6.2. Busola geologică

Intuiție

Așezi capacul busolei pe strat ca pe un pupitru, aduci bula la mijloc și citești două numere. Atât. Busola geologică este instrumentul care transformă un perete de stâncă într-o pereche de cifre pe care oricine o poate desena pe hartă.

Elementele de poziție ale unui strat sau ale oricărei suprafețe geologice plane – direcția, înclinarea și sensul de înclinare – au fost definite în Secțiunea 4.2 și se notează, în practica actuală, prin perechea sens de înclinare/înclinare (de exemplu 120/35). Măsurarea acestor elemente pe teren se face cu busola geologică, instrumentul de bază al cartografierii geologice, indispensabil în laboratorul de teren al disciplinei; parcurgem în continuare alcătuirea și tipurile ei (Secțiunea 6.2.1), procedura de măsurare (Secțiunea 6.2.2) și reprezentarea măsurătorilor în proiecție stereografică (Secțiunea 6.2.3).

6.2.1. Alcătuirea și tipurile busolei geologice

O busolă geologică (Figura 6.3) combină trei componente pe care le are orice busolă obișnuită – acul magnetic, cadranul gradat și nivela cu bulă de aer, pentru orizontalizare – cu două elemente specifice: un capac plan, care se așază direct pe suprafața stratului, și o balama cu semicerc gradat de înclinare (clinometru), care măsoară unghiul dintre capac și corpul orizontalizat al busolei. Cadranul busolei geologice este gradat, spre deosebire de o busolă turistică, în sens antiorar: această convenție, aparent neobișnuită, face ca citirea capătului nordic al acului magnetic, atunci când capacul este așezat pe strat, să dea direct azimutul sensului de înclinare, fără niciun calcul suplimentar (Figura 6.3b) – de aceea busolele geologice nu pot fi înlocuite cu busole turistice obișnuite pentru această măsurătoare.

Practica de teren folosește două familii de instrumente. Busola de tip Clar, concepută de geologul austriac Eberhard Clar și cunoscută în Europa Centrală și de Est (inclusiv în școala geologică românească) mai ales prin modelul fabricat la Freiberg – busola Freiberg –, are capacul articulat printr-o balama prevăzută cu cerc gradat: cu capacul așezat pe strat și corpul orizontalizat, se citesc dintr-o singură așezare sensul de înclinare (pe cadran) și înclinarea (pe balama). Busola Brunton, de tradiție americană, are o construcție pliabilă, cu vizor și oglindă, gândită și pentru măsurători topografice de teren (azimute, unghiuri verticale prin vizare directă); cu ea, direcția și înclinarea stratului se măsoară separat, înclinarea fiind citită pe un clinometru interior. Cele două tipuri au precizii comparabile (de regulă \(\pm 1\)–\(2^\circ\)), iar alegerea dintre ele ține, în primul rând, de disponibilitate și de obișnuință (Lisle et al., 2011).

Figura 6.3 Busola geologică: (a) elementele de poziție ale unui strat înclinat – linia de direcție, linia de înclinare (linia de cea mai mare pantă a planului) și proiecția ei orizontală, care dă sensul și azimutul înclinării; (b) principiul busolei de tip Clar/Freiberg, văzută de sus, cu capacul așezat pe strat – cadranul este gradat în sens antiorar, astfel încât capătul nordic al acului magnetic citește direct azimutul sensului de înclinare; (c) măsurarea unghiului de înclinare \(\alpha\), cu capacul pe strat și corpul busolei orizontalizat prin nivelă, folosind clinometrul de pe balama.

6.2.2. Măsurarea și notarea în teren

Măsurarea completă a poziției unui strat presupune două citiri, făcute cu busola așezată pe suprafața reală a stratului (Figura 6.4), expusă într-un afloriment curat (fără grohotiș, mușchi sau alterare care ar putea masca planul real):

1. Măsurarea înclinării: capacul busolei se așază pe suprafața stratului, aliniat cu linia de cea mai mare pantă (linia de înclinare); corpul busolei se rotește în jurul balamalei până când nivela indică orizontala, iar clinometrul citește direct unghiul \(\alpha\) dintre capac și orizontală (Figura 6.3c). Pentru a găsi linia de cea mai mare pantă fără ambiguitate, se caută experimental direcția pe strat pentru care înclinarea citită este maximă.

2. Măsurarea sensului de înclinare: capacul rămâne pe strat, dar busola se orizontalizează complet (nivela orizontală centrată); se citește azimutul indicat de capătul nordic al acului magnetic, care – datorită gradației antiorare a cadranului – este chiar azimutul sensului de înclinare (Figura 6.3b).

