构造运动-构造运动引起的岩石变形

第三节  构造运动引起的岩石变形

岩石变形是构造运动的重要表现和结果。沉积岩形成时除局部地区具有原始倾斜以外，基本上是水平产出的，而且在一定范围内是连续的；岩浆岩则具有原生的整体性。但是经过构造运动，岩层可由水平变为倾斜或弯曲，连续的岩层被断开或错动，完整的岩体被破碎等。根据岩石变形的特征可以分析构造运动的性质、强度及时代等。岩石变形的产物称为地质构造（geologic  structure）。最常见的地质构造为褶皱和断裂。

岩石之所以能发生变形是因为它受到了构造运动所施加的力的作用。这种力一般来自于相邻岩块的挤压、拉张与剪切作用。在近地表的环境下，坚硬的岩石通常表现为脆性（brittle），它在强烈的构造运动作用下，容易发生破裂变形这是可以理解的。但是，在自然界我们常看到岩石发生复杂的弯曲变形，这说明岩石在变形时曾表现出明显的韧性（柔性）（ductile）。地表看来坚硬的岩石之所以能发生明显的韧性变形，主要是因为有许多因素影响着岩石变形的力学性质，其中主要有围压、温度、溶液及构造作用力的快慢等。一般来说，当岩石处于地下一定深度的较高围压与温度环境下，或者岩石含流体丰富、固结较差，并且施加的构造作用力比较缓慢时，岩石表现出较强的韧性，易发生连续的弯曲或褶皱变形。

一、岩层产状

构造运动使岩石变形，形成各种地质构造。而这些地质构造的形态往往是由岩层或岩石在空间上的位置变化表现出来的。因此，要研究地质构造，首先必须确定岩层或岩石的空间位置。

地壳表面分布最广的岩石是沉积岩，由于沉积岩具有原生层理构造，所以它对记录岩石变形的特征最为有利。沉积岩的基本单位是岩层（stratum），同一岩层一般由成分基本一致的物质组成，岩层与岩层之间由层理面或层面分开。一个岩层上、下两个层面，称为顶面和底面，岩层顶、底面间的垂直距离即岩层厚度，同一岩层的厚度通常是比较一致的，但有时也可出现岩层逐渐变薄并尖灭的现象。岩层在空间的位置称为岩层的产状（attitude  ofstratum）。岩层产状用岩层的走向、倾向和倾角来确定，这三者称为岩层的产状要素。

    走向岩层层面与假想水平面交线的延伸方向称走向，其交线叫走向线。走向表示岩层在空间的水平延伸方向，用走向线的地理方位角来表示（0°～360°）。由于走向线有两个延伸方向，故同一岩层的走向有两个值，两者数值相差180°。

倾向（dip）岩层面上垂直于走向线向下所引的直线称为倾斜线，倾斜线在水平面上的投影所指的方向称为倾向。倾向表示岩层在空间的倾斜方向，一般用地理方位角表示（0°～360°），其数值与走向相差90°。岩层的倾向值只有一个。

倾角（dipangle）倾斜线与其在水平面上的投影线之间的夹角称倾角（或真倾角）。它是岩层面与水平面之间所夹的最大锐角，倾角值为0°～90°。在不垂直岩层走向线的任何方向上量得的倾角称视倾角或假倾角，视倾角总是小于真倾角。

岩层的产状要素在野外是直接用罗盘测量出来的，测得的产状要素用规定的文字或符号记录。常用的文字记录格式为：倾向方位角∠倾角，如150°∠30°表示倾向方位角为150°（即东南方向）、倾角为30°。因为倾向方位角加、减90°即为走向方位角，所以一般不记录走向，直接记下倾向即可。走向、倾向及倾角在地质平面图上用“30°”符号表示，符号中的长线方位与走向一致，短线指向与倾向一致，长短线的交点应落在测量点位置上，符号旁边加注的数字为倾角。

自然界的岩层按其产状可分为三种类型：水平岩层（倾角为0°左右）、倾斜岩层（倾角介于0°～90°之间）和直立岩层（倾角接近90°）。其中以倾斜岩层最常见、分布最广；水平岩层只有少数地区才能见到；直立岩层也是局部现象。

二、褶皱构造

褶皱（fold）是岩层受力变形产生的连续弯曲，其岩层的连续完整性没有遭到破坏，它是岩层塑性变形的表现。褶皱的形态多种多样，规模有大有小。小的在手标本中可见，大的宽达几十公里、延伸长达几百公里。褶皱中的单个弯曲称为褶曲。

