第四節(jié) 斷裂構(gòu)造

第四節(jié)斷裂構(gòu)造

巖石承受變形的能力是有限的，當(dāng)變形超過巖石的變形極限(受力超過巖石的強(qiáng)度)，巖石的連續(xù)性和完整性遭到破壞，產(chǎn)生破裂和位移。巖層或巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破裂，沿破裂面兩側(cè)有明顯相對(duì)位移的構(gòu)造現(xiàn)象稱為斷層。在地貌上，大的斷層常常形成裂谷和陡崖，如著名的東非大裂谷、中國(guó)華山北坡大斷崖。破裂面兩側(cè)無明顯位移的稱為節(jié)理。它與構(gòu)造節(jié)理合稱為斷裂構(gòu)造。第四節(jié)斷裂構(gòu)造斷層的規(guī)模大小相差懸殊，小的在巖石手標(biāo)本上即可見到，大者可延伸數(shù)十公里以上。有時(shí)還有多條大致平行延伸，性質(zhì)相近的大斷層組成一個(gè)斷裂帶，它們長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百甚至上千公里，寬可達(dá)幾公里。

一.節(jié)理的類型及特征

斷裂兩側(cè)巖石僅因開裂而分離，并未發(fā)生明顯相對(duì)位移的斷裂構(gòu)造稱裂隙(或節(jié)理)。它往往是褶皺和斷層的伴生產(chǎn)物，然而自然界中巖石的裂隙，并非都是由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所造成的，根據(jù)裂隙的成因，可將其分為原生(成巖)裂隙、次生裂隙和構(gòu)造裂隙三種類型。

1.原生(成巖)裂隙

原生裂隙是巖石在成巖過程中形成的裂隙。

2．次生裂隙

次生裂隙是由于巖石風(fēng)化、巖坡變形破壞、河谷邊坡卸荷作用及人工爆破等外力而形成的裂隙。

3．構(gòu)造裂隙(節(jié)理)

構(gòu)造裂隙是由地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力作用而形成的裂隙。在巖石中分布廣泛，延伸較深，方向較穩(wěn)定，可切穿不同的巖層。按其力學(xué)性質(zhì)可分為張裂隙和剪裂隙兩種。

按力學(xué)成因分類

節(jié)理按其形成時(shí)的力學(xué)性質(zhì)，主要分為由張應(yīng)力形成的張節(jié)理和由剪切應(yīng)力形成的剪節(jié)理。

1.張節(jié)理

張節(jié)理具有以下主要特征：

（1）產(chǎn)狀不穩(wěn)定，在平面上沿走向延伸不遠(yuǎn)，在剖面上延展不深。單個(gè)節(jié)理短而彎曲。

（2）節(jié)理面粗糙不平，擦痕不發(fā)育，節(jié)理兩壁裂開距離較大，有些張節(jié)理呈開口狀或楔形，常被脈巖充填。

1.張節(jié)理

張節(jié)理具有以下主要特征：

（3）當(dāng)張節(jié)理發(fā)育在碎屑巖中時(shí)，它經(jīng)常繞過較大的碎屑顆?；虻[石，形成一壁凸出一壁凹進(jìn)的現(xiàn)象，因而節(jié)理呈現(xiàn)彎曲的形態(tài)。

（4）張節(jié)理一般發(fā)育稀疏，節(jié)理之間的距離較大，分布不均勻，即使局部地段發(fā)育較多，也很少密集成帶。

（5）張節(jié)理常呈平行或斜裂式（雁行狀）出現(xiàn)，也往往追蹤已形成的兩組共軛剪切面而發(fā)育成鋸齒狀，后者稱為追蹤張節(jié)理.

2.剪節(jié)理

剪節(jié)理具有以下特征：

（1）產(chǎn)狀穩(wěn)定，在平面上沿走向延伸較遠(yuǎn)，在剖面上延展較深。

（2）節(jié)理面平直而光滑，常具擦痕、鏡面等現(xiàn)象。節(jié)理兩壁之間閉合緊密。

（3）當(dāng)剪節(jié)理發(fā)育在碎屑巖中時(shí)，常切割較大的碎屑顆?；虻[石。

（4）一般發(fā)育較密，相鄰兩節(jié)理之間的間距較小，常具有等間距分布的特點(diǎn)，密集成帶。

2.剪節(jié)理

剪節(jié)理具有以下特征：

（5）往往成對(duì)出現(xiàn)，沿兩組剪切面形成，叫“X”節(jié)理或共軛剪節(jié)理，經(jīng)常一組發(fā)育較好，另一組發(fā)育較差

（6）常呈羽列現(xiàn)象。往往一條剪節(jié)理由若干條方向相同、首尾相接的小節(jié)理呈羽狀排列而成。沿小節(jié)理走向向前觀察，后一條小節(jié)理重疊在前面一條小節(jié)理的左側(cè)，稱為左行；反之為右行。利用剪節(jié)理的這種羽列現(xiàn)象可以判斷巖石相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向.

