基于虚拟仿真的腾冲火山地质实习设计与实现.pdf
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1、2023年第4 2 卷第4 期4 0 1 4 0 8 页云南地质CN53-1041/PISSN1004-1885基于虚拟仿真的腾冲火山地质实习设计与实现杨海英,赵志芳,王俊,王博,李广伟,解国爱,曾敏,张瑞丝1(1.云南大学,地球科学学院云南昆明6 50 50 02.南京大学,地球科学与工程学院江苏南京2 10 0 0)摘要:云南腾冲火山国家地质公园是云南大学长期建设的地质认识实习基地,开展火山地质地貌认识和野外工作技能的教学实践。传统的地质认识实习主要通过人眼观测火山地质地貌认知,具一定的时空局限性。本文基于Unity实时3 D互动创作平台,建立以火山地貌三维场景为重点的虚拟仿真教学平台,嵌
2、人了火山地质地貌和地质工具等基础知识介绍,构建了三维场景下地质工具使用互动场景,实现了沉浸式实习体验。为学生掌握专业技能及理解认知火山地质地貌现象提供了有力支撑,取得了良好地认识实习效果。关键词:火山地貌,虚拟仿真,三维场景,地质实习;火山国家地质公园;云南腾冲中图分类号:P511.3;T P3 9 1.9腾冲火山地质认识实习是云南大学于2 0 0 9 年以来一直持续建设、依托以火山作用及地质景观为特色的腾冲火山国家地质公园(以下简称:腾冲火山公园)实习基地开展的地质学野外实习,是云南大学地质学、地理物理学等相关专业必修课程地质认识实习重要内容之一。腾冲火山公园拥有典型独特的火山地貌,包括大空
3、山、小空山等火山机构、曲石玄武岩柱状节理、热海大滚锅等,并广泛分布火成岩,为世界著名的旅游景观。但面向国际化共享及深度实现认知存在以下问题,严重影响了认知实习效果:(1)火山地质地貌现象极具教学科研推广价值,但腾冲地处中国西南边境、邻近中缅边境,道路遥远,独特丰富的火山地质景观难以面向国内外开放实习共享;(2)腾冲火山地质认识实习的观测对象均为倍受保护的珍稀地质旅游资源,如火山石、柱状节理等更是不可再生资源,传统地质实习需要通过常用的地质锤采集岩块、使用放大镜观察岩石成分结构构造等工作方法,无从深度认知火山地质地貌及火成岩成分、结构、构造特征;(3)腾冲地形地貌陡峻,尤其是曲石玄武岩柱状节理组
4、成的坡地坡度高达6 0 以上,充分开展地质认识实习存在困难。加之地质认知学习按教学规律一般安排在暑期开展,此时腾冲地区正值雨季,易发生滚石掉落等威胁。在传统腾冲地质认识实习时间12 天内,通过现场指导教师“教”、学生集中“听”和“练习”方式,很难让几十甚至上百名学生有充分动手使用地质工具,丰富的地质现象、地质体也难以在短时间内全面、反复认知。随着大数据、人工智能和虚拟现实等新兴技术在教学中不断得到应用,传统的教学方式得以改进,实现“以学生为中心”的教学模式探索,促进学生以“听”为主向以“学”为主、以“表象认知为主”向以“系统过程实验探索”为主的转变,极大提高了教学效果。基于虚拟仿真技术,多个野
5、外地质实习教学系统已先后搭建【】,如北京周口店野外地质仿真模拟实习教学实验系统 2 、实景虚拟技术还原了工程地质现场环境,探索了虚拟实践相关环节 3 、先进的虚拟仪器和虚拟现实技术,构建了地热地质虚拟实验室 4 。另外,能源地质、海洋地质、野外地质、油田地质等课程相继展开了在线虚拟收稿日期:2 0 2 3-11-8资助项目:“西南地区大地学示范性跨校联合实习基地建设”、“面向地学多学科交叉融合的遥感课程群教学团队”、云南省研究生优质课程项目“高等岩石学”(编号:SJYZKC20211108);云南省科技厅科技计划项目:云南省地方本科高校(部分)基础研究联合专项项目“基于昼夜热红外遥感的地热异常
6、定量预测”(编号:2 0 2 10 1BA070001-145)作者简介:杨海英(19 9 2),女,云南大理市人,副教授,主要从事地质学、沉积矿床教学科研工作。文献标识码:A文章编号:10 0 4-18 8 5(2 0 2 3)4-4 0 1-8402仿真教学 5-8 1。增加了教学方法多样性、培养了学生综合能力。鉴于此,针对腾冲火山公园传统地质认识实习中存在的不足,本文借助腾冲火山公园的旅游吸引力,依托虚拟仿真平台,搭建了腾冲地区火山地貌地质认识实习虚拟仿真实验教学平台,复原了腾冲火山地貌(主要包括大空山、小空山、曲石柱状节理)三维虚拟仿真场景,优化设计了虚拟地质工具使用及认知实验环节,拓
