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好东西!断层构造的知识点、野外观测方法、典型图片赏析!

桔灯勘探2018-04-15 15:08:13



断层概念及分类


  1、概念


岩层或岩体在构造运动影响下发生破裂,若破裂面两侧岩体沿破裂面发生了明显的相对位移,这种构造就称为断层


断层的种类繁多,形态各异,规模大小相差十分悬殊,规模大的断层延伸长度可达几百~一千多公里,而小的断层可在岩石标本上见到。断层的切割深度也不相同,有的可切穿地壳至上地幔。


断层破坏了岩石的连续完整性,对岩体的稳定性、渗透性、地震活动和区域稳定性都有重大影响,从而影响工程的稳定性,与工程建设有着密切的联系。



  2、断层要素


  • 断层面:构成断层的破裂面,也就是断层两侧岩体沿之产生显著滑动位移的面,叫做断层面,产状可用走向、倾向和倾角确定。断层一般不是单个的面,而是由一系列的破裂面或次级断层所组成的带,即断层带或断裂带。


  • 断层线:是指断层面与地面的交线,即断层面在地表的出露线,断层线延伸方向即是断层走向,延伸的消失点,称为断层的端点。


  • 断盘:断层面两侧发生相对位移的岩体,称为断(层)盘。当断层面倾斜时,位于断层面上方的称为上盘、下方的称为下盘;当断层面近于直立时,则以方位相称,如东盘、西盘等;也可根据两盘相对移动的关系,把相对上升的称为上升盘,把相对下降的称为下降盘。


  • 断距:断层两盘岩体沿断层面发生相对滑动的距离,称为断距。断距的大小常常是衡量断层规模的重要标志,断距又分为总断距、水平断距及垂直断距。



  3断层分类


  • 按断层面产状与岩层产状的关系分类


a.  走向断层断层走向与岩层走向一致的断层;


b.  倾向断层断层走向与岩层倾向一致的断层;


c.  斜向断层断层走向与岩层走向斜交的断层。


  • 按断层面走向与褶皱轴向或区域线之间的关系分类


a.  纵断层断层走向与褶皱轴向或区域构造线方向平行的断层;


b.  横断层断层走向与褶皱轴向或区域构造线方向垂直的断层;


c.  斜断层断层走向与褶皱轴向或区域构造线方向斜交的断层。


  • 按断层力学性质分类


a.  压性断层由压应力作用形成,其走向垂直于主压应力方向,多呈逆断层形式,断面为舒缓波状,断裂带宽大、常有断层角砾岩。


b.  张性断层在张应力作用下形成,其走向垂直于张应力方向,常为正断层,断层面粗糙,多呈锯齿状。


c.  扭性断层在剪应力作用下形成,与主压应力方向交角小于45。,常成对出现。断层面平直光滑,常有擦痕出现。


  4、按断层两盘相对运动的关系进行分类


  • 正断层上盘相对下降,下盘相对上升的断层,称为正断层。


正断层的产状一般较陡,倾角在45o~90o,断层线比较平直,一般是由于重力作用或水平张力作用形成的,并在垂直于张应力方向上发育。



  • 逆断层下盘相对下降,上盘相对上升的断层,称为逆断层。


逆断层产状一般比较平缓,倾角很少超过70o,断层线常呈舒缓的波状曲线.逆断层一般是受水平的挤压应力作用,沿剪切破裂面形成的,常与褶皱相互伴生,逆断层的规模一般较大,多为区域性的巨型构造。


断层面倾角大小又可分为:


a.  冲断层: 倾角 >45°

b.  逆掩断层: 25°~45°;

c.  辗掩断层: <25°




  • 平移断层:两盘岩体沿断层面走向作水平相对运动的断层,称平移断层。


平移断层,断层面近于直立,断层线平直,延伸很远,断层破碎带较窄,在断层面上常有近于水平的擦痕。平移断层一般是在水平剪切应力的作用下形成的。



  • 枢纽断层:正、逆、平移断层的两盘相对运动都是直移运动。


事实上,有许多断层常常有一定程度的旋转。断盘的旋转有两种情况:


a.  一种是旋转轴位于断层的一端,表现为横过断层走向的各个剖面上的位移量不等。


b.  一种是旋转轴不位于断层的端点,表现为旋转轴两侧的相对位移的方向不同,如一侧为上盘上升,而另一侧为上盘下降。


两种旋转均使两盘中岩层原来一致的产状不再平行一致。旋转量比较大的断层,可称为枢纽断层。


 

