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斷層?斷裂?節(jié)理?看完這篇文章,不再傻傻分不清

本文選自《普通地質(zhì)學(xué)》(第三版·彩色版)舒良樹 編
以下文字和圖片均摘自第八章

斷裂是巖石的破裂,是巖石的連續(xù)性受到破壞的表現(xiàn)。當(dāng)作用力的強(qiáng)度超過巖石的強(qiáng)度時(shí),巖石就要發(fā)生斷裂。斷裂是構(gòu)造變形的另一直觀反映。

斷裂包括斷層與節(jié)理兩類:節(jié)理內(nèi)容稍后介紹。巖石破裂,并且沿破裂面兩側(cè)的巖塊有明顯相對滑動(dòng)移位者,稱為斷層。

斷層的幾何要素

包括斷層面、斷層盤、斷層滑距等(圖8-16)。

斷層面  分隔兩個(gè)巖塊并使其發(fā)生相對滑動(dòng)的面。斷層面有的平坦光滑,有的粗糙,有的略呈波狀起伏。斷層面的走向、傾向與傾角,稱為斷層面的產(chǎn)狀要素。

圖8-16 斷層的要素

ABCDE—斷層面;1,2—斷層盤:1 為下盤,2 為上盤(圖中為下降盤);AA′—滑距

斷層盤  被斷開的兩部分巖塊,其中位于斷層面之上的,稱為上盤巖塊;位于斷層面以下的,稱為下盤巖塊。相對上升者稱為上升盤,相對下降者稱為下降盤。上盤和下盤都可以是上升盤或下降盤。如果斷層面直立,就分不出上、下盤。如果巖塊做水平滑動(dòng),就分不了上升盤和下降盤。

斷層滑距  斷層兩盤相對移動(dòng)的距離。它有不同的度量方法。斷層兩盤相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)(在斷層面上的點(diǎn),未斷裂前為同一點(diǎn)),因斷裂而移動(dòng),其兩點(diǎn)的直線距離,稱為滑距,代表真位移,如圖8-16中的AA′。它可以分解為沿水平方向的真位移及沿垂直方向的真位移。斷層兩盤中相當(dāng)層(未斷裂前為同一層)因斷裂而在剖面圖或平面圖中表現(xiàn)出來的移動(dòng)距離,稱為斷距或斷層落差,代表視位移。

斷層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀并不完全相同,斷層形成后受外力侵蝕的狀況比較復(fù)雜,所以視位移不一定等于真位移。

斷 層 命 名

(1)按斷層兩盤相對滑動(dòng)方向,可分為:

正斷層  上盤向下滑動(dòng),兩側(cè)相當(dāng)?shù)膸r層相互分離(圖8-17B,圖8-18)。

逆斷層  上盤向上滑動(dòng),可掩覆于下盤之上(如圖8-17C,圖8-19)。若逆斷層中斷層面傾斜平緩,傾角<25°,則稱為逆掩斷層(圖8-20)。

圖8-17  三種斷層示意圖

走滑斷層  也稱平移斷層。被斷的巖塊沿陡立的斷層面做水平滑動(dòng)(圖8-17D)。根據(jù)相對滑動(dòng)方向,可分為左旋與右旋兩類:觀察者位于斷層一側(cè),對側(cè)向左滑動(dòng)者稱為左旋,對側(cè)向右滑動(dòng)者稱為右旋。

斷層如兼有兩種滑動(dòng)性質(zhì),可復(fù)合命名,如走滑-逆斷層,逆-走滑斷層。前者表示以逆斷層為主兼有走滑斷層性質(zhì),后者表示以走滑斷層為主兼有逆斷層性質(zhì)。

(2)根據(jù)斷層走向與被斷巖層走向(或區(qū)域性巖層走向)的幾何位置關(guān)系,可分為:

走向斷層  斷層走向與巖層走向平行。若斷層走向與區(qū)域性巖層走向平行,則稱縱斷層。

傾向斷層  斷層走向與巖層走向垂直。若斷層走向與區(qū)域性巖層走向垂直,則稱橫斷層。

斜向斷層  斷層走向與巖層走向斜交。若斷層走向與區(qū)域性巖層走向斜交,則稱斜斷層。

圖8-18 正斷層(南京大石碑)(舒良樹攝)

