第7讲（地质构造1）.doc

地质学基础与铀矿地质讲义2007（第7讲） 内容提要 第五章 地质构造 5.1 岩层产状及其测定 5.2 岩石变形的力学分析 5.3 褶皱构造 参看地质学pp.82-94. 第五章 地质构造 1、地质构造的概念 地质构造是指地质体（岩层、岩体、矿体等）存在的空间形式、状态及相互关系，是地质作用（地壳运动等）所造成的岩石（或矿体）变形、变位等现象，是地壳运动的结果，它们主要包括褶皱（背斜、向斜等），断裂（断层、节理、劈理等）。 2、研究地质构造的意义 （1）地质构造是地壳运动结果的表现形式，因此研究地质构造在地质科学中具有重要的理论意义； （2）由于地壳中矿产的分布，矿床的形成，矿体的形态、产状都是受一定的地质构造所控制，成矿后的地质构造对矿体又有破坏作用，使采矿受影响，因此研究地质构造对成矿预测、找矿勘探和矿山开采中，具有重要的实际意义。 5.1 岩层产状及其测定 一、岩层产状 1、水平岩层 沉积物在大区域内沉积时都是近于水平的层状分布。沉积物固结成为岩石之后，在没有遭受强烈的水平运动，而只受地壳的升降运动的情况下，它仍然保持其水平状态，这种岩层称为水平岩层。 但，绝对水平的岩层几乎是不存在的。这一方面是由于岩层形成时，本身就不可能是绝对水平的；另一方面，即使是大规模的升降运动，也会有局部的差异性。因此，习惯上把倾角小于5的岩层称为水平岩层。 2、倾斜岩层 岩层由于地壳运动（主要是水平运动）的影响，改变了原始状态，形成倾斜岩层。如果岩层向一个方向倾斜，而倾角又近于相等则称单斜岩层。 3、直立岩层 指岩层层面与水平面直交或近于直交的岩层，即直立起来的岩层。在强烈构造运动挤压下，常可形成直立岩层。 4、倒转岩层 指岩层翻转、老岩层在上而新岩层在下的岩层，这种岩层主要是在强烈挤压下岩层褶皱倒转过来形成的。 二、岩层的产状及产状要素 倾斜岩层往往是某一地质构造的一部分，例如褶皱的一翼或断层的一盘。为了表明岩层的这种空间分布状态，就需要查明岩层的产状及其在地质图上的表现。岩层的产状是指岩层在空间产出的状态，确定一个岩层的产状有三个要素走向、倾向和倾角。 1、走向每个岩层面与水平面的交线叫该岩层的走向线，走向线的方向叫走向。走向线的两头各指一方，例如一头指向东，另一头就指向西，该岩层的走向就是东西方向，简称东西向。 2、倾向在层面上垂直岩层走向线的直线叫岩层的倾斜线，倾斜线在水平面上的投影，叫倾向线，倾向线所指的方向，就是岩层的倾向。 3、倾角倾斜线和倾向线的夹角（a），称为岩层的倾角。可见，当a0时，为水平岩层；当a90时，为直立岩层；当0a90时，为倾斜岩层。 在斜交岩层走向所切的剖面上，岩层的倾角总是比真倾角小，这个倾角称为假倾角。 三、岩层的厚度和出露宽度 1、真厚度、视厚度、铅直厚度 （1）真厚度岩层顶面和底面之间的垂直距离，称为真厚度。只有当剖面是垂直于岩层走向切割时，才出现真厚度。 （2）视厚度不垂直于岩层走向切割的剖面中，出现的岩层厚度（岩层顶面和底面的迹线的垂直距离）都是视厚度。如在一些地质剖面上，如在断崖上、巷道边帮上，所显露的只是岩层顶面和底面的迹线，它们之间的垂直距离不一定是真厚度，而是视厚度。 （3）铅直厚度岩层顶面和底面之间的铅直距离，称为铅直厚度。 