地质勘查基础知识教材.docx

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地质勘查基础知识教材

二十多年的地质矿产勘查工作，干得有点累了，也积累了一些经验，现突然想总结发布，希望对大家有所帮助，因为是给单位年轻学员上课用的，故暂定名为“地质勘查工作作业指导讲义”，侧重地质勘查工作实际操作，以满足勘查工作生产需要为目的，不当之处请广大同仁批评指正。

§1地质工作中常用的坐标系

坐标是表达地面位置的重要参数，从事地质勘查工作的人时时刻刻都在与坐标打交道，一切地质工作都建立在坐标定位之上，是地质工作的基础。

地球是一个球体，球面上的位置，是以经纬度来表示，我们把它称为“球面坐标系统”或“地理坐标系统”。

在球面上计算角度距离十分麻烦，而且地图是印刷在平面纸张上，要将球面上的物体画到纸上，就必须展平，这种将球面转化为平面的过程，称为“投影”。

经由投影的过程，把球面坐标换算为平面直角坐标。

§1.1地理坐标系统

地质工作常用的地理坐标系统有北京54坐标系、西安80坐标系、美国WGS84坐标，目前在全国第二次土地调查中使用的2000国家大地坐标系，在地勘行业中不常用。

一个完整的坐标系统是由坐标系和基准2个方面要素所构成的。

下面主要介绍WGS-84大地坐标系、1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系、2000国家大地坐标系4种坐标系统及其参考椭球的基本常数（基准）及手持GPS接收机WGS-84、1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系转换参数计算。

一、WGS-84大地坐标系

WGS－84（WorldGeodeticSystem，1984年）是美国国防部研制确定的大地坐标系，其坐标系的几何定义是：

原点在地球质心，z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极（CTP）方向，x轴指向BIHl984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与x轴和z轴构成右手坐标系。

该椭球的参数为：

长半轴：

a=6378137m；

第一偏心率：

e2=0.00669437999013；

第二偏心率：

e”=0.006739496742227；

扁率：

F=1/298.25223563。

二、1954年北京坐标系（BJ一54）

建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。

该坐标系以格拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系，与苏联1942年建立的以普尔科夫天文台为原点的大地坐标系统相联系，相应的椭球为克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：

长半轴：

a=6378245m；

第一偏心率：

e2=0.00669342162297：

第二偏心率：

e”=0.00673852541468：

扁率：

F=1/298.2。

高程采用1956黄海高程，系以青岛验潮站1950—1956年验潮资料算得的平均海面为零的高程系统。

原点设在青岛市观象山。

该原点以“1956年黄海高程系”计算的高程为72．289米。

该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此存在着一定的缺陷。

三、1980年国家大地坐标系（C一80）

1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，其大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇。

该坐标系是参心坐标系，椭球的短轴z轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，x轴在大地起始子午面内与z轴垂直指向经度零方向；Y轴与z、x轴成右手坐标系。

该坐标系统所采用的地球椭球参数的4个几何和物理参数采用了IAGl975年的推荐值，其椭球的参数为：

长半轴：

a=6378140m；

第一偏心率：

e2=0.006694384999588：

第二偏心率：

e”=0.006739501819473：

扁率：

F=1／298.257223563。

高程采用1985国家高程基准。

由于1956黄海高程系计算基面所依据的青岛验潮站的资料系列观测时间较短等原因（1950年～1956年），中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面，以青岛验潮站1952年～1979年的潮汐观测资料为计算依据，并用精密水准测量接测位于青岛的中华人民共和国水准原点，得出1985年国家高程基准高程和1956年黄海高程的关系为：

1985年国家高程基准高程=1956年黄海高程-0.029m。

1985年国家高程基准已于1987年5月开始启用，1956年黄海高程系同时废止。

四、2000国家大地坐标系

国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。

2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。

采用广义相对论意义下的尺度。

2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为：

长半轴：

a＝6378137m

第一偏心率：

e2=0.00669438002290

第二偏心率：

e”=0.00673949677548

扁率：

f=1/298.257222101

高程仍采用无潮汐系统。

该坐标系目前尚未在地质勘查工作中使用。

§1.2平面直角坐标系统

平面直角坐标系是由地理坐标系统投影而得的，目前国际间普遍采用的一种投影，是横轴墨卡托投影（TransverseMecatorProjection），又称为高斯-克吕格投影（Gauss-KrugerProjection），是地球通过外切“中央经线”橫躺的圆柱体进行投影，在中央经线上，投影面与地球完全密合，因此图形没有变形；由中央经线往東西两侧延伸，地表图形会被逐渐放大，变形也会越来越严重（图1-1）。