7、展了多维度多角度火山地貌认知,增强了学生深度认知腾冲火山地质地貌的能力,并引导学生主动实验操作,锻炼了专业人才的创新能力,为综合地学人才培养提供了重要支撑。1腾冲火山地质地貌概况云南腾冲火山公园位于阿尔卑斯-喜马拉雅特提斯构造带东段,三江(金沙江、澜沧江、怒江)构造带腾冲变质地体内。包括火山风景区和热海风景区,主要分布大空山、小空山等火山锥、火山口、熔岩台地、曲石玄武岩柱状节理等著名地质遗迹(图1)。云南地质42卷20龙CoS产金沙江.SToS腾冲英帕尔100km100图丨腾冲火山地质公园地理位置图(a)、构造位置图(b)(据姜朝松 、Tapponnieret al【10 、Ba i e t
8、a l.,修改)以及大空山、小空山和曲石地区构造地质图(c)(据云南省地质局(19 8 3)Fig 1.The Geographical Location Map(a)and Structural Location Map(b)of Tengchong Volcano Geological Park,as Wellas The Structural Geological Map of Dakongshan,Xiaokongshan and Qushi Area(c)a9830东b9835图2 大空山、小空山火山锥近景(a)及大空山火山口坑底(b)照片Fig 2.Photos of Close
9、Shots of Dakongshan and Xiaokongshan Volcanic Cones(a)and Dakongshan Crater Floor(b)(1)大空山:火山口保存完好,以元挺、直刺苍穹而得名,海拔2 0 8 0 m,火山锥高10 0 m,山体底部直径6 50 m720m,火山口直径约2 0 0 m,深约50 m,为截顶圆锥状火山锥(图2 a)。火山口岩垣完第4 期整、无裂隙,顶部较平坦且伴有多个小火山口遗迹(图2 b)。大空山火山形成于第四纪更新世中晚期,属腾冲火山活动第三期晚期产物。经历两次主要火山活动,第一次距今约3 6 万年前火山喷溢活动,第二次距今约2 5
10、万年前爆裂式喷发活动。火山锥由橄榄玄武岩和火山碎屑岩组成,常见的火山碎屑岩为凝灰岩(图3 a)和火山弹(图3 b)。a杨海等英,基于虚拟仿真的腾冲火山地质实习设计与实现403bCd图3 腾冲国家地质公园火山凝灰岩(a)、火山弹(b))、浮石(c)和熔岩(d)标本Fig 3.Specimens of Volcanic Tuff(a),Volcanic Bomb(b),Pumice(c),and Lava(d)from Tengchong National Geopark(2)小空山:位于大空山南侧直线距离50 0 m6 0 0 m,二者相伴,均属截顶圆锥状火山(图2 a、图4)。小空山是平顶圆锥
11、形火山,火山口处海拔约19 6 0 m,底部直径约3 50 m,火山口坑深6 0 m。火山坑最底部保留了原始的熔岩湖地形,在锥体东侧发育后期岩浆侵位形成的半月形熔岩穹丘,其直径约200m,高50 m。主要经历两次火山喷发,第一次喷发距今约2 0 万年,没能堆积成很高的锥体;最近一次爆发后山顶留下宽大的火山口,形如锅状。火山机构保存完好,火山锥顶部平坦,锥体由火山碎屑岩、火山灰、火山弹等组成,主要的岩石为火山浮石(图3 c和熔岩(图3 d)。90黑空山大空山小空山图4 腾冲大空山、小空山、黑空山地貌景观Fig 4.Landscape of Dakongshan,Xiaokongshan,and
12、Heikongshanin Tengchong(3)曲石柱状节理:是火山岩的一种特有景观,柱状节理的形成过程与火山熔岩冷凝作用有关,经地表剥蚀裸露形成地质景观。玄武岩柱状节理形成机制的主导学说是“冷却收缩说”12 ,该学说认为玄武岩流中柱状节理的理想生成方式是岩流冷却过程中,岩浆喷溢出地表冷凝结晶,由于其成分均匀,地形平坦,岩浆缓慢冷却形成半凝固状,并围绕一些大致成等距离排列的凝结中心开始收缩,产生垂直于收缩方向的张力裂隙,从而形成垂直于冷凝面的裂隙面(张节理),体积收缩引起岩石物质向固404定的内部中心聚集,致使岩石裂开,形成多面柱体,把岩石分割成多边形柱状体,是力学上的平衡关系 13 14