二.斷層

1、斷層的幾何要素

斷層的幾何要素包括斷層的基本組成部分以及與闡明其錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)有關(guān)的幾何因素?cái)鄬用?。巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)位移的破裂面稱斷層面，它可以是平面或是彎曲面。小斷層或大斷層的局部地段常是平直的，有時(shí)較大的斷層可呈舒緩波狀的曲面。斷層面的產(chǎn)狀也是用走向、傾向、傾角來測(cè)定。

(1)斷層面和斷層破碎帶：巖層斷裂后沿其位移的破裂面稱為斷層面。它可以是平面、曲面，也可以是波狀起伏的面。實(shí)際上，多數(shù)巖層中發(fā)生的斷裂位移，并不是沿著一個(gè)簡(jiǎn)單的面，而往往是沿著一個(gè)由許多密集的破裂面組成的錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行的，這個(gè)錯(cuò)動(dòng)帶稱為斷層破碎帶，其寬度取決于斷層規(guī)模，一般為數(shù)厘米至數(shù)十米，少數(shù)的大斷裂有更寬的。斷層帶是由被擠壓、錯(cuò)動(dòng)形成的大小不一、粗細(xì)不等的巖石碎塊、巖粉等組成，但它們常被膠結(jié)或在強(qiáng)烈的擠壓力作用下發(fā)生動(dòng)力變質(zhì)，某些礦物

重新結(jié)晶，定向排列或產(chǎn)生一些新的變質(zhì)礦物，如葉蠟石、綠簾石、綠泥石、絹云母等。這種斷層破碎帶中所特有的巖石稱為構(gòu)造巖。根據(jù)破碎程度、重結(jié)晶及結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)造巖又可分為下列幾種。

1）斷層角礫巖。主是由＞2mm被搓碎的棱角狀碎塊及巖粉等經(jīng)膠結(jié)形成，角礫仍保持原巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)。

2）碎裂巖。主要由＜2mm的原巖碎粒并雜以巖粉經(jīng)膠結(jié)形成。能用放大鏡分辨原巖成分。

3）糜棱巖。由被碾碎成均勻細(xì)小的粉末碎屑膠結(jié)而成，以<0.05mm的顆粒為主，只有在顯微鏡下才能看出顆粒的成分和結(jié)構(gòu)特征，外觀致密，類似硅質(zhì)巖。礦物有重結(jié)晶、重組合現(xiàn)象。除含有石英、長(zhǎng)石等原巖礦物外，常含有一些變質(zhì)礦物。風(fēng)化后常呈巖粉或泥狀。（2）斷層線：斷層面與地面的交線稱為斷層線。其方向表示斷層的延伸方向，斷層線的形狀決定于斷層面的形狀和地表的起伏。

(3)上盤和下盤：斷層面兩側(cè)被斷層面分開的巖體稱為斷塊。若斷層面是傾斜的，位于斷層面以上的巖體為上盤，位于斷層面以下的巖體為下盤。

(4)斷距：斷層兩盤相對(duì)位移的距離和為斷距。巖層上的A點(diǎn)，斷裂后滑移到C點(diǎn)，則AC之間的距離稱為總斷距?？倲嗑嗟乃椒至緿C為水平斷距；總斷距的鉛直分旦AD為鉛直斷距。

Ⅱ．?dāng)鄬拥念愋停ㄒ唬鄬涌筛鶕?jù)形態(tài)和成因進(jìn)行分類。如根據(jù)斷層兩盤的相對(duì)位移，可劃分為如下幾類。

(1)正斷層：上盤相對(duì)下降，下盤相對(duì)上升的斷層稱為正斷層。正斷層的斷層線一般較為平直，斷層面的傾角通常多大于45°。圖3-14地壘、地塹及階梯式斷層

