地质知识科普|收藏!地质构造类型及典型图片分析

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(geologic body)或地壳中的岩块受到应力作用造成永久变形的产物。地质体泛指天然的岩石块体,而不论其规模大小、形状、内部结构和成因。地质体在地面上直接露出部分称为露头(outcrop)。露头上往往赋存有地质构造的一些信息,因而成为地质工作者在野外调查研究的重要对象。 在应力作用下,地质体有的发生空间位置的变化(变位),如平移和平稳的升降;有的出现形体改变(形变和体变)和方位扭转。这些变化后的产物统称为地质构造,常见的地质构造有水平构造(horizontal structure)、倾斜构造(dipping structure)、褶皱(fold)、断裂(fracture)以及岩浆岩作用产生的构造等。

一、地质构造空间位置的测定为了研究地质构造,首先要确定它的空间位置,也就是确定地质构造的产状。 组成地壳的岩石从总体上看,岩浆岩占绝大部分,其次是变质岩,沉积岩仅占地壳岩石总量的5%左右。但从地壳表层(0-3km)的岩石看,具层状构造的沉积岩和火山岩超过岩石总量的80%。地质构造的各种类型在层状岩石中发育最好,表现得最清楚。下面着重介绍岩层产状的测定方法。

(一)岩层的产状(attitude of stratum)岩层的产状即岩层在空间的位置,以其层面在三维空间中的延伸方向和与大地水准面(水平面)的交角关系来确定,即用层面的走向、倾向和倾角三个变量来度量。这三个变量称为岩层产状三要素。

1.走向(strike) 层面与水平面相交所得的直线称走向线,走向线两端指示的方向即是岩层的走向。它有两个方向(二者相差180°)。走向表示岩层在空间的延长方向。

2.倾向(dip) 在层面上与走向线垂直并沿斜面向下所引的直线为真倾斜线,此线在水平面的投影线为真倾向线,真倾向线指示的方向是岩层的真倾向,简称倾向。倾向只有一个,表示岩层向下倾斜的方位。层面上与走向斜交的直线均为视倾斜线,其在水平面上的投影均为视倾向线,其方向均为视倾向。

3.倾角(dip angle) 层面上真倾斜线与真倾向线的夹角为岩层的真倾角,简称倾角。视倾斜线与其在水平面上投影线的夹角为视倾角。所有的视倾角均小于真倾角。 岩层层面的产状须在野外的岩石露头上用地质罗盘直接测量。所测量的层面应具有代表性,即其能代表露头上显现的层面总的方位。测量数据立即记录在野外地质记录本上,或在掌上电脑上作技术处理。

(二)岩层厚度(thickness of stratum)的测定岩层是具有三维空间的板状地质体。为了真正确定岩层或地质构造的空间位置,还应同时实测岩层的厚度。岩层的厚度是指同一岩层从顶面(superface)到底面(subface)的距离。测量线必须同时垂直于顶面和底面,才能量得岩层的真厚度。若测量线与顶面和底面斜交,测量得的是假厚度。显然,假厚度恒大于真厚度。表示露头上岩层出露宽度(假厚度)与真厚度的关系。 岩层呈水平产出时,没有倾向,倾角为零,其走向可以是任意方向。它的空间位置受岩层厚度控制。 似层状地质体(如岩脉、岩饼和面状分布的火山岩等)的产状,可以测量其延展面的走向、倾向、倾角和平均厚度来确定其在空间的位置。

“V”字形法则是指当不同产状的岩层分布于不同坡度及坡向的地形区时,如何根据地层出露线有规律弯曲的现象判断地层产状的法则。当地层倾向与地形坡向相反时,地层出露线弯曲方向与地形线相同,但地层出露线弯曲程度小于地形线,称“相反相同”。当地层倾向与地形坡向一致、地层倾角大于地形坡度角时,地层出露线弯曲方向与地形线弯曲方向相反,称“相同相反”;当地层倾向与地形坡向一致、地层倾角小于地形坡度时,地层出露线弯曲方向与地形线一致,但地层出露线弯曲程度大于地形线,称“相同相同”。利用V字形法则,不仅可以在地形地质图上间接“读”出研究区岩层的空间展布特征,也可以在野外研究中,直接根据岩层出露线的弯曲特征,分析岩层向地下延伸的规律。

二、水平构造大部分沉积岩是在海洋盆地和湖泊盆地中形成的,除陡岸和岛屿边缘的沉积物形成倾斜层理(bedding)外,海相和湖相沉积岩具有原始水平产状。大面积覆盖的玄武质熔岩和平坦地面上堆积的凝灰岩常具有近水平的产状。这些岩层在平稳的上升运动作用下,仍保持其水平产状,这种构造称为水平构造。水平构造在地貌上表现为,沟谷底部出露老的岩层;顺坡向上岩层逐渐变新;山峰顶为较新的岩层;在不同的沟谷坡上,只要高程相同,出露的岩层必定是同一时代的相当岩层。

