地质学基础第八章 地壳运动与地质构造.doc

第八章 地壳运动与地质构造 1 概 念 大家已有了岩石的概念岩浆、沉积岩、变质岩，它们是不同的地质作用下形成的，岩浆岩中的侵入岩应地下形成，地表看不见。但现在大量突出地表，甚至形成高山，如五台山等由侵入岩或其变质岩组成；沉积岩，原始应水平沉积，地表大量倾斜、弯曲、断开。这些说明地壳上岩石发生运动，发生机械运动。 一、地壳运动（构造运动）地壳的机械运动。 水平运动 垂直运动 引起运动的原因，将在本章最后一节讲述 差异升降 类型 相背分离 相间挤压 剪切 运动的结果为岩石变形、变位 岩石变形地壳中岩石变改了原有的空间位置和形态。 地质构造岩石变形的产物包括褶皱、断裂两大类。 弹性变形 在弹性限度内，变形在外力解除后，恢复原状。 塑性变形 受力超出弹性极限时，柔性较大的物体，发生永久性变形。 断 裂 受力超出强度极限，脆性物体几乎无塑变形，很快断裂。 任何物体受外力作用 二、岩石变形的力学原理（岩土力学中细讲，简单地说） 塑性变形岩层褶皱。 断裂断层、节理、裂隙。 地质构造中的岩石变形 同样，岩石在受构造运动（地壳运动）力的作用下，亦会发生类似的变形。 由于弹性变形不被保留，对地质构造无意义。 岩石的变形状态与岩石性质有关（成份、结构）与岩石所处的环境有关。 地表常温、常压下页岩、泥岩、粘土岩（细、软）塑性变形。 粗砂岩、石灰岩脆性大，断裂。 地下高温、高压下各类岩石都具有一定塑性（柔性）均可发生塑性变形。 这就是为什么我们在野外能够看到砾岩、灰岩、石英砂岩等通常认为脆性很大的岩层同样有褶皱弯曲现象。 2.褶皱和断裂 我们讲了褶皱和断裂是由于岩石的运动改变了原有空间位置和形态。 一、岩层空间位置的测定 地质上以岩层的产状来描述其空间位置，包括岩层的走向、倾向、倾角。称产状三要素。 （一） 产状三要素 １． 走向走向线岩层面同任意水平面的交线（岩层层面上的任意一条水平线）。 走向走向线两端所指的方向。以方位角来表示。 230 50 140 S 80 360NO W 270 90 E 倾向 走向 注意我们强调了两端所指的方向，因此走向的方位角有２个，相差1800 2. 倾向 最大倾斜线 岩层面上与走向线垂上的向下延伸的线。 倾向 最大倾斜线的水平投影所指的方向，以方位角表示。倾向只有一个方向，且与走向垂直。 走向 倾向 90 ３． 倾角岩层面与水平面之间的夹角。 最大倾斜线与其在水平面上投影线之间的夹角。090变化。 （二） 产状的表示 走向/倾向倾角 125/ NE 65 S29/ NW 18 倾向倾角 35 65 只要给定倾向、倾角两项可求知三要素 （三） 特殊产状 水平岩层 倾角0 倾向 走向 ∞ 直立岩层 倾角90 倾向 走向 α （四） 岩层厚度 两层面之间垂直距离。（并非地面露头两点）。 二、褶皱构造 岩层受力后，发生弯曲，改变了原有的空间位置和形态，但其连续性未受到破坏，称褶皱。单一弯曲称褶曲。 （一） 褶曲的几何要素（褶曲的描述） 1. 翼褶曲岩层的两坡。 2. 核褶曲岩层的中心。 3. 轴 面平分褶曲两翼的假想面（近于对称面），可以是平面也可以是曲面， 其产状可用三要素描述。 4. 枢 纽轴面与岩层面的交线，可以是水平的也可以是倾伏状。 5． 轴 迹轴面与地面的交线。 （二） 褶曲分类 1. 两大基本类型 1 向斜 水平岩层受力后下凹弯曲。 两翼地层相向倾斜 核部地层时代最新 两翼地层时代渐老 2 背斜 水平岩层受力后上凸弯曲。 两翼地层相背倾斜 核部地层时代最老 两翼地层时代渐新 岩层褶构造中，背斜、向斜通常共存 相邻的背斜之间是向斜 相邻的向斜之间是背斜 相邻背斜，向斜共用一个翼 ２． 褶曲类型（出露形态划分） 1按轴面产状划分 直立褶曲轴面直立，两翼倾向相反、倾角相等。 倾斜褶曲轴面倾斜。两翼倾向相反，倾角并不等。 倒转褶曲轴面倾斜。两翼倾向相同，倾角并不等一翼为正常层序，一翼为倒转层序（新在下老在上）。 ①层面构造泥裂、波痕、虫迹。②新老地层上下异位。如淮南洞山 倒转地层的识别 平卧褶曲轴面近水平。两翼近水平，上下重叠。一翼为正常层序，一翼为倒转层序。 2按枢纽产状划分 水平褶曲枢纽水平 倾伏褶曲枢纽倾伏 3特殊类型 穹窿（背斜）长 宽 1 3 盆地（向斜）长 宽 1 3 复背斜、 复向斜 （三） 褶曲的野识别 1. 顺或逆着倾向方向，地层重复出现，倾角变化有规律。 背斜新 老 新 向斜老 新 老 c S O C O O S E S Z 2. 地形侄置（并非绝对） 我们可以想象，地质构造形成初期，通常向斜成谷背斜成山。但野外恰恰相反，常见的是背斜成谷，向斜成山，称为地形倒置。 原因褶皱开成后在长期的风化剥蚀等外动力作用下，背斜轴部由于张裂隙发育、易剥蚀，并逐渐低凹成谷；而向斜轴部岩石受挤压力，相对不易风化剥蚀，而成山。 因此野外绝不能只根据地形确定地质构造，要仔细观察。 三、断裂构造 断裂 岩层在外力作用下失去连续性和完整性。 节理、裂隙 无位移（仅有断裂面）。 断层 有一个或一组断裂面，两侧岩层有明显位移（错动） （一） 断层描述 1. 断层面（带）岩层断裂面，两侧岩层相对位移， 有平面也有曲面可以产状三要素来描述。 2. 断层线断面与地面交线。断层出露线，直线或曲线。 3. 断盘断层面两侧被切断的岩块。 按断层面与断盘关系（位置关系）分 上盘、下盘、东南盘、西北盘等； 按两盘相对位移（运动）方向分 上升盘、下降盘。 4. 断层规模 以切割深度，延展长度，断距大小来衡量。 特大型断层如，美国西部，圣安德列斯断层切割到地壳下部， 位移量480公里。我国淡庐断裂位移几百公里。 微型断层手标本可见。 （二） 断层分类 １． 按两盘相对位移的方向分 正断层上盘下降、下盘上升。 逆断层上盘上升、下盘下降。 其中逆掩断层断面倾角小25。 划分 左行平移断层 右行平移断层 平移断层两盘水平错动（断面近直立）。 2. 按断层走向与岩层走向的关系分 纵断层（走向断层） 连向一致。 横断层（倾向断层） 走向垂直。 斜向断层 走向斜交。 ３． 断层组合类型 在力的作用下，多条断层（一组断层）同时出现，形成特殊形态。 迭瓦式构造一组倾向一致，大致平行的逆掩断层。 阶梯状构造一组倾向一致，大致平行的正断层。 地堑两组相向倾斜的正断层。 地垒两组相背倾斜的正断层。 （三） 断层的野外识别 1． 角砾岩断裂破碎的岩石，大小不等，棱角分明，碎块再胶结成岩，角砾与两侧岩性一致。 2． 糜棱岩逆掩断层常见，挤压断裂带中，碎块很碎小再胶结成岩。 1．构造岩 多数断层因其断面附近岩石破碎，易风化，剥蚀，所以露头不好，往往被沉积物盖，观察要仔细，常从以下证据来识别。 