  5、断层的组合形态


  • 正断层的组合形式


a.  阶梯状断层几条产状大致相同的正断层,相互平行排列,各断层的一盘呈阶梯状向着同一方向依次下降的组合形态,称为阶梯状断层。


b.  地垒两条以上平行的正断层,断层面相对倾斜,其中间岩块为共同的上升盘,两侧断层的上盘呈阶梯状依次下降,这种组合形态,称为地垒。


c.  地堑两条以上平行的断层,断层面相向倾斜,对称排列,其间为共同的下降盘,两侧断层的断盘依次上升,这种组合形态的断层称为地堑。


d.  环状断层与放射状断层:在穹窿构造等地区,常出现在平面上呈环状或放射状的断层。断层的产状不同,环形断裂断续相连,而断层的性质一般是以正断层为主。



  • 逆断层的组合形式


a.  叠瓦状断层一系列产状大致相同的断层,相互平行排列,各断层的上盘依次上冲逆掩,在剖面上呈屋顶盖瓦式可鳞片状叠置,这种组合形式,称为叠瓦状断层。


b.  对冲式断层是由两条相反倾斜,相对逆冲的断层组成的组合形态。


c.  背冲式断层由两条或两组相反倾斜的逆冲断层组成,表现为自一个中心分别向两个相反方向逆冲,一般是自背斜核部向外逆冲,总体上常常呈扇状。




断层的识别


断层类型很多,规模差别极大,形成机制和构造背景各异,因此,研究的内容、方法和手段各不相同。


但是断层研究的首要环节是要识别断层和确定断层的存在。虽然断层可以通过分析和解译航卫片物探图地质图有关资料得以确定或推定。但识别和确定断层存在的主要方式是进行野外观测


断层活动总会在产出地段的有关地层、构造、岩石或地貌等方面反映出来,形成了所谓的断层标志,这些标志是识别断层的主要依据。


  1、地貌标志 


  • 断层崖和断层三角面在断层两盘的相对运动中,上升盘常常形成陡崖。称为断层崖。如峨眉山金顶舍身崖、昆明滇池西山龙门陡崖。当断层崖受到与崖面垂直方向的地表流水侵蚀切割,形成沿断层面分布的三角形陡壁,称为断层三角面。如河南偃师的五佛山。


  • 断层湖、断层泉沿断层带常形成一些串珠状分布的断陷盆地、洼地、湖泊、泉水等,可指示断层延伸方向。如我国云南东部顺南北向的小江断裂带分布了一串湖泊,自北向南有杨林海、阳宗海、滇池、抚仙湖、杞麓湖以及昆明盆地、宜良盆地、嵩明盆地、玉溪盆地等。




  • 错断的山脊、急转的河流正常延伸的山脊突然被错断,往往是断层两盘平移运动的结果;横切山脊走向的平原或盆地与山岭的接触带,往往是断层通过的地方,如太行山前断裂带,使太行山在华北平原西缘拔地而起,成为华北平原的西部屏障;正常流经的河流突然产生急转弯,或一些顺直深切的河谷,都能指示断层延伸的方向,如鲜水河的支流在断层通过的地方突然发生转向。


a.  错断的山脊--往往是断层两盘相对平移的结果


b.  横切山岭走向的平原与山岭的接触带--往往是规模较大的断裂


c.  串珠状湖泊洼地--往往是大断层存在的标志


d.  这些湖泊洼地主要是由断层引起的断陷形成的。


e.  泉水的带状分布--往往也是断层存在的标志。念青唐古拉南麓从黑河到当雄一带散布着一串高温温泉(右图),是现代活动断层直接控制的结果。



  2、构造标志


  • 断层破碎带与构造岩规模较大的断层,常形成断层破碎带,其宽度大小不等,在断层破碎带内常常有断层(构造)角砾岩,糜棱岩、碎裂岩、断层泥、构造片状岩等构造岩。


  • 伴生节理在断层剪切滑动作用下,发生在断层面两侧岩层中的节理,称为伴生节理。


  • 牵引褶皱断层两盘错动时,紧邻断层面两侧的地层,因受磨擦力的牵引,发生塑性拖拉而形成的弯曲现象,称为牵引褶皱。


  • 擦痕和阶步断层两盘相互错动时,由摩擦作用导致在滑动面上产生平行密集的微小刻槽,称为擦痕;断层面上与擦痕直交的细小陡坎,叫阶步;在断层面上还有磨光的平面,叫磨擦镜面。





擦痕与阶步


如果线状或面状地质体在平面上或剖面上突然中断、错开,不再连续,说明有断层存在。


为了确定断层的存在和测定错开的距离,在野外应尽可能查明错断的对应部分。构造强化是断层可能存在的重要依据。


  • 构造强化现象包括有:


a.  岩层产状的急变和变陡;

b.  突然出现狭窄的节理化、劈理化带;

c.  褶皱剧增以及挤压破碎和各种擦痕等现象。


构造透镜体是断层作用引起构造强化的一种现象。断层带内或断层面两侧岩石碎裂成大小不一的透镜状角砾块体,长径一般为数十厘米至二、三米。构造透镜体有时单个出现,有时成群产出。


