第8讲（地质构造2）.doc

地质学基础与铀矿地质讲义2007（第8讲） 内容提要 第五章 地质构造 5.4 断裂构造 5.5 地质构造与成矿关系 5.6 地质构造对矿山开采的影响 5.7 大地构造理论简介 参看地质学pp.94-111. 第五章 地质构造 5.4 断裂构造 一、断裂现象 地壳中岩石岩层或岩体，特别是脆性较大和靠近地表的岩石，在受力情况下容易产生断裂和错动，总称为断裂构造。 它和褶皱构造一样，是地壳中普通发育的基本构造形式之一。 通常根据断裂岩块相对位移的程度，把断裂构造分为节理和断层两大类。此外，还有一种规模更小的断裂构造现象劈理。 断层岩石发生断裂时，沿断裂面有显著的位移的断裂构造称为断层。 节理岩石发生断裂时，沿断裂面没有显著位移的断裂构造称为节理。 劈理是一种将岩石按一定方向分割成平行密集的薄片或薄板的次生面状构造。 断裂构造的规模断层节理劈理 二、节理 1、节理的概念 节理就是岩石中的裂隙，沿着破裂面没有明显的位移，有时也称裂隙。其中，破裂面称为节理面，和岩层面一样也具有不同的产状。 2、节理的空间分布和规模 一般，当构造运动强度越大，岩石具较大的脆性，而岩层厚度又小时，节理越发育。 节理是有规律地成群出现，成因相同又相互平行的节理构成一个节理组。几个有成因联系的节理组构成一个节理系。 节理面可以是平坦的，也可以是不平坦的，甚至是弯曲的。 节理的规模小的延展只有几十厘米或几米，长的沿走向可以延长几百米，甚至上千米。 3、节理的分类 3.1 根据节理的成因，可以分为三类 （1）原生节理是指岩石在形成过程中所产生的节理。 如岩浆岩在冷凝过程中因体积收缩产生的节理玄武岩的柱状节理；岩浆岩的流动构造进一步发展形成的节理；沉积岩在成岩过程中由于脱水体积收缩所产生的节理等。 （2）风化节理指地表岩石受风化作用而产生的节理。 （3）构造节理是指地壳运动过程中，岩石受构造作用力而产生的。这种节理是最广泛存在的节理。按其力学成因，又可分为张节理和剪节理。 A、剪节理当岩石中所受的最大剪应力达到并超过岩石的抗剪强度时，就会产生剪节理。特点是剪节理一般是紧闭的，节理面平坦光滑，在节理面上可有小擦痕或小擦光面的痕迹。剪节理沿走向和倾向延伸较远，产状较稳定。 B、张节理当岩石所受的张应力超过岩石的抗张强度时，就会产生张节理。特点张节理多数是张开的；节理面凹凸不平，没有擦痕、擦光面等痕迹；对砾岩中，节理面不切穿颗粒。张节理沿走向和倾向延长不不远，但沿其尖灭方向追索，则往往在不远处又可断续出现。 3.2 根据节理产状和岩层产状的关系可分为 走向节理节理走向大致平行于岩层走向的节理。 倾向节理节理走向大致垂直于岩层走向的节理。 斜向节理节理走向斜交于岩层走向的节理。 顺层节理节理面大致平行岩层层面。 3.3 根据节理的走向和褶曲轴的关系可分为 纵节理二者大致平行的节理。 横节理二者大致垂直的节理。 斜交节理二者互相斜交的节理。 图5-1 在褶曲构造中的各种节理 1、2. 走向节理（纵节理）；3. 倾向节理（横节理）；4、5. 斜向节理（谢节理）；6. 顺层节理 图5-2 在单斜岩层中的各种节理 1. 走向节理（纵节理）；2. 倾向节理（横节理）；3、4. 斜向节理（斜交节理） 4、节理的观察和统计、节理观察结果的室内整理及节理统计图、节理玫瑰花图 （不讲） 5、研究节理的意义 研究节理的类型、成因和分布规律有着重要的理论和实际意义。 首先，研究节理的分布、性质和组合情况，有助于推断区域性应力场的特点和各种应力的分布规律以及与各种构造的相互关系。 其次，研究节理有很大实际意义。有些节理，主要是张节理常提供岩浆活动侵入的通道，并控制矿体的形成和分布。