断层泥断层两面三盘挤压磨擦（碾磨）的极细的泥状物。 2. 密集的节理 断层面是较大的破裂面，形成同时伴生有许多小破裂面即节理。节理方向常与断层方向大致平行。 3. 擦痕和镜面 擦痕断面上平行而密集的沟纹。 镜面断面上局部平滑光亮的面。 阶步擦痕及镜面未端常出现“坎”。 以上均为两侧岩层（块）相对滑动在断面上留下的痕迹，可据此推测两盘相对运动方向。 ４． 牵引褶皱（拖曳）褶皱） 断层两侧岩层相对位移时，受磨擦阻力影响出现弯曲。 牵引褶皱可指示对盘位移方向。 5． 沿岩层或矿层走向突然中断 6． 地层重复或缺失 断层能够破坏地层序，造成地面上某些地层的重复或缺失，什么情况重复，什么情况缺失，与断层性质有关。与断面及岩层产状有关。 7． 地形证据 负地形（低凹地带）由于断层附近易风化、剥蚀（岩石破碎），长期的外力作用造成，俗话说“逢沟必断”。 断层崖大而陡的断面出露呈陡崖状。有流水可成瀑布。 断层三角面一平列平行的山脊，被走向与其垂直的正断层切割，上升盘露出，山脊呈三角形横切面。 ８． 泉出露点断层切割含水层，地下水沿裂隙，涌出。泉点常呈线状分布。 以上我们讲了地质构造的两大类型褶皱和断层，它们是岩层形成之后由于地壳运动造成的，如果没有地壳运动形成地质构造，所有新、老地层（所有时期形成的岩层）都应是水平叠置在一起。但有了地壳运动就使地层之间不再是简单的水平叠置，而有更有复杂的接触。下面就讲不同类型的地层接触关系。 3.地层接触关系 一、 整合 表现新老地层产状一致，岩性变化及古生物演化渐变而连续，新老地层时代连续，其间没有地层缺失。 说明地层形成的过程中基本保持稳定的沉积环境，构造运动主要是地壳缓缓下降，即使有上升，也未使沉积表面上升到水面之上遭受到剥蚀。 整合表示 华南地区石炭、二叠系地层 C P 二、 假整合（平行不整合） 表现新老地层产状一致，岩性及古生物演化突变，地层时代不连续，有地层缺失。新地层之下常有底砾岩。 底砾岩下部时代较老的地层遭到剥蚀后形成的岩石碎块，重新胶结成岩，保留在新地层之下。 说明老地层沉积后地壳有明显的均衡上升（水平抬升），遭受剥蚀后，地壳又均衡下降，接受新地层的沉积，虽然有部分地层缺失掉，但新老地层产状没变， S．D缺失 华北地区 底砾岩下部时代较老的地层遭剥蚀的岩石碎块重新胶结成岩，底砾岩石矿物成分与下伏岩层相同。 C O 假整合的表示 三、 不整合（角度不整合） 表现 新老地层产状不一致，岩性及古生物变化突变，有地层缺失，新老地层之间有广泛的剥蚀面。新地层之下常见底砾岩。 说明老地层形成之后有强烈的构造运动，形成褶皱、断裂，同时长期遭受风化剥蚀，而后又下降接受新地层的沉积。 T1 J 不整合的表示 下面讲火成岩和层状岩石的接触关系 四、 侵入接触 侵入体和被侵入围岩之间的关系。 ┼ ┼ ┼ ┼ ┼ ┼ ┼ ┼ 识别标志 1接触带上有接触变质的现象（围岩）。 2接触带附近，侵入体中有围岩的 捕虏体（末完全融化的围岩） 3侵入体切割（切穿）围岩层理。 五． 沉积接触 沉积的地层直接覆盖在侵入体之上，其间有广泛的剥蚀面，剥蚀面与沉积岩层 平行，沉积岩中无接触变质现象。 O 花岗岩 D 从接触关系中，又可以得知侵入体侵入的时代，晚于被侵入围岩的时代，早于上部沉积岩层的时代。 