构造透镜体一般是挤压作用产出的两组共轭剪节理把岩石切割成菱形块体后,其楞角又被磨去形成的。包含透镜体长轴和中轴的平面,或与断层面平行,或与断层面成小角度相交。


在断层带中或断层两侧,有时见到一系列复杂紧闭的等斜小褶皱组成的揉褶带。揉褶带一般产于较弱薄层中,小褶皱轴面有时向一方倾斜,有时陡立,但总的产状常常与断层面斜交,所交锐角一般指示对盘运动方向。


断层岩的发育较广泛产出也是断层存在的良好判据。



  4、地层标志


 地层的重复缺失是识别断层的主要依据。


  • 岩层中断及褶皱核部宽窄变化岩层沿走向突然中断,造成一种岩层在走向上与另一种或多种不同岩性的岩层接触,或造成褶皱核部地层出露界线发生宽窄变体,说明有横断层或斜断层存在。

     


  • 地层的重复和缺失当发生与岩层走向平行的断层时,常造成断层两盘部分地层的重复和缺失。

 


  5、岩浆活动和矿化作用标志


大断层尤其是切割很深的大断裂常常是岩浆和热液运移的通道和储聚场所,因此,如果岩体、矿化带或硅化等热液蚀变带沿一条线或带断续分布,常常指示有大断层或断裂带存在。一些放射状或环状岩墙也指示放射状断裂或环状断裂的存在。


  6、岩相和厚度标志


如果一个地区的沉积岩相和厚度沿一条线发生急剧变化,可能是断层活动的结果。


  • 断层引起岩相和厚度的急变有两种情况:


a.  一种情况是控制沉积盆地和沉积作用的同沉积断层的活动,引起沉积环境沿着断层发生明显变化,岩相和厚度因而发生显著差异;


b.  另一种情况是,断层的远距离推移,使相隔甚远的岩相带直接接触。 查明和确定断层是研究断层的基础和前提。在地质调查中,应注意观察、发现和收集指示断层存在的各种标志和迹象,同时结合其他地质条件和背景加以综合分析。



断层的观测


测定断层面产状和两盘相对运动以便确定断层性质,进而测定或分析断层规模和组合关系是断层研究的重要方面。


  1、断层面产状的测定


如果断层面比较平直,地形切割强烈而且断层线出露良好,可根据断层线的“V”字形法则来判定断层面的产状。

隐伏断层的产状主要根据钻孔资料用几何作图方法予以测定。物探资料也可帮助判定断层面产状。


断层伴生和派生的小构造也有助于判定断层产状如断层伴生的剪节理带和劈理带,一般与断层面近一致。


断层派生的同斜紧闭揉褶带、片理化构造岩的面理,以及定向排列的构造透镜体带等,常与断层面成小角度相交。这些小构造变形愈强烈,愈压紧,与断层面也愈接近。需要指出,这些小构造的产状常常是易变且急变的,应大量测量并进行统计分析以确定代表性的产状。 


在确定断层面产状时,要充分考虑断层产状沿走向沿倾向可能发生的变化。许多断层尤其是逆冲断层的断层面,常成波状起伏或台阶式。


  • 对于这种波状性的原因有多种不同解释:


一种解释是,大断层形成之前的初始子断裂是各自分散的,而后逐渐联合形成大断层,由于联合的方式不同,可以有折线状、正弦曲线状或花冠状等。格佐夫斯基(1975)认为,在断裂形成后原应力场的正应力和剪应力轨迹将发生偏转,引起断裂线向另一方向偏转,最后形成弧形面。


至于台阶式,主要是逆冲断层中断坪与断坡交替变化的结果。此外,各套岩系的岩性差异、不同深度物理条件对断裂的影响以及多期变形等等,也都影响断层产状及其产状的变化。


较大规模的断层产状和形态总是变化的,一定不要用局部产状作为断层的总体产状。例如隆起边缘的大断层,地表常为低角度逆冲断层,向深处倾角可以逐渐变大,甚至直立。伸展区大型正断层,也常呈上陡下缓的铲状。

 


  2、断层两盘相对运动方向的确定


一条断层或一定阶段的断层活动性质往往又具有相对稳定性。这种运动总会在断层面上或其两盘留下一定的痕迹,如擦痕等。这些遗迹或伴生现象成为分析判断断层两盘相对运动的主要依据。

  • 根据两盘地层的新老关系


分析两盘中地层的相对新老,有助于判断两盘的相对运动。对于走向断层,上升盘一般出露老岩层(A、B、D、E)。但如果地层倒转,或断层倾角小于岩层倾角,则老岩层出露盘是下降盘(C、F)。如果两盘中地层变形复杂,为一套强烈压紧的褶皱,那么,就不能简单地根据两盘直接接触的地层新老而判定相对运动。如果横断层切过褶皱,对背斜来说,上升盘核部变宽,下降盘核部变窄,对于向斜,情况刚好相反。