富含张节理的岩石，对于地下水的运动和富集有密切关系，有时构成地下水的含水层。对于地下工程（包括采矿）都必须对有关地区的岩石节理做详细的调查和测量，以防止可能引起的破坏作用和不良影响。 再次，节理对于地貌的发育、形态等有密切关系。节理构成岩石的软弱面，提供了风化和侵蚀的有利条件，流水、冰、植物等常沿节理风化或侵蚀，造成各种地貌。如花岗岩中的纵节理、横节理和层节理，往往把坚硬的岩石切割成无数方块，在棱、角处先行风化，形成球状风化地貌。 三、断层 断层是一种有明显相对位移的断裂构造。它是地壳中最重要的一种地质构造。小的断层延长只有几米，相对位移只有几厘米，大的断层可延长几百公里至上千公里，相对位移可达几十公里。 1、断层要素 习惯上把断层的各个组成部分叫做断层要素。 图5-3 断层要素 1. 下盘；2. 上盘；3. 断层线；4. 断层破碎带；5. 段层面 （1）断层面岩层或岩体断开后，两侧岩体沿着断裂面发生显著位移，这个断裂面称为断层面。断层面可以是一个平面，也可以是一个曲面。断层面产状的表示方法和岩层面一样，即用走向、倾向和倾角表示之。 大规模的断层不是沿着一个简单的面发生，而往往是沿着一系列密集的破裂面或破碎带发生位移，这称之为断层带或断层破碎带。 （2）断层线断层面与地面的交线称断层线，它表示断层的延伸方向。它可以是一条直线，也可以是一条曲线或波状弯曲的线。断层线的形状取决于断层面的产状和地形起伏条件。 （3）断盘 被断层而分开的两侧岩块称断盘。断层面如果是倾斜的则在断层面上面的断块称上盘；断层面下面的断块称下盘。如果断层面是垂直的，则没有上下盘之分。从断层的相对运动方向来看，向上滑动者称上升盘，向下滑动者称下降盘。 （4）位移 断层两盘的相对移动统称为位移。在实际工作中，经常要推断断层两盘相对位移的方向和测算位移的距离。为此，必须以相当点或相当层为根据。 相当点系指未断前的一个点在断层位移以后成为两个点，即A和A，该两点就是相当点。两相当点必须位于断层面上，它们之间的距离是真位移，称为总滑距（AA）；总滑距在断层面走向方向和倾斜线上的分量，称为走向滑距BA和倾斜滑距AB。同时总滑距在铅直方向的分量称为铅直滑距D A，在水平面上的投影称为水平滑距AD。（见图5-4） 图5-4 断层位移图 BA-走向滑距；AB-倾斜滑距；D A-铅直滑距；AD-水平滑距 相当层同一地层由于断开移动，分别在上下盘出现，好象变成了两个地层，这两个地层就是相当层。以相当层测算的位移是相对位移，均以“断距”称之。 在自然界，由于在断层上找相当点是困难的，所以在实际工作中总是根据相当层被错开的距离来测量位移。 图5-5 垂直于被断地层（相当层）走向的剖面 AB. 视断距；CE. 地层断距；CF. 铅直地层断距；CD. 水平断距；a. 地层倾角 所测的断距有 1）视断距断层两盘上相当层的同一层面错开后的位移量AB。 2 地层断距断层两盘相当层层面之间的垂直距离CE，相当于二相当层之间重复或缺失的那一部分地层的厚度。 3）铅直地层断距断层两盘相当层层面在铅直方向上的距离CF。 4）水平断距在断层面上同一高度的两侧相当层层面之间的距离CD，这个断距代表断层面两侧相当层位移拉开的水平距离或两侧相当层掩覆的水平距离。 水平断距并不代表断层移动的实际距离，但在实际工作中比较有用。从图5-5可以看出，△CEF和△CED为两个相似直角三角形，只要知道地层的倾角（a）及其中一个位移量，便可根据下式计算出其它两种断距。 CE CF. cos a CE CD.sin a 2、断层类型 根据断层两盘相对位移方向，可分为 （1）正断层上盘相对下降，下盘相对上升的断层叫正断层。