正斷層往往成組出現(xiàn)，共同組合成一定的形態(tài)：由兩條以上互相平行、傾向一致(或相近)的正斷層可組合成上盤依次下降的階梯式斷層。若兩條以上的正斷層，斷層面相向傾斜，兩斷層面間的巖體相對(duì)下降，兩邊巖體相對(duì)上升組合成“地塹”；相反，若斷層面相背傾斜，兩斷層面中間巖體相對(duì)上升，兩邊相對(duì)下降。則組合成“地壘”。在地形上，地塹常形成狹長(zhǎng)的凹陷地帶，地塹則多構(gòu)成塊狀山地。

(2)逆斷層：上盤相對(duì)上升、下盤相對(duì)下降的斷層稱為逆斷層，逆斷層的規(guī)模一般較大，斷層面較為彎曲或呈波狀形態(tài)。按斷層面傾角大小，可將逆斷層分為：

1)沖斷層：斷層面傾角大于45°2)逆掩斷層：斷層面傾角在45°-25°之間。

3)輾掩斷層：斷層面傾角小于25°。逆斷層也往往成組出現(xiàn)。幾條相互平行的逆掩斷層或沖斷層可以組合成為疊瓦式構(gòu)造。

（3）平移斷層：這是斷層兩盤產(chǎn)生相對(duì)水平位移的斷層多系受剪（扭）應(yīng)力形成，因此大多數(shù)與褶皺軸斜交，與“X”節(jié)理平行或沿該節(jié)理形成，斷層的傾角常常是近于直立的。這種斷層的破碎帶一般較窄，沿?cái)鄬用娉Ｓ薪降牟梁邸?/p>

有時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)方向兼有平移和上下的相對(duì)位移，這時(shí)如以平移為主，則稱正平移斷層或逆平移斷層。若以上下錯(cuò)動(dòng)為主，則稱平移正斷層或平移逆斷層。

（二）按斷層力學(xué)成因性質(zhì)分類斷層是在地殼運(yùn)動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)部相應(yīng)產(chǎn)生的壓應(yīng)力、張應(yīng)力和扭應(yīng)力（剪應(yīng)力）的作用所形成的。因此，斷層按力學(xué)性質(zhì)可分為以下五種類型。1.壓性斷層由壓應(yīng)力派生的剪力作用形成，也稱壓性結(jié)構(gòu)面。

壓性斷層的走向與壓應(yīng)力方向垂直，在斷層面兩側(cè)，主要是上盤巖體受擠壓相對(duì)向上位移，如逆斷層等。壓性斷層常與褶皺軸平行，并可成群出現(xiàn)而構(gòu)成擠壓構(gòu)造帶。斷層帶往往有斷層角礫巖、糜棱巖和斷層泥，形成軟弱破碎帶。破碎帶中常有擠壓形成的透鏡狀、扁豆?fàn)罨蛄庑螇K體及劈理裂隙。在較脆弱的巖石中，斷層面上常有反映錯(cuò)動(dòng)方向的擦痕。2.張性斷層由張（拉）應(yīng)力派生的剪力作用形成，也稱張性結(jié)構(gòu)面。張性斷層的走向是垂直于張應(yīng)力方向，常為正斷層形式，斷層面粗糙，多呈鋸齒狀。

3.扭性斷層由扭（剪）應(yīng)力作用形成，也稱扭性結(jié)構(gòu)面。與主壓應(yīng)力方向的交角小于45°，并常成對(duì)出現(xiàn)。斷層平直光滑，常有大量擦痕。扭性斷層一般是兩組共生，呈“X”型交叉分布，但往往是一組發(fā)育，而另一組不發(fā)育，如平移斷層等。圖3-16構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與斷裂關(guān)系示意圖

4.壓扭性斷層具有壓性斷層兼扭性斷層的力學(xué)特性，如部分平移逆斷層。

5.張扭性斷層具有張性斷層兼扭性斷層的力學(xué)特性，如部分平移正斷層。（三）按斷層產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系分類

1.走向斷層。斷層走向與巖層走向平行。

2.傾向斷層。斷層走向與巖層走向垂直。

3.斜交斷層。斷層走向與巖層走向斜交。此外，也可根據(jù)斷層走向與褶曲軸線方向的關(guān)系進(jìn)行分類：縱斷層、橫斷層、斜斷層。

Ⅲ.斷層的識(shí)別在野外調(diào)查斷層時(shí)，首先要確定斷層的存在，然后才能對(duì)斷層進(jìn)行進(jìn)一步的研究。調(diào)查時(shí)可利用如下特征作為識(shí)別斷層的標(biāo)志。