圖8-19 逆斷層(新疆哈密三道嶺)(舒良樹攝)

(3)根據(jù)斷層的組合形式,可分為地壘與地塹(圖8-21):

地壘  是傾斜面相背的兩個(gè)正斷層所夾持的共同下盤(上升盤)巖塊,常為山嶺。地塹是傾斜面相向的兩個(gè)正斷層所夾持的共同上盤(下降盤)巖塊,常為谷地。例如,江西的廬山是地壘;山西的汾河及渭河河谷是地塹,稱汾渭地塹。國外著名的有東非地塹、萊茵河谷地塹等。

圖8-20 逆掩斷層

圖8-21 地壘與地塹

(4)特殊類型的斷層

低角度正斷層  原先認(rèn)為正斷層必須沿高角度傾斜面(>60°)才能形成。然而,在北美西部科迪勒拉山東側(cè)的盆嶺省,發(fā)現(xiàn)廣泛存在大型低角度正斷層(Wernicke, 1981)。隨后又在歐洲、亞洲許多地區(qū)的巖層中發(fā)現(xiàn)大型低角度正斷層。后來研究證明這是一種普遍的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。但是,低角度正斷層的形成無法用經(jīng)典的破裂理論來解釋。國際上曾發(fā)表過不少專家的研究成果,試圖解釋其成因機(jī)制,但都存在明顯缺陷,因此成為全球構(gòu)造地質(zhì)學(xué)界的一大困惑。我國學(xué)者鄭亞東經(jīng)過十多年研究,提出了最大有效力矩準(zhǔn)則的成因解釋,定義其最大力矩位于主壓應(yīng)力軸的55°方向上,即最大壓應(yīng)力對著共軛剪切夾角的鈍角方向(Zheng et al., 2004)。該準(zhǔn)則可以解釋大型低角度正斷層和高角度逆斷層的形成,并得到野外證據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)。

斷層的規(guī)模

斷層的規(guī)?;蛞云淝懈畹纳疃?,或以其延展的長度,或以其兩側(cè)巖塊位移的距離為量度標(biāo)準(zhǔn)。三者之間常有密切關(guān)系。一般來說,斷層切割愈深者,其延展愈長,并且位移量愈大。

斷層的切割深度一般由幾米到幾千米,最深可切割到地幔頂部。斷層長度一般由幾米到數(shù)萬米,最長達(dá)千余千米,甚至更長。巖塊位移幅度一般由幾米到數(shù)萬米,最大可大于數(shù)十萬米。如美國西部圣安德烈斯斷層右旋走滑量達(dá)800km。切割深(達(dá)地殼底層或更深)、延伸遠(yuǎn)(達(dá)數(shù)萬米以上)的斷層,稱為深斷裂。

在逆掩斷層中,其上盤位移距離達(dá)數(shù)千米以上者,稱為推覆體(nappe)。發(fā)育大規(guī)模逆掩斷層的構(gòu)造類型,稱為推覆構(gòu)造。

判識(shí)斷層的存在及其形成年代

(1)擦痕、鏡面和階步 斷層面上平行而密集的溝紋,稱為擦痕(圖8-22);平滑而光亮的表面,稱為鏡面。它們都是斷層兩側(cè)巖塊滑動(dòng)摩擦所留下的痕跡。斷層面上往往還有垂直于擦痕方向的小陡坎,其陡坡與緩坡連續(xù)過渡者,稱為階步(圖8-23)。如果陡坡與緩坡不連續(xù),其間有與緩坡方向大致平行的裂縫(圖8-24A),或有呈較大交角的裂縫隔開者(圖8-24B),稱為反階步。它們都是巖塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻力而產(chǎn)生的。擦痕、鏡面、階步、反階步均是斷層滑動(dòng)的證據(jù)。

圖8-22 擦痕

  

圖8-23 階步及其指示的斷層動(dòng)向

圖8-24 反階步的兩種類型及其指示的斷層動(dòng)向

擦痕的方向平行于巖塊的運(yùn)動(dòng)方向。階步中從緩坡到陡坡的方向(陡坡的傾向)指示上盤巖塊的運(yùn)動(dòng)方向,反階步中陡坡的傾斜方向指示本盤巖塊的運(yùn)動(dòng)方向。