Rezultatul se notează prescurtat, ca în Secțiunea 4.2, prin perechea sens de înclinare/înclinare (de exemplu 245/28), însoțită de coordonatele sau de numărul punctului de observație, pentru a putea fi reportată ulterior pe hartă. La fiecare punct se măsoară, de regulă, mai multe determinări apropiate, ale căror valori se compară pentru a detecta eventuale erori de citire sau variații locale (ondulații ale suprafeței de stratificație, blocuri deplasate). Pe teren cu magnetism anormal (roci feromagnezian-bogate, apropierea unor structuri metalice) citirea busolei poate fi eronată, situație în care măsurătoarea trebuie repetată la distanță de sursa perturbatoare sau verificată prin alte mijloace (busolă solară, GPS cu busolă electronică calibrată).

Aceeași procedură se aplică oricărei suprafețe plane naturale sau artificiale: planuri de șistozitate și de foliație (Capitolul 3), suprafețe de diaclază sau de falie și oglinzi de fricțiune (Secțiunile 4.4.1 și 4.4.2), taluzuri de excavație tăiate în rocă stratificată. Măsurarea sistematică, pe familii de discontinuități, a orientării masivului de rocă este parte obligatorie a oricărei investigații geotehnice în rocă (Capitolul 9).

Figura 6.4 Busolă așezată pe o suprafață de discontinuitate, pentru măsurarea orientării ei (foto: I. Boți). [DE COMPLETAT: locul și anul]

6.2.3. Reprezentarea în proiecție stereografică

Atunci când numărul de măsurători este mare – zeci sau sute de determinări ale orientării unor discontinuități dintr-un masiv de rocă – reprezentarea lor individuală pe hartă devine ineficientă, iar analiza structurală se face în proiecție stereografică, deja introdusă în Secțiunea 4.4.1: fiecare plan este redus la un punct (polul planului) sau la o curbă (urma ciclografică, cercul mare corespunzător planului) pe o rețea circulară, iar fiecare linie (axă de cută, striație pe o oglindă de fricțiune, ax al unui foraj înclinat) este redusă tot la un punct, definit de azimutul și de unghiul de plonjare \(p\) al liniei.

Construcția geometrică din spatele acestei reprezentări este proiecția stereografică propriu-zisă (Figura 6.5b): planul de proiecție este orizontal și trece prin centrul unei sfere de referință; o linie cu plonjarea \(p\), prelungită din centrul sferei, intersectează emisfera inferioară într-un punct, care se unește cu zenitul (polul superior al sferei) printr-o dreaptă; punctul în care această dreaptă înțeapă planul de proiecție este proiecția stereografică a liniei. Pentru o sferă de rază \(R\) (raza cercului primitiv al rețelei), distanța de la centrul rețelei la proiecția unei linii cu plonjarea \(p\) este dată de relația

(6.1)\[ r = R\tan\!\left(\frac{90^\circ - p}{2}\right), \]

astfel încât o linie orizontală (\(p=0\)) se proiectează pe cercul primitiv (\(r=R\)), iar o linie verticală (\(p=90^\circ\)) se proiectează chiar în centrul rețelei (\(r=0\)); cu cât o linie plonjează mai abrupt, cu atât punctul ei se apropie de centru. În practică, rezultatul relației (6.1) este trasat direct pe o rețea Wulff tipărită (Figura 6.5a), fără calcul explicit: se rotește foaia de calc peste rețea până ce azimutul dorit ajunge pe unul dintre cele două diametre drepte ale rețelei (N–S sau E–V), se numără gradele de plonjare de la marginea rețelei spre centru și se marchează punctul; pentru un plan, se trasează urma ciclografică (arcul de cerc mare care trece prin cele două capete ale direcției) sau direct polul, aflat la \(90^\circ\) de mijlocul urmei, pe diametrul perpendicular pe direcția planului (Fossen, 2016). Rețeaua Schmidt, de egală arie, folosită la analiza statistică a polilor, are altă lege de proiecție, \(r = R\sqrt{2}\,\sin[(90^\circ - p)/2]\).

Figura 6.5 Proiecția stereografică (rețea Wulff, emisfera inferioară): (a) urma ciclografică a unui plan cu poziția 120/35 (curba roșie) și polul său P, la 300/55; alături, o linie oarecare cu azimutul 120° și plonjarea 25°, reprezentată direct ca punct; (b) principiul construcției – o linie cu plonjarea \(p\) intersectează emisfera inferioară, iar dreapta dusă spre zenit înțeapă planul orizontal de proiecție la distanța \(r\) de centru, dată de relația (6.1).

Pentru inginerul geotehnician, proiecția stereografică a măsurătorilor de busolă are două aplicații directe. Prima este caracterizarea masivului de rocă fisurat (Secțiunea 4.4.1): polii tuturor discontinuităților măsurate într-un amplasament, reprezentați împreună pe aceeași rețea, se grupează în nori care corespund familiilor principale de fisurare, ale căror orientări medii se citesc direct de pe diagramă. A doua este analiza stabilității versanților în rocă (Capitolul 8): poziția relativă, pe aceeași rețea, a polilor discontinuităților și a planului taluzului permite recunoașterea grafică rapidă a mecanismelor de cedare posibile (alunecare plană, în pană, răsturnare), înainte de orice calcul cantitativ de stabilitate.