阅读说明：本技术 一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法 (Bulk deposition layer density measuring method based on bulk sample method ) 是由 耿涛 冯凡 杜辉 冯治汉 郭培虹 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法,包括：获取待研究的工作区不同类型松散沉积层的基本信息和分布区域及范围；根据不同类型松散沉积层的分布区域及范围大小,选择每种松散沉积层的采样数量及每个采样点的位置；根据每个采样点的位置信息,进行野外采样工作,获取六面体的采样坑及坑内所有物质；基于采样坑的六面体,测量六面体采样坑中用于进行体积计算时使用的边长信息、采样后得到的所有物质的重量；根据采样坑的边长信息及得到的所有物质的重量,基于预设公式,计算出该采样点处松散沉积层的密度。该方法不需对采样坑的几何形状作严格要求,避免了因采样坑体积计算不准确而引起的误差,使得测量的密度结果更真实和精确。(The invention relates to a loose sedimentary deposit density measuring method based on a bulk sample method, which comprises the following steps: acquiring basic information, distribution areas and ranges of different types of loose sedimentary layers in a working area to be researched; selecting the sampling quantity of each loose deposition layer and the position of each sampling point according to the distribution area and the range size of different types of loose deposition layers; according to the position information of each sampling point, carrying out field sampling work to obtain hexahedral sampling pits and all substances in the pits; measuring side length information used for volume calculation and the weight of all substances obtained after sampling in the hexahedron sampling pit based on the hexahedron of the sampling pit; and calculating the density of the loose settled layer at the sampling point based on a preset formula according to the side length information of the sampling pit and the obtained weights of all the substances. The method does not need to make strict requirements on the geometric shape of the sampling pit, avoids errors caused by inaccurate volume calculation of the sampling pit, and enables the measured density result to be more real and accurate.)

一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法。

背景技术

重力勘探是以地壳中不同岩(矿)石之间的密度差异为基础，通过观测和研究天然重力场的变化规律，用以查明地下地质构造和寻找有用矿产资源用能源的地球物理勘查方法。随着技术的进步，重力勘查技术的精度越来越高，应用领域也越来越广，相应地，其对已知条件的精度要求也越来越高。

在重力勘探工作中，需要通过大量的工作去测定工作区内出露的各种地层和岩(矿)石密度来作为已知条件，为后续研究工作打好基础。准确测定松散沉积层的密度值，是密度测定工作的重要组成部分，对重力资料的改正、处理、反演、解释研究等都具有非常重要的意义，各种地层、岩(矿)石密度值测定的准确与否，直接影响最终勘探结果的正确性及准确性。因此，规范要求密度测定均方误差要优于±0.02g/cm³。

致密岩(矿)石密度测定时，首先在野外根据岩(矿)石的种类分别采集一定数量的标本，在室内利于天平称重、量筒排水测体积的方法进行测定，然后分类进行统计分析，现在有很多种类的密度测量仪，可以直接测出标本的密度。由于致密岩(矿)石标本的结构不会改变，因此可重复测量，计算测量误差。而与致密岩(矿)石密度测量方法不同，松散沉积层由于开挖以后其结构就发生了变化，因此只能通过测量采样坑的体积来计算密度值，这也决定了松散沉积层的密度只能在原位测量。

在各种重力规范规程中，并没有给出大样法的具体做法，只是规定按规则形体直接取出一定体积的松散沉积层样本，测定重量，利用下式计算其密度。

其中：P为大样的重量，V为大样的体积。

同时，规范建议：大样法测定松散沉积层密度时，取样体积应适中，一般以0.5m×0.5m×0.5m为宜。

现在野外工作中均采用上述大样法测量松散沉积层的密度。具体做法如下：

野外工作中，挖取大样时均采用挖取长方体的方法，即在采样点处，将表层疏松层剥离修平，然后挖一个大约为0.5m×0.5m×0.5m见方的标准长方体(如图1所示)，边挖边将挖出的物质分别称重，待挖好后，测量长方体的长(L)、宽(W)、深(H)，用下式直接计算松散沉积层的密度。