三、倾斜构造岩层层面在较大范围内向同一个方向倾斜、倾向和倾角变化不大(无突变)的构造称为倾斜构造。原始水平产状的岩层受到差异升降运动的改造,原始倾斜岩层被抬升到地表,都可以成为倾斜构造;巨型褶皱的一翼或大断层的一盘,也可能表现为倾斜构造。倾斜岩层出露地面的表现与水平构造不同。当沟谷走向与岩层走向相交时,从沟口向沟头出露的岩层可能由新到老(岩层向沟口倾斜),也可能由老到新(岩层向沟头倾斜)。此外,最高山峰上出露的不一定是最新的岩层,最低谷底上出露的不一定是最老的岩层。 岩层的顶面或底面常保留着成岩过程中的某些标志,如泥裂、波痕、雹痕、残根等。岩层形成以后受到构造运动而变位、变形,若顶面仍然在上,底面在下,层序是下老上新,称为正常层序(normal succesion)。当顶面在下,底面在上时,表明岩层倒转了,层序是下新上老,称为倒转层序(reversed succesion)。在野外的露头上常根据岩层顶面或底面特征和成岩过程中的特殊标志来判定岩层的层序。如层面上的泥裂,正常位置是裂口上宽下尖。若层序倒转,则裂口朝下,尖端相上。

(一)褶皱的基本形态褶皱是岩层在应力作用下产生连续弯曲的塑性变形(plastic deformation)产物,岩层的连续完整性没有破坏。褶皱的基本类型有两种:背斜(anticline)和向斜(syncline)。其规模有大有小,小的须用显微镜观察,大的可宽达几千米,延长达几十千米。

2.向斜 岩层向下弯曲,中心部位岩层较新,两侧岩层依次变老。若褶皱的岩层上升到地表而未受到剥蚀作用时,则背斜为高地,向斜为低地,地面上仅见到时代最新的岩层。褶皱岩层遭到强烈风化剥蚀后,地面的起伏主要取决于岩石抗风化剥蚀的能力。若褶皱岩层为同一种岩性或强度相近,由于背斜核部断裂较向斜核部发育,背斜核部很可能成为低地或谷地,向斜核部反而形成高地或山梁。

3.转折端(hinge zone of fold) 指褶皱从一翼向另一翼过渡的弯曲部分。

4.枢纽(hinge of fold) 指同一褶皱面上曲率最大点的连线。

(三)褶皱的分类1.根据轴面和两翼产状的分类 根据褶皱轴面和两翼产状可将褶皱分为直立褶皱(upright fold)、斜歪褶皱(inclined fold)、倒转褶皱(overturned fold)、平卧褶皱(recumbend fold)和翻卷褶皱(facing down fold)(图12-13)。其中倒转褶皱是其一翼地层的层序已发生了倒转;平卧褶皱的轴面近于水平;翻卷褶皱是早期褶皱的轴面再发生弯曲的褶皱。

图12-13 根据轴面和两翼产状分类的几种褶皱 a-直立褶皱;b-斜歪褶皱;c-倒转褶皱;d-平卧褶皱;e-翻卷褶皱

2.根据转折端形态的分类 图12-14画出了5种褶皱的立体图。其中圆弧褶皱(arcual fold)的转折端成圆弧状;尖棱褶皱(chevron fold)两翼较平直,转折端呈尖角状;箱状褶皱(bod fold)的转折端宽阔平直,两翼陡立;扇形褶皱(fan fold)的两翼均向核部倾斜,因而两翼岩层新老层序倒置。挠曲(flexure)出现在褶皱不发育的缓倾斜岩层中,其局部地段出现台阶式弯曲,有些学者称其为膝折(kink)。

3.根据褶皱平面形态的分类 根据褶皱在水平面上展布的长度与宽度之比,可划分为线状褶皱(linear fold),其长宽比大于10:1;短轴褶皱(brachyfold),其长宽比在10:1至3:1之间;等轴褶皱,其长宽比小于3:1。背斜式等轴褶皱常称为穹隆(dome),向斜式等轴褶皱常称为构造盆地(structural basin)。

图12-14 根据转折端形态分类的几种褶皱 a-圆弧褶皱;b-尖棱褶皱;c-箱状褶皱;d-扇形褶皱;e-挠曲

五、断裂(fracture)断裂是地质体受力发生破裂的变形,小的断裂须在显微镜下才能观察到,大的断裂可延长几千千米。

(一)节理(joint)节理是一种没有明显位移的脆性断裂(brittle fracture),它是地壳表层的岩石中发育最广泛的断裂构造。在岩石露头上相间几米至十几米都可以见到一条节理。有些地段节理的密度可达每米10条以上,岩石显得非常破碎。自地表向下随深度加大,节理的密度逐渐降低。但即使在深入地下2km的采矿洞内的岩壁上仍然可以见到节理。

