затем эти термины синтезируются и переписываются в формальные описания единиц карты, которые публикуются вместе с картой. С появлением ГИС и легкостью, с которой цифровые карты могут быть получены и запрошены, геологи осознают важность четко определенной стандартной терминологии, чтобы помочь пользователям на настольном компьютере или в Интернете запрашивать одновременно две карты, сделанные разными геологами. В настоящее время предпринимаются национальные и международные усилия по определению стандартных классификаций геологической информации, такой как состав и текстура горных пород. Затем этот стандартный язык можно использовать в полевых условиях или в офисе для организации и интерпретации полевых наблюдений. Признано, что из-за большого количества геологических территорий и геологических картографических агентств, а также из-за длительного исторического использования определенных терминов потребуется несколько стандартных классификаций для учета региональных различий в терминологии. Однако эта система должна хорошо функционировать при условии, что каждая классификация четко определена и может быть сопоставлена с другими классификациями, чтобы обеспечить простоту перевода из одного формата в другой.

Рисунок 2. Трехмерная стопка ледниковых геологических слоев в восточно-центральной части Иллинойса. Слой 1 (верхний) — поверхность земли; слой 8 (нижний) представляет собой подстилающую коренную породу. Светлая пачка в слое 7 представляет собой песчано-гравийный водоносный горизонт, заполняющий долину коренных пород и погребенный под слабопроницаемым ледниковым тиллом. По Соллеру, Д.Р. и др., 1999, Трехмерные геологические карты четвертичных отложений в восточно-центральном Иллинойсе, Серия геологических исследований Геологической службы США, карта I-2669, масштаб 1: 500,000 XNUMX (общественное достояние).

Базы данных геологических карт

Основной целью многих геологических изысканий больше не является создание одной геологической карты, а создание базы данных, из которой можно получить множество типов геологических и инженерно-геологических карт. Для этого требуется структура базы данных или «модель данных», достаточно надежная для управления сложными геологическими концепциями, такими как трехмерные (пространственные) и временные отношения между единицами карты, разломами и другими элементами (рис. 2).

Это особенно сложно, потому что программное обеспечение, которое управляет этими базами данных, не является статичным, а продолжает развиваться, что требует адаптируемой структуры базы данных. Кроме того, чтобы разрешить обмен базами данных между агентствами и пользователями, требуется либо общая структура базы данных, либо общий формат обмена. Эти усилия по проектированию ведутся в Северной Америке и других частях мира. Как следствие, геологи в настоящее время переоценивают то, как информация обрабатывается в полевых условиях, какая информация собирается и с какой целью, а также в какой степени картографическая информация после ее создания может быть обновлена для включения новых наблюдений и интерпретаций. .

Традиционно, как только геолог доставлял рукописную карту картографу, работа заканчивалась. Базы данных карт предназначены для обслуживания, поэтому карту теперь можно более точно рассматривать как отчет о ходе работы, который можно обновлять. Важнейшим аспектом картографической базы данных является способность управлять информацией и сохранять ее целостность, например, путем ее миграции в новый формат или структуру данных или в новую стандартную терминологию.

Картография и геологические карты

ГИС и программное обеспечение для графического дизайна радикально изменили методы публикации картографической информации. Традиционные пленочные (пленочные) технологии были вытеснены подготовленными в цифровом виде негативами для офсетной печати бумажных карт и подходами «график по запросу», которые генерируют одну карту за раз по запросу пользователей. Функция Plot-on-demand удобна для создания настраиваемых карт с одним атрибутом (например, показывающих только прочность на сдвиг геологических материалов или восприимчивость подземных вод к загрязнению). Цифровые картографические методы развиваются и становятся способными создавать сложные макеты карт и продукты. Ожидается, что перед цифровыми картографами будет постоянно стоять задача разработки новых методов по мере развития программного обеспечения, а также по мере того, как геологи и пользователи будут требовать более сложных и информативных продуктов.

Читайте также:

Как убрать жвачку с волос - wikiHow

Доставка геологических карт и баз данных

В дополнение к обычным местам получения карт (таким как книжные магазины и офисы продаж), ГИС и Интернет позволили привлечь и обучить новых и потенциальных пользователей геологических карт. Карты и базы данных теперь доступны в Интернете в различных форматах. Некоторые форматы (например, Adobe® Portable Document Format или PDF) предназначены для визуального отображения карты и не требуют специального программного обеспечения, в то время как другие форматы (например, ArcInfoTM) используются профессионалами с соответствующим программным обеспечением для детальный анализ картографической базы данных. Чтобы предоставить общественности доступ к такому анализу без необходимости покупать программное обеспечение, многие агентства экспериментируют с программным обеспечением, которое позволяет пользователям просматривать карты, отправлять запросы и просматривать результаты в веб-браузере. Эта технология получает все более широкое распространение и должна оказаться все более полезной при соблюдении следующих условий:

Повышение доступности цифровой геологической информации
Стандартизированная структура базы данных, терминология и формат обмена
Увеличенная пропускная способность Интернета
Достижения в программном обеспечении для обслуживания картографических данных.

Новые достижения в области картирования и подготовки картографических продуктов, ставшие возможными благодаря достижениям в области ГИС и информационных технологий, не изменили фундаментальной науки геологии, но предложили новые методы для организации, обслуживания и анализа картографических данных и, возможно, для расширения их использования в общественностью и учеными.