4.构造运动 从地表运动的方向来考虑 水平运动 垂直运动 一、 构造运动的形式 一 水平运动 相背分离拉开 相向靠拢挤压 剪切错动 从地表运动的方向来考虑 1．概念地壳块体在水平方向上移动 相邻地块 2. 水平运动在地壳中的表现 无论从现代观测还是地史中岩石的构造现象，都能够证实地壳存在水平运动。 现代洋中脊扩张 太平洋赤道附近 4mm/年 印度板块漂移 由南半球向北半球漂移 12cm/年 侏罗纪南纬度40 现代北纬19 7000公里 美国西部圣安德列断层 岩层水平位移 1cm/年 地史中（岩层的构造现象由于水平运动形成的）大型紧闭褶皱，逆掩断层，迭瓦状构造，转换断层，新老地层的角度不整合接触。 水平运动常形成一些大规模的褶皱，组成山系，称为褶皱带。因此传统的构造理论将运动称为造山运动。 （二）垂直运动 1．概念地壳作差异性的上升或下降。升降运动。 2．垂直运动在地壳中的表现 现代由于地壳的升降引起海进海退现象，因此在现代海岸附近，有些地方可在看到原来的滨海地形；海蚀崖、波切台、海蚀柱、石蘑菇等，远离海岸几公里，这就是地壳上升，海面下降，使滨海地形成为陆地造成的。河流的河谷阶地，深切河曲都是地壳上升的表现。 从保存在喜马拉雅山岩层中的古生物化石来分析，三千年前现代世界最高峰的地方，还是一片大海,后来由于印度板块与欧亚板块碰撞，地壳隆起组成山脉（地蓬合线），现代仍以10mm/年上。 现代能证实地壳有时上升，有时下降的典型的例子，要算意大利那不勒斯湾、塞拉比斯城填的三根大理石柱。 3.6米 6.1米 柱长１２米，其下部3.6米为火山灰掩没，表面３.6-6.1米处被海生瓣鳃类钻蚀（许多蚀洞）。 地史中岩相相同的巨厚沉积地层，本身就说明了地壳是缓慢下降的，只有下降的速度与沉积速度基本相同，才能保证沉积环境不变，例如河北蓟县中元代的浅海碳酸盐沉积厚达9340米。如果没有壳下降，沉积物把浅海填满也不过２００米厚，如此厚的沉积说明地壳缓慢下降使沉积表面一直处于浅海水域，不断接受沉积。 地层中深水生物化石（出现在高山上）。 地质构造中一些大型和缓的隆起，坳陷如穹隆、盆地、以及高角度的正断层，都是垂直的表现，新、老地层之间整合接触表明地壳缓慢下降，假整合表明，地壳水平抬升或下降。 传统构造理论中将垂直运动称为造陆运动。 （三）水平运动与垂直运动的关系 应该说水平运动与垂直运动是相辅相成的。 同一地区，交替进行这个时期表现为水平运动，另一时期则为垂直运动。 不同地区相互影响，因果关系一个地区的水平挤压，不可引起另一地区地壳的上升或下降；一个地区的上升，也可引起另一地区的拉伸缩。 从全球的构造运动来看，究竟是以水平运动为主，还是以垂直运动为主，很长一段时期内，争论不休。基本可分为两大类学派 ① 固定论主要是传统的大地构造理论，以地槽地台说为代表。 主要观点地壳以垂直升、降运动为主导，大陆基底位置从未改变， 仅有海、陆面积的扩大式缩小。 ② 活动论以近代的板块构造理论为代表。 主要观点构造运动以地壳的水平运动为主导，垂直运动是水平运动派生的，地史中，大陆曾发生过不断的水平运动，地质构造主要是水平运动产生的。 当前板块构造理论已被子越来越多的事实证实。