(2)拖曳褶皺  斷層兩側(cè)巖層受斷層錯(cuò)動(dòng)影響所發(fā)生的變薄和變彎曲。因斷層性質(zhì)和滑動(dòng)方向不同,拖曳褶皺具有不同形態(tài),根據(jù)其形態(tài)能判斷斷層的運(yùn)動(dòng)方向(圖8-25)

圖8-25 拖曳褶皺的形態(tài)與斷層滑動(dòng)的關(guān)系(剖面)

(3)斷層角礫巖與磨礫巖  斷層兩側(cè)的巖石在斷裂時(shí)被破碎,碎塊經(jīng)膠結(jié)而成的巖石稱為斷層角礫巖與磨礫巖。前者碎塊為棱角狀(圖8-26A),其大小不一,常見于正斷層中;后者碎塊圓滑(圖8-26B),常呈拉長狀、透鏡狀,乃至渾圓狀,顯示它們遭受過旋轉(zhuǎn)摩擦與滾動(dòng),常見于逆斷層或平移斷層。因碎塊來自斷層兩側(cè)巖石,故仔細(xì)追索其中某種成分碎塊的分布,有助于推斷斷層的動(dòng)向。

圖8-26 斷層角礫巖(A)與斷層磨礫巖(B)

(4)斷層泥  斷層兩側(cè)巖石因斷裂作用,先破碎后研磨而形成的泥狀物質(zhì)。常與斷層磨礫巖共生。

(5)密集節(jié)理  斷層面的發(fā)育常受先成節(jié)理的控制,所以斷層面兩側(cè)往往有先存節(jié)理。它在近斷層處密集,離開斷層逐漸變稀以致消失。這種節(jié)理的方向大致與斷層面平行。

(6)地質(zhì)體錯(cuò)斷  巖層、礦層等地質(zhì)體沿走向突然錯(cuò)斷,以致不同地質(zhì)體或同一地質(zhì)體的不同部分相互接觸。此種錯(cuò)動(dòng)關(guān)系可用以辨認(rèn)傾滑斷層或走滑斷層的相對滑動(dòng)方向。

(7)地層的重復(fù)與缺失  走向斷層能破壞地層的層序,造成地面上某些地層重復(fù)出現(xiàn)或缺失(表8-1)。走向斷層造成的地層重復(fù)是非對稱式重復(fù),其表現(xiàn)形式很多。

表8-1 由斷層作用引起的地層重復(fù)與缺失

圖8-27 是正斷層引起地層重復(fù)與缺失的兩種形式。

圖8-27  正斷層引起的地層重復(fù)和缺失的兩種情況

(8)地形證據(jù)  由斷層兩側(cè)巖塊的差異性升降而形成的陡崖,稱為斷層崖(圖8-28)。如正斷層橫切一系列平行的山脊,其上升盤的山脊便展現(xiàn)出三角形的橫切面,稱為斷層三角面(圖8-29)。兩個(gè)斷層三角面之間的溝谷谷底常明顯高出上盤斷塊所構(gòu)成的地面,該溝谷稱為斷層懸谷。斷層崖、斷層三角面以及斷層懸谷是斷層在晚近時(shí)期活動(dòng)的證據(jù),屬于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。

(9)泉水出露及礦化現(xiàn)象  斷層是地下水或礦液的通道,故沿?cái)鄬友由斓貛СD芤姷揭幌盗腥雎痘虻V化現(xiàn)象。

圖8-28 斷層崖

圖8-29  斷層三角面山(新疆庫魯克塔格)(舒良樹攝)

斷層發(fā)生年代的確定

其基本原則是:斷層發(fā)生的年代晚于被斷層切割的最新地層的年代,早于覆蓋在斷層之上未受其切割的最老地層的年代。如圖8-30 所示,斷層的形成年代應(yīng)為二疊紀(jì)與三疊紀(jì)之間。

圖8-30 斷層與地層的切割關(guān)系

指示斷層形成年代在二疊紀(jì)(P)與三疊紀(jì)(T) 之交

研究斷層的意義

研究斷層對找礦、找地下水、找油氣以及水利工程建設(shè)都非常重要。因?yàn)閿鄬邮堑V液的通道,控制了礦體的形成和賦存部位;斷層也可以破壞已形成的礦體,只有根據(jù)斷層性質(zhì)才能推斷礦體的延續(xù)情況。斷層也是地下水循環(huán)的通道,在斷層帶中常常有豐富的地下水賦存。在許多地區(qū)找水的成敗就取決于是否能夠找到晚近時(shí)期活動(dòng)的斷層。斷層是油氣運(yùn)移富集的重要通道,勘探油氣必須查明斷裂構(gòu)造。進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),必須對地基的斷層情況進(jìn)行詳細(xì)了解,以確定較優(yōu)的工程基地,保證工程的穩(wěn)固性。