断层面的倾角一般较陡，多在45以上。正断层是在张力或重力作用下形成的。 （2）逆断层上盘相对上升，下盘相对下降的断层叫逆断层。逆断层主要是在水平挤压力作用下形成的。逆断层又可根据断层面的倾角分为 1）冲断层倾角大于45的逆断层，断层线比较平直。 2）逆掩断层倾角小于45的逆断层。逆掩断层一般是在褶皱构造形成的后期产生的，是在强烈的侧压力作用下形成的，往往规模相当巨大。 （3）平移断层是断层两盘沿着断层面在水平方向相对位移的断层，又叫平推断层。其倾角常很陡，近于直立。平移断层是在地壳水平运动影响下，剪应力作用下所产生的。实际上无论是正断层或逆断层，很多是斜向滑动的。如果其走向断距大于倾向断距，皆可归入平移断层一类。 （4）旋转断层前述各种断层，其两盘位移都是直线运动的，但有些断层运动具有旋转性质，断层两盘做相对的旋转运动，这种断层称为旋转断层。断层两盘相对旋转位移后，两盘岩层产状各不相同；并且沿断层面上的总滑距也到处不相等。 此外还有其它分类方法。如根据断层的力学性质分类（张性断层、压性断层、扭性断层、张扭性断层、压扭性断层等）；根据断层走向和岩层走向的关系分类（走向断层、倾向断层、斜向断层）；根据断层走向和褶皱轴向或区域构造线方向的关系分类（纵断层、横断层、斜断层）。 自然界的断层往往不是单个出现，有一定的组合规律，其组合形态类型有地垒、地堑、阶梯状断层和叠瓦式构造等。 1）地垒两条或两组走向大致平行、倾向相背的断层，其中间岩块为共同的上升盘，其两侧为下降盘，这样的断层组合叫地垒。 2）地堑两条或两组走向大致平行、倾向相向的断层，其中间岩块为共同的下降盘，其两侧为上升盘，这样的断层组合叫地堑。 3）阶梯状断层两条以上的倾向相同而又相互平行的正断层，其上盘依次下降，这样的断层组合称为阶梯状断层。它在地形上常表现为阶梯状下降或阶梯状上升的块状山地。 4）叠瓦状断层两条以上的倾向相同而又相互平行的逆断层，其上盘依次向上推移，形如叠瓦，这样的组合称为叠瓦状断层，又称叠瓦状构造。 3、断层存在的标志 断层面是断层存在的直接标志，但是在野外有时断层面不易观察到，需要寻找一些其它的标志来证实断层是否存在。这些标志有 （1）地质体的不连续断层常把原来连续的地质体错开，使它们发生不连续或中断现象。应该指出，岩层和构造的错开中断，不一定都是断层引起的，也可因岩层尖灭和岩层的角度不整合接触等所形成。 （2）岩层的重复或缺失，加厚或变薄走向断层或纵断层必然产生岩层重复或缺失的现象。 （3）地貌上的标志由于断层造成岩石的破碎，容易被水流等所剥蚀和切割，因此断层通过的地方常表现为洼地或河谷，因此有“逢沟必断”之说。另外，比较新的断层面在地貌上常形成悬崖陡壁。 （4）水文上的标志断层面如果尚未被胶结，是地下水流动的良好通道。因此，在地表有泉水出露的地方，或在坑下顶底板突然涌水量增大的地方，都有可能断层出现。 （5）断层泥和断层角砾断层发生相对位移时，其两侧岩石有时被研碎成细泥，称为断层泥；如被研碎成带棱角的碎块，则称为断层角砾；当断层角砾被重新胶结成固结的岩石，就称为断层角砾岩。 （6）断层擦痕和断层磨光面断层两盘相对运动，常在断层面上留下了擦痕和磨光面，是判断断层存在的直接标志。 （7）捩引现象断层两盘发生相对位移时，两盘岩层或矿体发生了局部弯曲的现象，一般是在两侧为塑性岩石时出现。 （8）硅化和矿化现象很多断裂是热水溶液循环的通路，因此破碎岩石就会受到矿化、硅化和绢云母化等作用。由于这些作用，往往使沿断裂的岩石产生褪色或染色的作用。 4、断层位移方向的确定 在矿山常见到成矿后断层将矿层或矿脉错开，为了找到被错失的那部分矿体，就必须要确定断层两盘相对位移的方向。 