尤其近代一些精密仪器对深海洋底的观测、探查，使板块构造（也就是说地壳运动主要是板块运动的理论）得到了人们的普遍承认，有关这方面我们还要在板块构造和海底扩张两章中进一步讲述。 板块构造理论是近二十年来才被人们逐渐接受的，所以在一些书中和文献中，许多使用了传统构造理论的术语，尤其构造回旋和构造运动期的概念，经常用，因此下面讲 造山运动（水平运动）是相对短期剧烈的运动 造陆运动（垂直运动）是相对长期缓慢的运动 传统的槽台理论认为 二、构造运动旋回的划分 地壳发展史中，这两种运动形式是交替进行的，显示出地壳运动的阶段性和旋回性。 地史中曾有过几次大规模的强烈造山运动，具有全球性意义。也就是说全球基本上同时都发生了强烈的构造运动，而在强烈的构造运动之间是相对和缓的运动。我们把从相对和缓的构造运动开始，到一次强烈的大规模的造山运动结束。划归为一个构造运动旋回。 构造旋回从相对和缓的构造运动开始，到一次强烈的大规模的造山运动结束。 构造运动期构造旋回中，强烈的具全球意义的造山运动时期。 古生代以来将质史历划分为几大旋回，其中每一旋回都有未期相应的构造运动期。 喜马拉雅构造旋回（新阿尔卑斯构造旋回） 燕山构造旋回 老阿尔卑斯构造旋回 印支构造旋回 海西构造旋回 加里东构造旋回 白 亚 纪 侏 罗 纪 三 叠 纪 二 叠 纪 石 炭 纪 泥 盆 纪 志 留 纪 奥 陶 纪 寒 武 纪 第 四 纪 第 三 纪 三、构造运动原因 引起地壳构造运动的原因来自地球内部，但以何种方式仍有各家学说 （一） 收缩说 核心思想地球最初是熔融体，逐渐冷却。冷却是从外表开始的。地壳最先冷却形成，而后地球内部逐渐冷却收缩后，体积变小，这时地壳就显得过大而发生褶皱。（如同干苹果一样，外皮皱）。 存在问题按这种理论，地壳上的褶皱分布应是随机的，但实事上褶皱的分布有一定的规律。尤其是放射性元素的发现，说明地球并非由热变冷却。 否定了收缩论的观点。 （二）膨胀说 核心思想地球曾有很高温的时期，同时在地壳下部有一个膨胀层，由于膨胀层受热膨胀，使地壳裂开，解释了一些深大断裂、洋脊、裂谷的成因。 存在问题无法解释大规模挤压褶皱，逆掩断层的形成。而且膨胀性应具有宇宙性，其它星球尚无发现。 （三）脉动说 核心思想由于地球内部冷热交替，导致地壳周期性的振荡运动（脉动）受热隆起，冷却地区坳陷。 存在问题忽视了水平运动。同时没有冷、热交替的证据。 （四） 地球自转速度变化说 李四光提出地球自转速度的变化导致地壳运动的重要原因。 核心思想地质构造可分为走向东西向的纬向构造带。走向南北向的经向构造带。当地球自转加快时，由于离心力作用，地壳物质向赤道集中，相当于受到南北向的挤压，形成纬向（东西向）构造带。相反地球自转减慢时，地壳物质从赤道向两极扩散，形成经向（南北向）构造带。 （五）地幔对流说 板块构造理论所畅导的，最早由英国的霍尔姆斯提出 核心思想地幔物质热对流，带动驮在其上的岩石圈水平运动。 存在问题地幔物质能否热对流对流的范围和规模有多大 四、研究构造运动的意义 构造运动不整个地球演化中充当着重要角色，控制着海陆分布，气候状况和生物的演化环境，同时影响着外动力地质作用的进行。 地质构造控制着矿产的形成和分布，石油天然气易储存在背斜构造的顶部。断裂和褶皱控制了煤层的走向和分布。 因此研究构造运动有着重要的理论和实际意义。是地质学很重要的研究领域。 12