13、 1。“假说”已有模拟实验很好的验证,三个相邻的六边形之间为最稳定的12 0 夹角,但由于玄武岩成分和冷却速度的差异性,导致自然界往往不是理想的六边形,常见五边形、四边形等。图5。曲石柱状节理位于腾冲县曲石乡龙川江畔,出露面积约2 km,由火山间断性多次喷发、岩浆冷凝形成柱状节理,经龙川江断裂错断、剥露、风化剥蚀、河流切割,再在流水的冲刷、切割形成特有景观。节理大约形成于3 万年前,是我国迄今为止发现的规模最大、保存最完整、年代最新的柱状节理,腾冲当地人把柱状节理称为“神柱”。图5。a云南地质b42卷C图5腾冲曲石玄武岩柱状节理野外照片(a、b)及柱状节理手标本特征(c)Fig 5.Field
14、 Photos of Basalt Columnar Joints in Qushi Area,Tengchong(a,b)and Characteristics of HandSpecimens of Columnar Joints(c)2土地质工具简介(1)地质罗盘:又称“袖珍经纬仪”。主要包括磁针、水平仪和倾斜仪。结构上可分为底盘、外壳和上盖(图6 a),主要仪器均固定在底盘上,三者用合页联结成整体。用于识别方向、确定位置、测量地质体产状及草测地形图等(图6 b),具体使用方法如下:ab909014短腊准器2反光3盟礼长准器9猫准钻板10长水液漆Fig 6.Composition Str
15、ucture(a)and Measurement Principle(b)of Compass方位的测量:将对物板指向测物,进行瞄准,使目的物、对物板小孔、盖玻璃上的细丝、对目板小孔连在一条线上,同时使圆水准器水泡居中,指针静止时北针所指度数即为所测目的物的方位角。产状的测量:岩层产状要素包括岩层走向、倾向和倾角(图6 b)。a.测量岩层走向:罗盘的长边(与罗盘上标有N-S相平行的边)的一条棱与层面紧贴,然后缓慢转动罗盘,使圆水准器气泡居中。指针停止摆动时,指针(南北指针均可)所指的读数即为岩层之走向;b测量岩层倾向:将罗盘南端(标有S)的一条棱紧靠岩层面,这时长瞄准器指向与岩层的倾向一致。转
16、动罗盘,使圆水准器的气泡居中。当指针不摆动时,指北针所指的读数即为岩层之倾向;c测量岩层倾角:当测量完倾向后,不要让罗盘离开岩层面,马上把罗盘转9 0(即罗盘直立),使罗盘的长边紧靠岩层面,并与真倾斜线重倾向1312+指针制动器5顶针图6 罗盘组成结构(a)及其测量原理(b)倾角6罐水准器7指南针13折北针14水平刻度型第4 期合。转动罗盘底面的手把,使测斜器上的水准器(长水准器)气泡居中,这时测斜器上的游标所指半圆刻度盘的读数即为倾角。在测量地层产状时,一般只需测量地层倾向和倾角,而走向可通过倾向数字加或减9 0 得到。测量倾向和倾角时,必须先测倾向,后测倾角。地形坡度测量:在坡顶、坡底或斜
17、坡上各站一人,或者各立一与人等高的标杆;站在坡底的人把罗盘直立,使长瞄准器指向测量者,并转动反光镜,以观察到长水准器为准。视线从短瞄准器的小孔或尖通过,经反光镜的椭圆孔,直达标杆的顶端或人的头顶。调整罗盘底面的手把,使长水准器气泡居中(从反光镜里查看),测斜器上游标所指半圆刻度盘读数即为坡度角。(2)地质锤:地质锤是地质工作的基本工具之一,选用优质钢材或钢头木柄制成。地质锤头一端呈长方形或正方形,另一端呈尖棱形或扁楔形。使用时,一般用方头一端敲击岩石,使之破碎成块;用扁楔形一端沿岩层层面敲击,进行岩层剥离。此外,在完整的岩石露头上,用扁楔形一端为楔,用另一把地质锤敲击,可在岩石表面开凿成槽;也
18、可利用扁楔形一端进行浅处挖掘,除去表面风化物。在野外,地质锤也常作为拍照时的比例尺。(3)放大镜:放大镜是观察物体微小细节的简单目视光学器件,是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。视角愈大,像也愈大,愈能分辨物体的细节。放大镜的使用方法包括:放大镜靠近观察的物体,观察对象不动,人眼与观察对象之间的距离不变,然后移动放大镜,在物体和人眼之间来回移动,直到物体细节清晰。放大镜尽量靠近眼睛,放大镜不动,移动人眼的位置,直到物体细节清晰。如“人眼前移”、“人眼后移”。放大镜靠近观察的物体,观察对象不动,人眼与观察对象之间的距离不变,然后手持移动放大镜,在物体和人眼之间来回移动,直到物体细节清晰。3三维
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- 基于 虚拟 仿真 腾冲 火山 地质 实习 设计 实现
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