1）断层擦痕的方向在断层面上，经常可以发现一些近于平行的窄小刻痕，这些刻痕延伸的方向代表着断层两盘相对位移的方向。在下盘的断层面上，顺擦痕光滑的方向是断层上盘的滑动方向，相反，粗糙的方向是断层下盘位移的方向。 2）断层角砾分布情况根据断层角砾岩中含有的某一地层或矿体的碎块的分布可以指示出位移方向。 3）捩引的方向断层上盘岩层（或矿层）局部向上弯曲，下盘反之。显然上盘相对下降，下盘相对上升。 4）岩层层序的对比在沉积岩中，可以根据岩层层序对比来确定断层的位移方向。正常情况下，老岩层在下，新岩层在上面。 5.5 地质构造与成矿的关系 地壳中矿产的形成受两重因素控制其一是要有成矿物质来源；其二是要有成矿物质运移的通道，以及使它沉淀、赋存的场所。对于内生矿床而言，断裂构造主要提供成矿物质的运移通道和赋矿的空间；对于外生矿床而言，地质构造造成了不同地貌单元的风化差异性，构造隆起带遭受风化剥蚀，为外生矿产提供了成矿物质来源，而凹陷带则成为成矿物质沉淀的场所。因此，地质构造不仅影响成矿条件，而且将决定矿产的分布规律。 控制成矿的构造因素，按其规模大小，可以分为大、中、小三级。大型的构造因素是大地构造；中型的是褶皱和断层构造；小型的是节理（裂隙）及劈理构造。 矿田是指一系列在空间上、时间上和成因上有密切联系的矿床组合的一个成矿地区。 关于地质构造与成矿关系的详细情况将在“第四篇矿床”的有关章节中介绍。 5.6地质构造对矿山开采的影响 地质构造和矿产的关系十分密切，它控制矿产的空间分布、矿体的空间形态。采矿的对象是矿产，因此，地质构造对矿山开采影响也很大。 一、褶皱构造与矿山采掘工作的关系 1、成矿前形成的褶曲，对矿床的形成、矿体分布、空间形态、产状等常起控制作用。而矿体的形状、产状直接影响开拓系统、采矿方法的选择。 2、成矿后形成的褶曲，常使矿体形态复杂化，给勘探和采矿工作带来麻烦。这是对采掘工作的不利因素。 3、在背斜核部顶压一般较小，对采掘工程有利，但是背斜核部的顶部岩层中，张裂隙较发育，对采掘工作又是不利因素，造成采矿困难。在向斜核部，顶压一般较大，对采掘工程不利。 4、褶曲可使矿层的产状发生变化，若使矿层的倾角变化适当时，可利用于重力搬运，对矿内运输有利。 二、断裂构造与矿山采掘工作的关系 断裂构造尤其是中小型断裂构造能够控制矿床或矿体的形成、分布和产状。因此，断裂构造对矿山采掘工作关系极大。 1、节理（裂隙）与矿山采掘工作的关系 （1）在节理发育的岩石中打炮眼时，不要沿节理面打眼，否则容易卡钎；沿节理面布炮眼，由于裂缝易露气，影响爆破效果。因此要注意节理的走向、发育程度及延伸方向。 （2）节理面的方向有时会影响巷道掘进方向。 （3）在露天开采中，在节理发育地段，要特别注意边坡角的选择，以防止滑坡、塌方等事故。 （4）节理密度大，而且节理面是多方向的地段，岩石就比较破碎，容易冒落，要加强支护工作。 （5）地下水发育地区，节理也是地下水的良好通道，尤其是张节理。为此，在考虑矿山防排水措施时，要对节理的发育和分布规律予以重视。 （6）节理影响采矿方法的选择。例如，在节理特别发育的区段，要慎重选择采矿法，如不适于使用空采法等。 2、断层与矿山采掘工作的关系 （1）成矿后断层对矿山探矿工作影响很大，因为成矿后断层常把矿体切割成几部分，使矿体的分布、形状和产状复杂化。这样就增加了探矿工作量。 （2）断层影响矿床开拓系统的布置。由于大断层的影响，经常使开拓系统复杂化，需要增加开拓巷道的数量和总长度，并造成施工中的许多困难。 （3）断层影响采场设计及回采工作。地下开采的矿山，在采场中遇到断层，对回采工作很不利。