(1)沿巖層走向追索，若發(fā)現(xiàn)巖層突然中斷，而和另一巖層相接觸，則說明有橫穿巖層走向的斷層或與巖層走向斜交的斷層存在，如果斷層橫切褶皺軸表現(xiàn)為斷層兩側(cè)核部巖層的寬度突然變化，在背斜核部相對(duì)變寬的一側(cè)為上升盤，而向斜核部相對(duì)變寬的一側(cè)為下降盤。(2)沿垂直于巖層走向的方向進(jìn)行觀察，若巖層存在不對(duì)稱的重復(fù)式缺失，則說明有平行于巖層走向的斷層存在。圖3-17斷層橫切褶皺核部立體示意圖（a）背斜核部下降盤變窄；（b）向斜核部下降盤變寬圖3-18縱斷層造成的地層重復(fù)或缺失a正斷層（重復(fù)）b正斷層（缺失）c逆斷層（重復(fù)）d逆斷層（缺失）

(3)由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，沿?cái)鄬用婊驍鄬悠扑閹Ъ捌鋬蓚?cè)，常常出現(xiàn)一些伴隨的構(gòu)造變動(dòng)現(xiàn)象，如：①斷層兩盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，在斷層面上留下的摩擦痕跡稱為“擦痕”。有時(shí)在斷層面上：存在有垂直于擦痕方向的小臺(tái)階，或稱為“階步”。②斷層角礫巖、斷層泥、糜棱巖等構(gòu)造巖的分布。③斷層兩盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，沿?cái)鄬用娈a(chǎn)生巨大的摩擦力，鄰近斷層的兩側(cè)地層因受摩接力的牽引，發(fā)生塑性的拖拽和拉伸而形成的弧形彎曲現(xiàn)象，稱為斷層牽引褶皺。在野外工作中，如發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象，即應(yīng)進(jìn)一步研究是否有斷層存在。圖3-19斷層擦痕和階步圖3-20斷層牽引褶皺

(a)正斷層，(b)逆斷層

(4)在地貌上，斷層常形成斷層崖、三角面山、山脈的中斷或錯(cuò)開，平原相接觸等現(xiàn)象。

(5)沿?cái)鄬訋СＰ纬蓽瞎取⑼莸?，或出現(xiàn)線狀分布的湖泊、泉水等。

(6)某些喜濕性植物呈帶狀分布。斷層與裂隙對(duì)山體或巖體的完整性、穩(wěn)定性、滲透性影響極大，在水工建筑中持別重視。本課程將在野外地質(zhì)實(shí)習(xí)中進(jìn)行專門的講述與觀察。

三.活斷層活斷層或稱活動(dòng)斷裂是指現(xiàn)今仍在活動(dòng)，或者近期曾有過活動(dòng)，不久的將來還可能活動(dòng)的斷層。后一種情況也稱為潛在活斷層。活斷層可使巖層錯(cuò)動(dòng)位移或發(fā)生地震，對(duì)工程建筑造成很大的、甚至是無法抗拒的危害。因此，查明建筑地區(qū)有沒有活斷層及其對(duì)工程建設(shè)的影響是一個(gè)很重要的問題。

1.活斷層的分類（1）按兩盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)方向分類活斷層按兩盤錯(cuò)動(dòng)方向也可分為平移斷層、正斷層和逆斷層，但對(duì)平移斷層通常稱為走向滑動(dòng)型斷層，而對(duì)正、逆斷層則稱傾向滑動(dòng)型斷層。走向滑動(dòng)型斷層是最多見的一種，斷層面陡傾或直立，平直延伸，有的規(guī)模很大。這類斷層往往能積蓄較高的能量，發(fā)生高震級(jí)的強(qiáng)烈地震。傾向滑動(dòng)型的逆斷層也較常見，多是由水平擠壓形成，斷層傾角較緩，通常小于45°。錯(cuò)動(dòng)時(shí)多為上盤上升，所以上盤地表變形開裂現(xiàn)象較多、較嚴(yán)重，巖體也較下盤破碎，對(duì)建筑物危害較大。

（2）按活動(dòng)性質(zhì)分類活斷層按其活動(dòng)性可分為蠕變型和突發(fā)型兩類。

1）蠕變型活斷層指只有長(zhǎng)期緩慢的相對(duì)位移變形，而不發(fā)生地震或只有少數(shù)微弱地震的活斷層，也有人稱為動(dòng)而不震型。