2、真厚度、视厚度和铅直厚度之间的关系 对于同一个岩层来说，真厚度只能有一个数值，但视厚度可以有无数个值，因剖面切割线和岩层走向之间的夹角大小而异。当夹角为90时，视厚度等于真厚度；当夹角为0时（即剖面切割线和岩层走向重合），视厚度等于铅直厚度。 对于同一岩层来说，三者的关系是 铅直厚度H 视厚度h 真厚度T 铅直厚度的变化视岩层倾角的大小而定，如果岩层的倾角为a，则真厚度和铅直厚度的换算关系为 T H.cosa 3、岩层的出露宽度 是指岩层露出地表之水平投影的宽度。在地质图上所表示的每一岩层的宽窄变化， 实际上就是该岩层在地表出露宽度的变化。 对于倾斜岩层，由于露头面往往不是垂直于岩层的层面，所以，在现场难以直接测出岩层的真厚度。当地面平坦时，可用公式 T L.sina 求出真厚度。式中T为真厚度，L为岩层在地面出露的宽度，也就是岩层的水平假厚度，a为岩层的真倾角。 四、岩层产状的测定及表示方法 1、罗盘的构造 测定岩层产状用地质罗盘，地质罗盘的种类很多，但任何一种罗盘总是由三个主要部件组成方位角刻度盘，上面刻划有0360的方位角，刻度盘上注有东西南北方向，但刻度盘上的东西方向和实际东西方向正好相反；磁针，注意在地球北半球地区所用罗盘磁针上带有铜丝的一端是南针（即指向南方）；测斜仪，用以测量岩层倾角。此外，还有水准泡和制动器等。 2、使用罗盘的注意事项 在使用罗盘之前，应对罗盘进行检查罗盘刻度盘上的0是否对准罗盘的北边；磁针摆动是否灵活；罗盘放在水平面上水泡是否居中等，如不符合要求需要进行调整。 3、罗盘的使用方法 测量岩层倾向时，将罗盘后端（即南端）靠在岩层面上，移动到使圆形水泡居中为止（即使罗盘保持水平），读北针所指方位角刻度盘度数就是岩层的倾向。测量岩层倾角时，使罗盘底面直立，罗盘长边紧贴岩层面。使之平行岩层倾斜线，然后拨动罗盘背后的“半圆形”铁片，使柱状水准气泡居中，读倾角指示器中间线所指的刻度数就是岩层的倾角。 岩层走向和倾向相差90，所以在野外测量岩层产状时，只需测量岩层的倾向和倾角即可，如果要知道岩层的走向，把测得的倾向加减90即可。 4、岩层产状的表示方法 在地质图中，岩层产状常用符号30表示之，横线表示走向，竖线表示倾向，数字代表倾角。在文字记录中，岩层产状有两种表示方法 （1）方位角法东南西北总共360，规定正北方为0，正东为90，正南是180，正西为270，在转至北为360。 例如，某岩层的倾向为95，其走向为185或5。 （2）象限角法东西南北两直线相交，组成四个夹角各为90的象限角，南北向规定为零，东西两端则为90。例如，方位角为120的象限角为南60东（或S60E），方位角为295的象限角为北75西（或N75W）。 野外工作中，常将测定到的岩层产状用方位角纪录。例如一个岩层的产状倾向85，倾角70时，用方位角纪录为8570，前者表示倾向，后者是倾角。 5.2 岩石变形的力学分析 各种地质构造，如褶曲、节理、劈理、断层等，都是岩石长期受力的作用所形成的变形产物。所以，研究地质构造，除了对各种地质构造形态进行详细的观察和描述外，还必须研究不同力的作用下，岩石的变形规律。这样，才能揭示出地质构造的发生、发展和组合规律。 