此外，断层还能使矿体形态复杂化，或使采场内易于冒顶片帮，因而造成回采工作的复杂化，增加矿石的损失和贫化，甚至造成重大安全事故。 （4）断层影响井巷掘进。例如，在平巷掘进中，若遇到稍大的断层，有时就必须考虑巷道拐弯，以保证平巷和矿体底板的距离。此外，在掘进过程中碰到断层的破碎带较大，还必须加强支护，甚至要采取特殊措施才能通过断层。 （5）断层影响矿坑涌水。断层破碎带多数是地下水的良好通道，因此，在大断层附近矿坑水的涌水量常增大，甚至造成突然涌水事故。 （6）断层对采掘工作的有利因素。断层对矿山采掘工作危害很大，但在一定条件下，又有积极因素。例如，有些逆断层可使矿体局部变厚或造成矿层局部重复，有利于回采；又如，易于发生矿石自燃的矿床，当断层把矿体分割成许多断快时，能实行分区开采，采完后可及时封闭，以防止矿石自燃或火区蔓延。因此，断层对矿山的采掘工作有害因素，要采取措施防止；有利因素又要充分利用。 5.7 大地构造理论简介 地壳运动的推动力是什么地壳运动的规律性是什么由地壳运动产生的各种地质构造形迹的分布特点如何这些都是大地构造研究的范畴。 大地构造学主要是探讨地球岩石圈的结构、形成、演化以及运动、变形规律。它不仅对于深入认识地壳发展史和地壳运动史具有重要的理论意义，而且对于研究成矿条件、地震成因以及矿产预测等具有重要的实际意义。 在大地构造学的发展史中，曾出现过许多学说，其中，我国的大地构造理论，有六种代表性的观点 一、多旋回构造理论 地壳运动的多旋回理论，是黄汲清教授于1945年提出的。认为组成地壳的基本构造单元有地槽活动地带，地台稳定地带。地槽和地台是可以相互转化的地台地槽地台。并认为地壳发展是多旋回的，地壳从生成到现在约46亿年左右的漫长地质年代里，曾经历了四次巨旋回，每个巨旋回都经历了地台地槽地台的过程。 多旋回理论突破了以西欧大地构造学家史蒂勒为代表的地壳运动单旋回观点。 地壳构造多旋回发展理论，长期以来对国内地质界有较大影响。 二、地质力学理论 地质力学是我国著名地质学李四光教授创导的。它是运用力学的观点研究地壳运动规律的一门科学，是在广泛实践的基础上总结和发展起来的。 地质力学的基本观点如下 首先，地质力学认为地壳上的许多地质构造现象，都是地壳运动的结果，因此要想研究地壳运动，就必须研究由地壳运动所产生的地质构造现象，即“构造形迹”。具体地说从构造形迹探讨地应力作用的方式和方向，从地应力作用的方式和方向追索地壳运动的方式和方向；从地壳运动的方式和方向推论地壳运动力的来源。 其次，地质力学认为地质构造形迹，和其他一切自然现象一样，错综复杂，千变万化，但它们不是孤立存在的，而是互相联系、互相制约的，每项构造形迹都有和它相伴生的有成因联系的一群构造形迹。 第三．地质力学探讨了地壳运动的起源和力的来源问题。地质力学认为，地壳运动的起源不是地球自转，而是地球自转速度的变化。事实证明，在漫长的地质年代里，地球的自转速度是有变化的。地球不是一个理想的刚体，当自转速度变快时，它的扁度就要变大。 地质力学这门新兴学科已经形成一套较完善的理论及独特的工作方法。 三、断裂体系与断裂大地构造理论 断裂体系与断裂大地构造理论，是中国科学院地质研究所张文佑教授等继承与发展李四光教授的地质力学思想，并汲取了地质历史分析及国外板块构造理论中的合理内容，在分析与综合我国及世界大量地质、地球物理资料的基础上，逐步发展起来的。 认为地壳的变形，是在构造应力场作用下，地壳常被两组呈X型的剪切断裂分割为大大小小的块体，形成了地壳的断块构造。大断裂块体是受较深的X型剪切断裂所控制；在大断裂块体中还可被次一级X型剪切断裂分割成许多较小的断裂块体。