节理的成因有多种。在岩石形成过程中产生的节理称为原生节理(primary joint),如喷出岩在冷凝固结过程中产生的柱状节理(prismatic joint)(图12-15)。成岩后形成的节理为次生节理(secondary joint)。岩石经风化作用而产生的节理即是次生节理,又称风化节理,属非构造节理。由构造运动产生的节理称为构造节理(tectonic joint),属于次生节理。构造节理按其力学性质分为剪节理(shear joint)和张节理(tension joint)。这两种节理在岩石中广泛分布,规模可大可小,常成为地下水运移的通道,有些甚至是矿液的通道和成矿场所。例如著名的赣南钨矿的脉状矿体就是矿液充填在张节理中形成的。在工程地质上对岩石节理的研究极为重要,相互平行的两组节理交叉共存可将岩石切成菱形块体(图12-16)。节理的发育程度是工程地基强度的重要影响因素。

(二)断层断层是具有显著位移的断裂。断层在地壳中广泛发育,但其分布不均匀。多数断层发育在地壳上层,少数断层切入地壳下层,有的甚至切入岩石圈中下层。地球上最大的断层是作为板块边界的断层,如洋脊轴部大断层和板块边缘的走向滑动断层。

(1)断层面(fault surface) 断层面是指把地质体断开成两部分(两盘)并沿之滑动的破裂面。断层面一般为稍有起伏的不规则面。断层面的产状同岩层层面一样用走向、倾向和倾角来测定(图12-17)。大断层的断层面通常不是一个单一的几何面,而是由一系列大致平行的次级断层面组成断层带,其宽度达几十米至几千米。在断层带中夹杂着碎裂岩块、岩屑、断层泥(fault gouge)以及固结的断层角砾岩(fault breccia)、碎裂岩(cataclasite)和糜棱岩(mylonite)。

(2)断层线(fault trace) 断层面和断层带在地面的出露线称为断层线。由于地面的起伏和断层面自身的曲折,断层线通常也是曲折的。大的断层带及其两侧岩石甚为破碎,其露出地面的部位较易风化和剥蚀,地貌上常成为低洼地带,有些断裂带上有泉水溢出。

(3)断盘(fault wall) 指断层面两侧相互错开的岩块。断层面倾斜时,断层面上的岩块称上盘(hanging wall),断层面下的岩块称下盘(footwall)。当断层面直立时,则用方位来命名,如断层面走向东西延伸,则称北盘和南盘。此外,也可按断盘相对运动方向来命名,将相对上升的一盘称上升盘(upthrown side),相对下降的一盘称下降盘(downthrown side)。

(4)断距(separation)断层两盘相对滑移的距离称为断距(图12-16中AA'或BB'为断距)。小断层的断距仅几米或更小,大断层的断距可超过100km。

2.断层的主要类型 (1)按断盘相对运动方向分为正断层(normal fault)、逆断层(reverse fault)和平移断层(strike-slip fault)。正断层 指上盘相对下降、下盘相对上升的断层。正断层的断层面通常大于45°(图12-17)。正断层主要是由于引张力和重力作用形成的。逆断层 指上盘沿断层面向上移动的断层(图12-18)。断层面倾角大于45°的逆断层称为高角度逆断层。断层面倾角小于30°的逆断层称为逆掩断层(overthrust)。平移断层 指断层面直立、断盘沿断层面作水平滑移的断层,也称为走向平移断层(图12-19)。巨大的走向滑动断层的断距可达几十千米,有的超过100千米。

(2)断层的组合类型 地堑与地垒地堑(horst)一般由两条以上相向倾斜的正断层组成,其公共盘为下降盘。地垒(horst)由两条以上相背倾斜的正断层组成,其公共盘为上升盘(图12-20)。地堑和地垒在一个地区相邻伴生,常组成盆岭构造(basin-range structure)。阶梯状断层(step fault) 指在一个地区内产状大致相同的几条正断层相邻发展,其上盘依次下降而呈阶梯状排列(图12-21)。叠瓦式断层(imbricate fault) 指一系列产状相近的以低角度为主的逆断层相伴出现,各断层上盘朝同一个方向逆冲上升,在剖面上呈房顶盖瓦状。这类断层多出现在受到强烈水平挤压作用的地区(图12-22)。推覆构造(nappe structure) 指逆掩断层的上盘岩块沿缓倾斜的波状断层面远距离滑移所形成的构造,断层上盘称为推覆体(nappe)或逆冲岩系或外来岩席(allochthone),断层下盘称为原地岩系(autochthone)。推覆体局部被剥蚀掉后,露出其下的断层面或下盘岩石可形成构造窗(fenster),被断层面或下盘岩石环绕的孤立推覆体残片称为飞来峰(klippe)。推覆体往往可以被推移几至几十千米,推覆体内常发育叠瓦式断层。

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