为了保持投影精度在可接受范围内，每次只能取中央经线两侧附近地区来投影，因此必须切割为许多投影带，将地球沿南北子午线方向，如切西瓜一般，以6度或3度分带切割为若干带状，再展成平面，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网，投影带中央经线投影后的直线为X轴（纵轴，纬度方向），赤道投影后为Y轴（横轴，经度方向），为了防止经度方向的坐标出现负值，规定每带的中央经线西移500公里，即东伪偏移值为500公里，由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，因此规定在横轴坐标前加上带号，如（5003560,14519660）其中14即为带号，同样所定义的东伪偏移值也需要加上带号，如14带的东伪偏移值为14500000米。

图1-1坐标系统横轴投影示意图

在地质勘查工作中，六度带多用于中小比例尺（1:

25000—1:

10000）测图，带号计算公式为n=L/6（取整）+1（n-带号，L-经度坐标），中央子午线为6n-3；三度带多用于大比例尺（1:

10000以下）测图，带号计算公式为n=L/3（取整）+1，中央子午线为3n。

目前世界各国军用地图所采用的 UTM 坐标系统 （UniversalTransverseMecatorProjectionSystem），也是横轴投影 6 度带的一种，将全球共分为 60 个投影带。

§1.3手持GPS接收机、罗盘的调校

在地质勘查工作中通常用到手持GPS接收机及罗盘等定位工具，工作区域不同，其参数也不同，使用之前是要进行调校的。

一、手持GPS接收机坐标系统校正

由于现在我国民用卫星定位系统尚未健全，地勘工作中使用的手持GPS接收机均使用的是美国卫星信号，用的美国WS-84坐标系，其与我国应用的坐标系统之间存在着约80～100米的误差，因而使用前必须用参数将坐标转换为BJ-54或C-80坐标系，转换后的绝对定位精度可提高到5～10米，可以满足中小比例尺（小于1:

10000）地质测图用。

1、位置格式设定

选择“UserUTMGrid”格式，调整六度带中央子午线，投影比例选1，东西偏差为500000，南北偏差为0。

2、地图基准设定

选择“User”模式输入DX、DY、DZ、DA、DF参数。

其中DA=-108，DF=0.0000005，DX、DY、DZ的确定：

1）在手持式GPS接收机应用的区域内（该区域不宜过大，一般应小于50平方千米），从当地测绘部门收集该区较均匀分布3～5个GPS“B”级网以上已知点的北京BJ-54或西安c-80坐标系统的坐标值（B北纬、L东经、h高程、x高程异常），然后在对应的点位上读取WGS一84坐标系的坐标值（B北纬、L东经、H高程）。

2）将收集到的坐标值根据不同的坐标系转换为空间坐标系的坐标值，计算公式如下：

X＝（N+H）cosBcosL

Y=（N+H）cosBsinL

Z=[N（1-e2）+H]sinB

*注：

X、Y、Z为大地坐标系中的三维直角坐标；N为该点的卯酉圈曲率半径，N＝a/（1-e2sin2B）1/2，H=h+x。

3）利用WGS84坐标系的X、Y、Z值及a、F值减去我国坐标系对应值，得出DX、DY、DZ、da、DF五个参数，平均后做GPS调整参数。

4）参数计算之后必须对其进行验证。

验证的方法是：

将计算出的dX、dY、dZ、da、DF值输入GPS接收机。

首先在应用区域内设定3—5个点的大地坐标值（即经、纬度），将其以“ddd．ddddd”的格式分别标记在GPS手持机中，再将GPS接收机的网格转换为“UserGrid”格式，分别读取已标记点的公里网纵、横坐标值，并与相对应的公里网纵、横坐标理论值（该理论值可以通过高斯投影转换将大地坐标值转换为公里网纵、横坐标值）进行比较，二者相差超过5m时要重新计算或查找出现问题的原因。

内业验证符合要求后在应用区域内选择3～5个已知点进行实测，实测值与已知值相差大于10m时，要重新计算或查找出现问题的原因。

在精度要求不高的异常查证或预～普查阶段，可以采用从工区1:

5万或1:

10万地形图上寻找3～5个三角点量取BJ-54或C-80坐标（根据地形图上标注），再用手持GPS接收机到实地测量三角点的WGS-84坐标，运用上述方法进行校正，以应急操作。

二、罗盘的校正

罗盘是地质工作中使用最广泛的定位工具，其在未调校前读数是以磁子午线为参照的，要通过地图定位，则必须调校成以真子午线为参照定位。

具体方法是：

1、收集工作区1:

5万或1:

10万地形图，其下方有真子午线、座标纵线及磁子午线示意图（图1-2），查找其真子午线与磁子午线夹角。