  • 牵引构造


断层两盘近断层处常常发生明显褶皱,称作牵引褶皱。一般认为是断层错动拖曳的结果,并且以褶皱的弧形弯曲的突出方向指示本盘的运动方向。


近来的研究指出,如果“牵引”褶皱是两盘相对运动引起的,则意味着于断层发生时的脆性变形在先,塑性弯曲在后,这与一般变形发育的过程相矛盾。可能的情况是是先发生挠曲,后形成断层。而牵引褶皱是在早期塑性变形弯曲基础上,在断层两盘错动中得到进一步发展。


牵引褶皱的方位,不仅决定于两盘相对运动,还决定于断层产状与两盘标志层的产状以及不同剖面或平面上的表现。


一般说来,变形越强烈,牵引褶皱愈紧闭。为了准确利用牵引褶皱,应该在平面上和剖面上同时进行观察。还要结合断层两盘相对运动的其他特征,以对断层两盘相对动向作出准确判断。 

  • 逆牵引构造


其弯曲形态与正常牵引构造相反,弧形弯曲突出方向指示对盘运动方向。逆牵引构造主要见于同沉积断层发育区(见褶皱一章中同沉积褶皱和本章同沉积断层一节的有关内容)。


  3、断层形成时代及活动时间的确定

断层一般是在一定构造运动中形成的。这类断层可以利用断层同期构造(如褶皱等)的相互关系来确定其形成时期。


如果断层与被其切断的褶皱成有规律的几何关系,则二者很可能是在同一次构造运动中形成的。查明这次构造作用的时期,也就确定了断层形成时期。


如果一条断层切断一套较老的地层,而被另一套较新的地层以角度不整合所覆盖,可以确定这条断层形成于角度不整合下伏地层中最新地层形成以后和上覆地层中最老地层沉积之前。

利用放射性同位素法可测定岩体时代,据此可推断断层的形成时代或活动时代。


例如,如果断层被岩墙岩脉充填,而且岩墙岩脉有错断迹象,则岩体侵入于断层形成或活动时期。如果断层被岩体切断,断层形成显然早于岩体。如果断层切割岩体,则断层活动应晚于岩体。

此外,由重力作用引起的重力滑动断层,可以在沉积时期,成岩时期、构造运动时期或其以后的任一时期发生。这类断层的形成时期可以根据卷入断层的最新地层和未被切断的上覆最老地层来确定。


总之,断层一般形成于某一构造运动时期,也可以与某一沉积盆地的沉积作用同时活动。而重力滑动断层可以在地质发展的任一阶段形成和发育。所以对断层形成和发育时期,应对具体断层进行具体分析。

  4断层长期活动的分析


区域性大断裂往往是长期活动的。这些断裂常常经历了一个以上的构造旋回。即使在一个构造旋回中,也可有多次的活动。


大断裂的长期多次活动主要表现在断层两盘几个时期的地层的岩相和厚度的显著差异,可以根据断裂对地层及其厚度和岩相变化的控制作用来进行研究,从而说明这类大断裂活动的历史。

大型走向滑动断层会引起两侧地层对应性水平错开,时代愈老的地层,其错距越大。沉积盆地边缘的大型正断层,常常与盆地沉降同时活动,即同沉积断层。

长期多次活动的大断裂往往是多期岩浆活动带。构造-岩浆岩带是分析断裂长期多次活动的重要参考,出露地表的岩浆岩在一定程度上反映了切割深度。伴随长期多次岩浆活动,会发生多次成矿作用,形成复杂多金属成矿带。


  • 同沉积断层


同沉积断层又称生长断层,主要发育于沉积盆地边缘,尤其是大中型断陷盆地的边缘。在大盆地内部也常有次级同沉积断层。

在沉积盆地形成发育的过程中,盆地不断沉降,沉积不断进行、盆地外侧不断隆起,这些作用都是在控制盆地边缘的断层的不断活动中发生的。


  • 同沉积断层的主要特点:


a.  同沉积断层一般为走向正断层,剖面上常成上陡下缓的凹面向上的铲状。


b.  上盘即下降盘地层明显增厚,这是同沉积断层最基本的特征和识别标志。同一地层在下降盘与上升盘的厚度比称为生长指数,生长指数反映了同沉积断层的活动强度。

c.  断距随深度增大,地层时代愈老,断距愈大。

d.  常在上盘发育逆牵引构造。因为断距是累积的,所以任一标志层的断距都反映了该层沉积以前断层活动引起的断距之和。

e.  逆牵引构造一般构成背斜,与断层走向一致延伸,背斜顶点向深部逐渐偏移,偏移的轨迹与断层面大致平行。




典型断层(断裂)构造图片赏析






































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