其中：ΣP为长方体中所有挖出物质重量之和。

上述的大样采样方法相当简便，在现场经过简单的计算就可得出结果，因此该方法是在重力野外工作中普遍采用的测定松散沉积层的密度的方法。

但是，这种方法存在明显的问题，即对采样坑的形状有严格的要求，必须是标准的长方体形状。然而，在野外工作中，这一点很难做到，尤其是西北较干旱地区，松散沉积层含水量少，含沙量较高，结构松散，因此，在挖大样的过程中，往往是边修整边垮塌，最后，花费了很长时间，发现挖成的采样坑往往是一个近似长方体的不规则六面体，如图2所示。

这个不规则六面体一般都是上大下小，因此，利用开口处测量的长宽进行计算，则计算出的体积(V_计算)比实际挖出的不规则六面体采样坑体积(V_实际)要大，导致最终计算出的松散沉积层密度较其实际密度偏小。

通过大量的野外实际调查发现，即使非常认真仔细地修整，采样坑也难以达到标准长方体形态，用计算出的体积(V_计算)和样坑的实际体积(V_实际)分别计算密度值，发现其误差经常偏小0.1～0.2g/cm³，有些情况下甚至更大，这对于一般介于1.6～2.2g/cm³之间的松散沉积层密度值来说，相对误差一般大于7～10％，甚至更大，这是不能忍受的。

需要说明的是，上述误差是在对该问题进行研究时，在非常认真的工作状态下得到的结果，而一般生产性野外重力勘探工作中，由于上述大样法非常简单，因此基本不把此项工作作为技术工作来做，而是作为简单体力劳动雇工完成，所以实际误差经常会更大，而且大样法具有不可重复测量的特点，缺少质量检查，往往是测成什么样就什么样了。这也是在实际的松散沉积层密度测量资料中经常会见到一些密度值数据明显小于正常值范围，甚至出现极其不合理数据的一个重要原因。

因此，如何基于大样法获取准确的松散沉积层的密度成为必须解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法，该方法不需对采样坑的几何形状作严格要求，避免了因采样坑体积计算不准确而引起的误差，使得测量的密度结果更真实和精确，同时可提高野外工作效率，降低工作强度。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法，包括：

101、获取待研究的工作区不同类型松散沉积层的基本信息和分布区域、分布区域的范围信息；

102、根据不同类型松散沉积层的基本信息、分布区域及分布区域的范围信息，选择每种松散沉积层的采样数量及每个采样点的位置；

103、根据每个采样点的位置信息，进行野外采样工作，获取六面体的采样坑及坑内所有物质；

104、基于采样坑的六面体，测量六面体采样坑中用于进行体积计算时使用的边长信息、采样后得到的所有物质的重量；

105、根据采样坑的边长信息及得到的所有物质的重量，基于预设公式，计算出该采样点处松散沉积层的密度。

可选地，松散沉积层的基本信息包括下述内容：松散沉积层的时代、类型、物质构成。

可选地，103包括：

103-1、在选定的采样点位置，去除采样点及采样点的延伸区域的表面疏松层，至相对密实的压实层修整平整；

103-2、开始挖样，获得六面体的采样坑及采样坑内所有物质。

可选地，103-2包括：

在挖样过程中，若采样点的松散沉积层坍塌或其他原因难以挖掘，则放弃采样，在附近选择合适位置，重新执行上述103-1，作为该采样点采样失败的替代。

可选地，103还包括：

使采样坑内的五个面修整成平面，每条边修整成直线，使得采样坑为一个六面体，且采样中挖出的所有物质回收称重记录。

可选地，104包括：

采用金属折叠尺测量采样坑待测量的边长参数，在采样坑中各个面之间存在弧形相交时测至两边相交的位置，且每一边长采用多次测量取平均值确定。

可选地，边长信息包括：

采样坑开口处的四条边长及四条向下的边长、采样坑开口面及四个侧壁的对角线长、采样坑四条空间对角线长，无需测量采样坑底面各边及对角线长。

可选地，105包括：

根据公式(1)计算松散沉积层的密度；

其中：ΣP为采样后得到的所有物质的重量的总和，V_六面体为基于六面体采样坑中的边长信息获取的采样物质的体积；

V_i代表六面体剖分为6个四面体后，其中一个四面体的体积，其计算公式如下：四面体O-ABC的六条棱长分别为BC＝l，AB＝n，AC＝m，OA＝p，OB＝q，OC＝r，则：