一、岩石的变形 1、岩石变形的概念 当物体受到外部机械力的作用后，物体的质点便发生分离、聚集或位移，即开始变形过程。物体的外部形态和体积的改变，是它内部质点发生变化的宏观表现。 岩石的变形的基本形式有五种拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转。 2、岩石的变形过程 固体材料的变形过程，一般可以分为三个阶段 （1）弹性变形阶段在弹性变形阶段，应力应变关系服从虎克定律，应力消失后应变即可恢复。 （2）塑性变形阶段塑性变形阶段，当应力超过材料的屈服强度（弹性限、屈服点或比例限）就产生永久变形，但物体的连续性还未受到破坏。 （3）破裂阶段当应力积累到一定程度，超过材料破裂强度时，材料便裂开而达到破裂阶段。 3、岩石破裂形式 岩石受力后发生变形，经过弹性阶段和塑性阶段，最后发生断裂，破坏了岩石的连续完整性。岩石的破坏形式基本有两种张裂和剪裂。 （1）张裂 张裂的方向垂直于张应力或平行于压应力，张应力起主导作用。当岩石所受的最大张应力超过了岩石的抗张强度时，便在它的内部垂直于最大张应力方向上产生破裂面。当岩石受到压缩时，因为它的抗压强度大于抗张强度几十倍，因此不会压裂，但是岩石试样能够在垂直于压力的方向上自由地伸长，则产生了平行压力方向的张裂面。 （2）剪裂 剪裂是由最大剪应力引起的、剪裂面发生在物体受到最大剪应力的方向上。最大剪应力作用的平面是位于应力主轴σ1和σ3之间，并与σ3轴相交为45。当岩石受压力作用时，最大剪应力超过岩石的抗剪强度，岩石沿着最大剪应力作用的方向滑动，造成一对剪裂面。由于岩石内摩擦的存在，剪切面与主压应力作用方向的交角往往小于45，但是经过显著的塑性变形以后，这个交角可以大于45。 岩石在拉伸的情况下，也可以产生剪裂，剪裂面与主张应力σ1的方向斜交，交角一般为45左右，有时在剪裂形成以前，出现“颈缩”现象，然后再发生与主张应力σ1斜交的剪裂面。 二、岩石的力学性质及影响岩石力学性质的因素 1、岩石的基本力学性质 决定岩石在变形过程中的性能，称为岩石的力学性质。岩石的基本力学性质有弹性、塑性、脆性、柔性、蠕变和松弛等。 （1）弹性和塑性岩石受外力作用发生变形，取消外力后，岩石立即恢复原状，这种性质叫做弹性。如果外力取消后，岩石不能恢复原状，具有残余变形，这种性质称塑性。 （2）脆性和柔性岩石破裂前，几乎没有或只有很短暂的塑性阶段，这种性质叫做脆性。在应力应变曲线中，脆性岩石的弹性极限距离破裂点很近。如果破裂前，有较长的塑性阶段，这种性质叫做韧性，也称柔性。 （3）蠕变和松弛外力不变，在长时间作用下，变形随时间增长，这种变形性质称为蠕变。如果应变保持不变，随着时间的延长，整个弹性变形会逐渐变为残余变形，应力减小到零。这种应变保持不变、而应力消失的过程，叫做松弛。 2、影响岩石力学性质的主要因素 地壳表层的岩石，在破裂之前几乎没有什么塑性变形，表现为脆性。但是，在地下深处的岩石则能经受相当大的塑性变形，表现为柔性。因此，岩石的脆性和柔性也是相对的。在一定的条件下，可以相互转化。 （1）影响岩石力学性质的内在因素 1）组成岩石的矿物成分不同矿物组成的岩石，其力学性质差别很大。例如，石英组成的石英砂岩是脆性的；粘土矿物组成的泥质岩石是柔性的。 