2）突發(fā)型活斷層指斷層錯(cuò)動(dòng)位移是突然發(fā)生的，并同時(shí)發(fā)生較強(qiáng)烈的地震，有人稱為震中有斷型。這可分為兩種情況：一是地震就是該斷層錯(cuò)動(dòng)所引起的，即所謂的發(fā)震斷層。另一種情況是因地震而引起老斷層錯(cuò)動(dòng)，也稱斷層復(fù)活，或產(chǎn)生新的斷層。如1976年唐山地震時(shí)，發(fā)生一條長(zhǎng)8km的地表錯(cuò)斷，以NE30°的方向穿過市區(qū)，最大水平斷距達(dá)1.63m，垂直斷距達(dá)0.7m，錯(cuò)開了樓房、錯(cuò)開了道路等一切建筑。據(jù)歷史地震伴生的地表斷裂最大位移值統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)不超過10m，一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表所列。圖3-21唐山地震地面斷層錯(cuò)動(dòng)層圖

2.活斷層的特征（1）活斷層的繼承性活斷層有明顯的繼承性，即絕大多數(shù)的活斷層都是沿已有的老斷層發(fā)生新的錯(cuò)動(dòng)位移。尤其是區(qū)域性的深大斷裂更為多見。但新活動(dòng)的部位通常只是沿老斷裂的某個(gè)段落發(fā)生，或是某個(gè)段落強(qiáng)烈，另一些不強(qiáng)烈。也有的大斷裂帶一些段落是蠕變型活動(dòng)，另一些段落是突發(fā)型活動(dòng)。（2）活斷層的長(zhǎng)度和斷距活斷層的長(zhǎng)度可由幾公里到幾百公里，如郯廬斷裂、云南小江斷裂等?；顢鄬拥臄?/p>

中國(guó)地震斷層長(zhǎng)度及位移值統(tǒng)計(jì)表距，據(jù)歷史地震伴生的地表斷裂最大位移值統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)不超過10m，一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表所列。

（3）活斷層的錯(cuò)動(dòng)速率突發(fā)型活斷層在突然錯(cuò)動(dòng)時(shí)速率很快，是在很短時(shí)間內(nèi)完成的。蠕變型活斷層的錯(cuò)動(dòng)速率大多在年平均零點(diǎn)幾至幾十毫米之間。如，新疆克孜爾水庫壩址區(qū)活斷層水平位移速率為12-13mm／a。活斷層的變形速率是不均勻的，有時(shí)差別甚大。尤其發(fā)震斷層臨震前可成倍增速，而震后又變緩，所以活斷層變形速率的變化對(duì)預(yù)報(bào)地震是很重要的。

3.活斷層的判別標(biāo)志（1）直接標(biāo)志有下列現(xiàn)象之一的斷層，即可判定為活斷層。

1）錯(cuò)斷晚更新世以來的地層者。2）斷裂帶中的構(gòu)造巖或被錯(cuò)動(dòng)的脈體，經(jīng)絕對(duì)年齡測(cè)定，距今不足12萬年者。3）根據(jù)儀器觀測(cè)，沿?cái)鄬佑写笥?.1mm／a的相對(duì)位移或地形變者。4）沿?cái)鄬佑袣v史和現(xiàn)代中、強(qiáng)震震中分布或晚更新世以來的古地震遺跡，或密集而頻繁的近期微震活動(dòng)。5）在構(gòu)造上證實(shí)與已知活動(dòng)斷層有共生或同生關(guān)系的斷層。

（2）間接標(biāo)志具有下列現(xiàn)象之一者，可能為活斷層，但需結(jié)合其它證據(jù)綜合分析才能判定。

1）沿?cái)鄬油砀率酪詠硇纬傻碾A地發(fā)生錯(cuò)位，在跨越斷層處，水系有明顯的與斷層同步轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，或斷層兩側(cè)晚更新世以來的沉積層厚度有明顯差異。

2）沿?cái)鄬拥孛餐蝗话l(fā)生大范圍的變化，如山區(qū)突然轉(zhuǎn)為平原，且有平直新鮮的斷層陡崖、斷層三角面，山前有崩塌、滑坡。

3）沿?cái)鄬泳€有串珠狀的泉水、沼澤分布，有地?zé)?、水化學(xué)異常帶，或水溫、水量

水質(zhì)有異常變化。

4）古建筑、古陵墓等被斷層錯(cuò)斷，如寧夏石嘴山紅果子溝明代長(zhǎng)城有兩處被錯(cuò)斷，分別為0.35m和0.95m。后經(jīng)開挖探槽查明在基礎(chǔ)下面有晚更新世地層被錯(cuò)斷，斷距分別為1.95m和2.0m。

5）沿?cái)鄬訋в兄亓虼帕Ξ惓，F(xiàn)象。在確定是否為活