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例的方法主要服务于地球物理勘查中的重力勘探工作，该方法在采样中不必拘泥于采样坑的形状，只要是个六面体就行(而且这种形状较其他几何形态是最容易挖的)，采用本方法均可准确计算出其体积，避免了因采样坑体积计算不准确而引起的误差，使得测量的密度结果更真实和精确。因此挖掘时不必随时考虑采样坑形状，可以避开地层物质不均匀造成的坍塌等干扰，采样坑内各个面在修整时也不需有太多顾虑，只需修整成平面即可。

本方法野外需测量的采样坑参数数量较常用方法有较大增加，但其所花费的时间和精力相较于小心翼翼地修整采样坑的形状所花费的时间和精力要小很多，节省时间和节省成本。

附图说明

图1为现有技术中采用大样法测量松散沉积层密度的示意图；

图2为实际采样坑与理论采样坑的差异示意图；

图3为基于大样法的松散沉积层密度的测量方法的流程示意图；

图4(a)和图4(b)分别为六面体角点、表面编号和特征参数的定义示意图；

图4(c)和图4(d)为六面体单元形状退化形式的示意图；

图5为用于计算四面体体积的坐标系的示意图；

图6为本发明实施例的方法中测量信息的示意图；

图7为本发明实施例的方法中大样密度计算程序界面的示意图；

图8为本发明实施例的方法中测量边长的示意图；

图9为本发明实施例的方法中测量结果的记录表的示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为更好的理解本申请实施例的方案，首先说明野外密度测量工作的具体流程，第一：收集资料、野外踏勘：目的是搞清各类岩石、松散沉积层的分布、类型及范围。第二：设计采样路线和采样点：目的是做好规划，保证每种岩石和地层均采集到，不遗漏。一般来说，每一类致密岩(矿)石需在不同采样点累计采集30块以上；松散沉积层因采用大样法，难度较大，就没有那么多，每种类型根据分布范围一般挖几到十几个，分布大约几到几十平方千米一个。因此，下述实施例中一个采样点采样失败后在附近另选点采样其实可视做是同点位重采。第三：采样测量：致密岩(矿)石是采集标本，一般每块重100～200克，带回室内用密度仪测定密度，松散沉积层则采用大样法现场测量。本申请的方案就是对传统大样法的改进。第四：统计分析：即使是同一种岩石或地层，由于采样位置的不同，其物质成分也会有差异，因此，同一类岩石或地层每块标本测定的密度都会在一个小的范围内变化，因此需进行统计分析确定该类岩石或地层的最终密度值。

与测定致密岩(矿)石密度不同，采用大样法测定松散沉积层的密度，在同一个采样点上是不可重复的，无法通过重复测量来统计其精度。因此，采样过程中的每一步工作都非常重要，都会影响到最终结果的准确性。

本实施例提供的方法能够避免因采样坑体积计算不准确而引起的误差，精准、高效地获得待研究工作区内松散沉积层的密度，保证结果的准确性。

实施例一

如图3所示，本发明实施例提供一种基于大样法的松散沉积层密度的测量方法的流程示意图，本实施例的方法可包括下述的步骤。

101、获取待研究的工作区不同类型松散沉积层的基本信息和分布区域、分布区域的范围信息；

举例来说，松散沉积层的基本信息包括下述内容：松散沉积层的时代、类型、物质构成。

本实施例中的不同类型松散沉积层，实质就是不同成因的松散沉积层，例如，常见的主要有洪冲积地层(由洪水或常流水把高处的岩石碎屑冲刷下来沉积形成)、风成地层(由风把其它地方的细小颗粒物带来沉积形成)等等。通常，由于物源物质千差万别，因此松散沉积层的物质构成也是千变万化的。可以把不同类型的松散沉积层看作不同性质的岩石，其实再经过若干万年，当这些松散沉积层固结成岩后，就是形成不同种类的岩石。

本实施例中，充分研究工作区内松散沉积层的类型及分布、物质构成等，为后面规划采样点的大体位置做准备，可做到采样时心中有数。

102、根据不同类型松散沉积层的基本信息、分布区域及分布区域的范围信息，选择每种松散沉积层的采样数量及每个采样点的位置；

103、根据每个采样点的位置信息，进行野外采样工作，获取六面体的采样坑及坑内所有物质；

该步骤可包括下述的子步骤：

103-1、在选定的采样点位置，去除采样点及采样点的延伸区域的表面疏松层，至相对密实的压实层修整平整；

103-2、开始挖样，获得六面体的采样坑及采样坑内所有物质。

也就是说，采样时，表层疏松层一定要剥离干净，至相对密实的压实层，修整平整，再开始挖样，表层的疏松层不代表实际的松散沉积层密度。疏松层剥离的范围要大一些，防止正式采样时周围的疏松层物质掉入采样坑内。