2）岩石的结构构造岩石内部的颗粒形状和大小、排列方式以及胶结的紧密程度，对其力学性质影响很大。在其它条件相同的情况下，颗粒愈圆滑、胶结不紧的岩石，强度低；颗粒愈细的岩石，强度也愈大；具有定向构造的岩石（如层理、片理、流动构造）的岩石，有两种不同方向的强度平行层理和片理的方向，抗张强度大，抗压，抗剪强度低；垂直层理和片理的方向，抗张强度小，抗剪、抗压强度大。 3）岩石内部的含水量含水量愈多的岩石塑性愈大，强度愈低。就好像湿泥巴比干泥巴易于变形一样。 （2）影响岩石力学性质的外界因素 1）温度温度增高，岩石的强度降低，弹性减弱，塑性增强。岩石在高温条件下，易于变形。随着温度的增高，岩石的抗剪强度明显降低，而抗张强度降低不大。岩石的蠕变速度也是随着温度的增高而增大。 2）围压围压愈大，岩石的强度也愈大，能经受较大的塑性变形；围压愈小，岩石的强度低，具有较大的脆性。 3）时间岩石在长时间的受力状态下，虽然外力很小，也可以产生较大的变形，即蠕变现象。此外，还表现在应力增加的速度上，当应力缓慢增加，岩石显示塑性变形，抗剪强度降低，易于剪裂；当应力迅速增加，岩石显示弹性变形，而塑性变形阶段很短，甚至完全没有，表现为脆性，易于张裂。 4）外力作用方式在压缩条件下，岩石表现出较大的强度，塑性提高；在拉伸条件下，岩石的抗张强度小，塑性降低。 三、应变椭球体 应变椭球体是贝克尔于1893年引进地质学中来的，他企图用应变椭球体理论去解释节理分布和劈理成因的规律性。在一定的条件下，应变椭球体可以用来解析岩石变形的情况。 （只作一般了解） 5.3 褶皱构造 一、褶皱现象 1、褶皱构造的概念 层状的岩石经过变形后，形成弯弯曲曲的形态，但是岩石的连续完整性没有受到破坏，这种构造叫做褶皱构造。 2、褶曲的形态 褶曲是褶皱中的一个弯曲，即褶皱的基本单位，由一些列的褶曲组成褶皱。褶曲有两种基本形态背斜和向斜。 背斜是两翼岩层倾向相背，形态上是岩层向上弯曲的褶曲，其中核部为相对较老的岩层，而两翼为相对较新的岩层。 向斜是两翼岩层倾向相向，形态上是岩层向下弯曲的褶曲，其核部是相对较新的岩层，而两翼则为新对较老岩层。 当岩层由于受强烈的构造作用发生倒转而形成褶曲，则出现的背斜形态中，核部的岩层新于两翼的岩层，这种褶曲叫做背形；在向斜形态中，核部的岩层老于两翼的岩层，这种褶曲叫做向形。因此，区别背斜和向斜的主要依据是以核部与两翼岩层的相对新老关系进行判别。 二、褶曲要素 褶曲要素是指褶曲的各个组成部分。 核部褶曲的中心部分，有时也称轴部。背斜的核部是较老的岩层，向斜的核部是较新的岩层。 翼部核部两侧的岩层，即一个褶曲两边的岩层。 轴面平分褶曲为两部分的一个假想面称为轴面。其形态是多种多样的，可以是简单的平面，也可以是一个复杂的曲面。轴面的产状可以是直立的，也可以是倾斜的，或水平的。 轴轴面与水平面的交线称轴。因此，轴总是一条水平线，它表示褶曲在水平面上的延伸方向。当轴面是平面时，轴为水平直线；轴面为曲面时，轴为一水平的曲面。 枢纽轴面与岩层面的交线。枢纽可以是一条直线，也可以是一条曲线；其产状有水平的、倾斜的、直立的及波状起伏的。 三、褶曲的形态分类及力学分析 1、褶曲的形态分类 根据褶曲要素的变化，褶曲的形态分为 （1）水平褶曲枢纽是水平的，整个褶曲是沿着水平方向延伸。