節(jié)   理

1. 節(jié)理的分布

在地質(zhì)作用下,巖塊發(fā)生一系列規(guī)則的破裂, 但破裂面兩側(cè)巖塊沒有發(fā)生明顯的位移,此破裂稱為節(jié)理。節(jié)理的裂開面稱為節(jié)理面。其走向與巖層走向可以平行、垂直或斜交,節(jié)理面的傾向與巖層的傾向可以一致或相反。節(jié)理的縫隙可以是空的,也可以被礦脈或巖脈(如方解石脈)所充填。

除了構(gòu)造作用之外,巖漿或熔巖冷凝收縮、沉積作用、風(fēng)化作用、塊體運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生節(jié)理。因此,節(jié)理是比斷層更為普遍、更加發(fā)育的變形構(gòu)造。

節(jié)理對巖石的風(fēng)化及剝蝕有重要的控制作用。節(jié)理密集的巖石易于風(fēng)化,在適宜的條件下可形成奇特的地形,造就優(yōu)美的風(fēng)景。如我國著名風(fēng)景區(qū)黃山,不少奇觀麗景就是通過花崗巖中密集且多方向的節(jié)理構(gòu)造演化而來的。密集的節(jié)理加速了花崗巖的風(fēng)化、剝蝕、崩落進(jìn)程,形成了千姿百態(tài)的地貌景觀。很多河谷是沿著密集的節(jié)理帶發(fā)展起來的。山區(qū)河谷的兩側(cè),常沿節(jié)理面崩落而形成峭壁。節(jié)理也是地下水循環(huán)的通道和礦體賦存的空間。節(jié)理的切割削弱了巖石的整體性和堅(jiān)固性,對工程和水利建設(shè)會(huì)有重要影響。

2. 節(jié)理的分類

(1)按成因可分為原生節(jié)理和次生節(jié)理。

原生節(jié)理  是產(chǎn)生在成巖過程中的節(jié)理。如沉積成巖過程中因失水收縮而生成的節(jié)理;巖漿冷凝收縮而生成的節(jié)理(如玄武巖的柱狀節(jié)理),等等。

次生節(jié)理  包括構(gòu)造節(jié)理和非構(gòu)造節(jié)理。構(gòu)造節(jié)理由內(nèi)動(dòng)力作用所形成,分布極為廣泛。非構(gòu)造節(jié)理由外動(dòng)力作用所形成,如釋重節(jié)理、塌陷節(jié)理等。次生節(jié)理多分布在地表或淺部,對地下水和工程建設(shè)影響較大。

(2)按力學(xué)性質(zhì),可分為張節(jié)理、剪節(jié)理。

張節(jié)理  是在垂直于主張應(yīng)力方向上發(fā)生張裂而形成的。張節(jié)理面一般不平直,裂面較粗糙,裂縫較寬,常被巖石或礦物脈充填(圖8-31)。

剪節(jié)理  是由剪切作用而形成的。剪節(jié)理面一般平直光滑,裂縫細(xì)小,延伸穩(wěn)定(圖8-32)。剪節(jié)理多成群出現(xiàn),構(gòu)成平行排列或雁行排列的節(jié)理組。

圖8-31 張節(jié)理(安徽黃山,蓮花峰)(舒良樹攝)

圖8-32 剪節(jié)理(江蘇蘇州,虎丘公園)(舒良樹攝)

在應(yīng)力作用下,沿著共軛剪切面的方向會(huì)形成兩組交叉的剪節(jié)理,稱共軛節(jié)理或稱“X”節(jié)理。兩組剪節(jié)理互相交切,常將巖石切割成一系列的菱形方塊。追蹤兩組共軛剪節(jié)理而呈鋸齒狀,圖8-31顯示的就是一追蹤張節(jié)理。蘇州虎丘公園內(nèi)一條小溪就是沿追蹤張節(jié)理發(fā)育的。

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