特别地，采样过程中，如果发现采样点过于干燥坍塌严重、疏松层太厚难以剥离或板结太硬难以挖掘等，应果断放弃，在附近另寻采样点，不要强行采样凑数。即，在挖样过程中，采样点的松散沉积层坍塌或其他原因难以挖掘，则放弃采样，重新执行上述103-1，作为该采样点采样失败的替代。

在下述步骤104中，疏松层剥离平整完成后，正式开始采样时，挖出的所有物质均应回收称重记录，不能遗漏。实际中，采样坑内五个面都应尽最大努力修整成平面，每条边修整成直线，以保证采样坑为一个六面体。

在可能的情况下，采样坑应尽量挖的大一些，这样可以降低由于测量不准确带来的误差。

104、基于采样坑的六面体，测量六面体采样坑中用于进行体积计算时使用的边长信息、采样后得到的所有物质的重量；

在实际处理中，采样坑内各个面间很难做到真正的直线相交，一般都是弧形的，因此，边长测量时应测至两边相交的位置(如图8所示)。由于需测量的是内六面体的采样坑的边长参数，受采样坑内部空间限制，软质尺子很难拉直，长度不易测准，因此测量时应使用测量专用的金属折叠尺，且应采用多次测量取平均值的方法来得出每个参数的值，测量结果记入如图9所示的测量记录表。

105、根据采样坑的边长信息及得到的所有物质的重量，基于预设公式，计算出该采样点处松散沉积层的密度。

在本实施例中，边长信息包括：

采样坑开口处的四条边长及四条向下的边长、采样坑开口面及四个侧壁的对角线长、采样坑四条空间对角线长，无需测量采样坑底面各边及对角线长。

具体地，根据公式(1)计算松散沉积层的密度；

其中：ΣP为采样后得到的所有物质的重量的总和，V_六面体为基于六面体采样坑中的边长信息获取的采样物质的体积；

V_i代表六面体分割为6个四面体后，其中一个四面体的体积，其计算公式如下：四面体O-ABC的六条棱长分别为BC＝l，AB＝n，AC＝m，OA＝p，OB＝q，OC＝r，则：

由于在野外采用大样法测定松散沉积层密度是一件比较费时费力的工作，而采样坑的形状不符合计算公式要求又是造成松散沉积层密度测量不准确的重要原因。为了减小误差，工作时都必须小心翼翼地修整采样坑。如果工作人员不用心或由于松散沉积层物质结构问题，边修边塌，根本修整不成一个较接近要求的形状，那么最终结果的误差就更大了。

上述实施例的方法不必拘泥于采样坑的形状，只要是个六面体就行(而且这种形状较其他几何形态是最容易挖的)，采用本方法均可准确计算出其体积。因此挖掘时不必随时考虑采样坑形状，可以避开地层物质不均匀造成的坍塌等干扰，采样坑内各个面在修整时也不需有太多顾虑，只需修整成平面即可，省时省力，且计算结果的准确性提高了。

实施例二

基于现有技术中大样法测量松散沉积层密度不准确的缺陷，本发明实施例进行改进。

松散沉积层密度测量准确的前提是准确称量采样坑中挖出物质的重量和准确测量、计算采样坑的体积。如果能准确计算出采样坑的体积，那么，采样坑挖成什么形状其实并不重要，现有技术在野外工作中都尽量挖成长方体，只是为了体积计算方便而已。既然野外一般只能挖成近似长方体的不规则六面积，那么，只要能准确计算出这个不规则六面体的体积，就能解决这个问题。

不规则六面体体积的计算较为复杂，考虑到野外实际测量中，一般只能测长度，而不能测角度(测不准)，因此，本发明实施例提供下述方法来计算不规则六面体的体积。

第一、从理论计算上说明不规则六面体转换为四面体的过程

⒈任意六面体转换为四面体

如果六面体的结点编号为i(如图4(a)所示)，六面体的表面编号为J(如图4(b)所示)，则结点i和不经过结点i的六面体表面J构成一个五面体体积为：

V_iJ(i＝1，2，…，8；J＝1，2，…，6)