断块固结后还可以再活化开裂或拼合。断块的结构特点与活动方式，控制了盖层各种形式以及“构造体系”的展布与发育。 认为，地壳构造从形成到变形是构造发生和发展的一旋回，每一个构造旋回的形成控制该构造旋回的形变，而前一构造旋回的形变又控制下一构造旋回的形成。因此，基底的断块结构常可控制盖层的构造发育。 认为，构造应力场产生的基本原因是地球自转变速和极轴摆动，因而造成挤压和拉张的水平构造作用力，出现岩石圈的多层、多级、多次的断块构造。 断裂体系与断块大地构造理论，受到国内外地质界的普遍重视，并已在石油、富铁矿、地震地质、水文工程等项领域中得到实际应用。 四、地洼学说 地洼学说是我国首创的一种地壳演化新理论。陈国达教授在总结地槽地台学说理论的基础上，认为地台区也可以向活动区转化（简称“地台活化”），取名“活化区”。 又因它与地槽区不同的最主要特征，是以山脉及名为“地洼”的山间盆地代替了岛链及海槽，故也称“地洼区”。 地洼学说的理论意义，在于提出了第三构造单元，阐明地壳发展是多阶段的；不仅活动区可转化为“稳定区”，“稳定区”也可以转化为活动区。地洼区虽与地槽区性质有相似之处，却并非简单的重复，因其类型有别，结构又较复杂，为更高级阶段的产物。 地洼学说的实用意义在于阐明一种新的成矿作用，从新的角度探索成矿规律，扩大了找矿领域。 地洼学说提出后，受到国内外地质界重视，列为自然科学史上的大事之一。 五、中国地壳的波浪状镶嵌构造理论 这个理论是由西北大学张伯声教授提出来的。 认为地壳构造是由大大小小的构造带或面分割又镶嵌起来的一级套一级的地块的排列形式。都有统一的规律，都是以北东和北西的斜向构造为主。其中有些地带套着锯齿状的东西向或南北向的正向构造。整个地壳可以看作太平洋壳块、劳亚壳块和冈瓦纳壳块被太平洋和地中海两个构造活动带焊接起来的镶嵌图案，三大板块和两大活动带还可以分为次一级、再次一级、又次一级的活动带与地块。 并认为我国的地壳构造主要表现为太平洋和地中海两个波浪系统相交所形成的偏于斜向的构造网。 地壳的波浪状镶嵌构造的形成，只有从地球自转速度变化，使其离心力所派生的统一的水平分力的变化，才能说明它的近因。而地球自转速度的变化的根本原因，可能是地球体积交互胀缩的脉动所引起的结果。 六、板块构造理论 （李春昱的中国板块构造理论） 板块构造理论的雏形，最早是由魏格纳于1912年提出的大陆漂移说，认为古生代时全球只有一块陆地（泛大陆），周围全是海洋（泛大洋）。到中生代，泛大陆开始解体、漂移，逐渐形成现今全球大陆和海洋的分布状况。这就是地质学史上盛行一时的大陆漂移学说，因论据不足曾被抛弃。 到六十年代末，由艾萨斯克斯和麦肯其尔提出板块构造理论。他们把地球岩石圈和地幔的最上部的硬固部分统称为构造圈，下边的地幔称为软流圈。由于海底的分裂，构造圈随之分成若干块段即板块。这些板块在软流圈上相对地缓慢漂移、运动。相互运动着的板块所产生一系列地质构造，就叫做板块构造。 板块构造的理论基础是地幔对流和海底扩张说。 板块构造理论的基本观点是大规模地壳运动的驱动力来源于地幔对流，使海底扩散，构造圈俯冲。并明确指出地壳运动是以水平运动占主导地位。 板块构造理论比较满意地解释了海洋地质、谷地磁、地震、地热等方面的资料。但是，由于板块构造理论产生的基础同样有其局限性，其中还有很多不完善的地方，对许多问题的认识还存在着争议。 思考题 1、断裂构造、断层、节理、劈理的概念。 2、节理的分类以及研究节理的意义。 3、断层的要素及断层的类型。 4、如何判断断层的存在 5、如何确定断层的位移方向 6、了解断裂构造与矿山采掘工作的关系。 7、简单了解我国大地构造理论的主要学派和理论观点。 9