水平褶曲两翼岩层走向是大致平行的。 （2）倾伏褶曲 枢纽是倾斜的，两翼岩层走向是斜交的，因此在水平面上两翼岩层逐渐接近，并会合起来。这个会合的地方称为褶曲的转折端。如倾伏向斜，倾伏背斜。 （3）长圆形褶曲褶曲的两端在水平方向上延伸不远就发生倾斜，褶曲的长与宽之比大约在101至31之间。习惯上称短轴褶曲，原为背斜者称短轴背斜，原为向斜者称为短轴向斜。 （4）浑圆形褶曲褶曲的长与宽的比小于31。属于这类褶曲的背斜叫做穹隆；向斜称之为构造盆地。 2、褶曲的成因及力学分析 褶曲按其形成力学方式之不同，可以分为弯曲褶曲、隆曲褶曲、剪褶曲和流状褶曲。 （1）弯曲褶曲弯曲褶曲是地壳中分布最广泛的一种褶曲构造。它们是岩层在长期缓慢的水平侧压力作用下，发生永久性的弯曲变形所造成的。 岩层受到侧向压力时，对每一个单个岩层来说，外侧发生拉伸，内侧发生压缩，外侧和内侧之间有一个既没有拉伸也没有压缩的面，称中和面。在外侧的拉伸部分，由于受到顺层的派生张应力作用，产生垂直于层面的张节理（节理为岩石或岩层的天然破裂面，它与断层的差别是在破裂面两侧的岩石，并未沿着破裂 面发生过相对的移位。），在内侧受到派生的压应力，形成两组共轭剪节理。或者在岩层面上形成一系列小褶曲，其轴向和弯曲褶曲的轴向大致平行。 当一套岩层形成弯曲褶曲时，在岩层之间发生层间滑动。相邻的两个岩层，上覆岩层相对地朝褶曲枢纽方向滑动，下伏岩层相对背离褶曲枢纽方向滑动。 （2）隆曲褶曲岩层受到垂直于层理方向上的作用力形成的褶曲。这种作用力往往是向上的铅直作用力，如地下岩浆的侵入作用或地壳的隆起作用。隆曲褶曲形成时，沿着与作用力垂直的方向上（水平方向）发生岩层的伸张。但是每单个岩层的伸张的程度不同，位于外侧的岩层伸张最大，位于内侧的岩层伸张最小。如果岩层的塑性较强，物质可从褶曲核部向两翼发生顺层流动，形成顶部较薄的背斜构造。 （3）剪褶曲岩层顺着一组大致平行的密集剪切面发生差异滑动所形成的褶曲，也称滑褶曲。大规模的剪褶曲颇为少见，一般仅见于柔弱岩层（泥质页岩）中，柔弱的岩石具有较大的塑性。柔弱的岩石在褶曲过程中，早期有显著的塑性流动，褶曲的翼部被拉薄，核部明显地增厚，后期则产生密集的破裂面，并沿着这些破裂面有滑动，产生剪褶曲。 在野外常见到，在坚硬岩层与柔弱岩层互层的情况下，坚硬岩层则为弯褶曲，而柔弱岩层则发育着剪褶曲。 （4）流状褶曲塑性很高的岩层受力作用后，不能将力传递很远，往往形成幅度很小、形态复杂的小褶曲。 一般认为，岩层在高温、高压下物质发生类似液体的松滞性流动时形成的，这时的原岩层面已全遭破坏。在深度变质岩的岩石中常见的肠状褶曲即是一种常见的流状褶曲。 在自然界，褶曲的成因是十分复杂的。褶曲可以是几种形成力学方式联合作用的结果，也可以是不同力学方式先后作用的结果。同一种形态的褶曲，也可以由不同的方式形成的。 思考题 1、 地质构造的概念及其表现形式（褶皱、断裂）。 2、岩层的产状类型及岩层产状的要素。 3、岩层真厚度、视厚度、铅直厚度及出露厚度的含义及相互关系。 4、地质罗盘的用途，岩层产状的表示方法。 5、岩石的变形过程和岩石的破裂形式。 6、褶皱构造的概念和褶曲的形态。 7、褶曲要素及褶曲的形态分类。 6