有关系式：V_iI+V_iJ+V_iK＝V

其中，V为六面体的体积，I、J、K分别为不经过结点i的3个表面编号。当结点i＝1时，形成的3个五面体为：1-surf.2(1-2376)、1-surf.4(1-3487)、1-surf.6(1-5678)。

如图4所示，图4(c)和图4(d)示出1个五面体又可以分割出2个四面体。

2.四面体的体积计算

分别计算分割出的各个四面体的体积。以求四面体1-567的体积为例，为方便表述，用O-ABC代表四面体1-567。

首先建立如图5所示坐标系，以O点为原点，设A，B，C三个顶点的坐标分别为(a₁，b₁，c₁)，(a₂，b₂，c₂)和(a₃，b₃，c₃)，并设四面体O-ABC的六条棱长分别为BC＝l，AB＝n，AC＝m，OA＝p，OB＝q，OC＝r。(说明：从棱锥的顶点向底面，底面角点逆时针编号)。

由立体几何知道，该四面体的体积V等于以向量组成右手系时，以它们为棱的平行六面体的体积V₆的而

于是得

将上式平方，得

根据向量的数量积的坐标表示，有

于是

由余弦定理，可得

同理

将以上各式代入(2.1)式，得

即可计算出四面体O-ABC的体积V：

其他5个四面体以此类推，最后，对6个四面体体积求和，即为六面体的体积。

第二、野外工作中需测量的参数

为了达成上述计算不规则六面体采样坑体积的目的，野外实际工作中，需对以下22个参数进行测量(如图6所示)。

⒈采样坑的八条边长

需测量采样坑开口处的四条边S₁₂、S₂₃、S₃₄、S₁₄的长度及四条向下的边S₁₅、S₂₆、S₃₇、S₄₈的长度(如图6中的12、23、34、14、15、26、37、48的线条部分)。

2.采样坑开口及侧壁的对角线长

需测量采样坑开口处的两条对角线S₁₃、S₂₄的长度及四个侧壁的八条对角线S₁₆、S₂₅、S₂₇、S₃₆、S₃₈、S₄₇、S₄₅、S₁₈的长度(如图6中的13、24、16、25、27、36、38、47、45、18的线条部分)。

⒊采样坑四条空间对角线长

需测量采样坑四条对角线S₁₇、S₂₈、S₃₅、S₄₆的长度(如图6中的17、28、35和46的线条部分)。

4.无需测量采样坑底部各边的长

在野外实际工作当中，测量采样坑底部四条边的长度相对比较困难，一是测量人员下坑较困难，不易测量准确，二是容易弄塌采样坑边部，破坏其形状。针对这一问题，我们通过测定其他参数，采用以下的方法计算出底部各边的长度，避免去直接测量。

已知任意四边形ABCD的边长AB＝a，BC＝b，AD＝c，对角线AC＝e，BD＝f，那么，对ΔABC，根据三角形余弦定理和面积计算公式，有：

∠CAD＝∠A-∠BAC

根据三角形余弦定理，可得边长CD的长度为：

第三、利用野外工作中获取的参数，计算松散沉积层的密度

上述采样坑体积的计算，用简单的手工方法已不可能完成了，需要编程进行处理，如图7所示。图7示出了大样密度计算程序界面的示意图。

基于上述各测量边的数据在输入过程中，图7的示意图中已输入数据的边即改变颜色。输入数据的单位：长度单位为厘米(cm)，样品重量单位为千克(kg)。

完成所有数据输入后，可计算、保存数据。通过测量误差、示意图的图形形状可判断数据输入是否正确。

在上述程序计算过程中，采样坑开口处的对角线测量一条就可以了，另一条可通过以下方法计算出来。

已知任意四边形ABCD的边长AB＝a，BC＝b，CD＝c，AD＝d，对角线AC＝e，那么，可通过下面的方法求出另一条对角线长BD的长度。

但是，为了防止野外测量出现混乱，程序中要求两条对角线的长度都要输入，这样，一来防止了野外出错，二来还可以通过计算出的结果与输入数据进行比对，判断野外数据测量误差，对数据测量质量进行初步控制。

本方法野外需测量的采样坑参数数量较常用方法有较大增加，但其所花费的时间和精力相较于小心翼翼地修整采样坑的形状所花费的时间和精力要小很多，节省时间和节省成本。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。