（一）褶皱的要素

褶皱的组成部分称褶皱的要素。为了正确描述和研究褶皱构造，必须弄清褶皱的各个组成部分及其相互关系。褶皱要素主要有核、翼、转折端、枢纽、轴面等。

核（core）组成褶皱中心部分的岩层叫核。它的范围是相对的，一般只把位于褶皱内部的某一地层定为核。如果是剥蚀后出露于地面的褶皱的核，通常是指最中心的地层。

翼（limb）褶皱核部两侧的岩层称为翼。相邻的两个褶曲之间的翼是共有的。

转折端（hinge  zone  of  fold）从褶皱一翼向另一翼过渡的弯曲部分称为转折端。它是连接两翼的部分，其形态多为圆滑弧形，有时也呈尖棱状、箱状或扇状。

枢纽（hinge  of  fold）组成褶皱的岩层的同一层面上最大弯曲点的联线叫枢纽。枢纽可以是直线，也可以是曲线或折线。枢纽的空间产状可以是水平的、倾斜的或直立的，但以倾斜的最常见，枢纽的向下倾斜称为枢纽倾伏。

轴面（axial  plane）是连接同一褶皱的各岩层枢纽所构成的面。它是一个抽象的面，一般可把轴面看成是平分褶皱两翼的对称面。轴面可以是平面，也可以是曲面；其空间产状可以是直立的，也可以是倾斜的或者水平的。轴面直立，则褶皱两翼岩层倾角大致相等；轴面倾斜，则褶皱两翼岩层倾角不等。

（二）褶皱的基本类型

褶皱的基本类型有两种，即背斜（anticline）和向斜（syncline）。

背斜在形态上是向上拱的弯曲，其两翼岩层一般相背倾斜（即以核部为中心分别向两侧倾斜），经剥蚀后出露于地表的地层具有核部为老地层、两翼岩层依次变新的对称重复特征。向斜在形态上是向下凹的弯曲，其两翼岩层一般相向倾斜（即两翼均向核部倾斜），经剥蚀后出露于地表的地层具有核部为新地层、两翼地层依次变老的对称重复特征。背斜形成的上拱及向斜形成的下凹形态，经风化剥蚀后，并不一定与现在地形的高低一致。背斜可以形成山岭，但也可以是低地；向斜可以是低地，但也可以构成山岭。因此，地形上的高低并不是判别背斜与向斜的标志。

虽说组成背斜两翼的岩层一般相背倾斜、组成向斜两翼的岩层一般相向倾斜，但在实际工作中仅仅依靠岩层的产状来确定褶皱的基本类型是不可靠的，有时甚至是错误的。

褶皱存在的根本标志是在垂直地层走向方向上出露的相同年代的地层作对称式重复排列。判断背斜的根本标志是核老翼新的对称式重复排列，判断向斜的根本标志是核新翼老的对称式重复排列。

褶皱的基本类型虽然只有两种，但褶皱的具体形态却多种多样，为了便于描述和研究褶皱的形态，可以根据褶皱的某些要素进行形态分类。如按照褶皱轴面产状可分为4种类

（1）直立褶皱  轴面近于直立，两翼倾向相反、倾角大小近于相等；

（2）斜歪褶皱  轴面倾斜，两翼岩层倾向相反、倾角大小不等；

（3）倒转褶皱  轴面倾斜，两翼岩层朝同一方向倾斜，倾角大小不等，其中一翼岩层为正常层序，另一翼为倒转层序，如两翼岩层倾角大小相等则称为同斜褶皱；

（4）平卧褶皱  轴面及两翼岩层产状均近于水平，其中一翼岩层正常，另一翼为倒转。

（三）褶皱构造的形成时代

褶皱的形成时代，通常是根据区域性的角度不整合的时代来确定。基本原则是，褶皱的形成年代为组成褶皱的最新岩层年代之后与覆于褶皱之上的最老岩层年代之前。

三、断裂构造

岩石受力作用超过岩石的强度极限时，岩石就要破裂，形成断裂构造。断裂构造（fracture）包括节理（joint）和断层（fault）两类。岩石破裂并且两侧的岩块沿破裂面有明显滑动者称为断层；无明显滑动者称为节理。断裂构造在地壳中分布极为普遍，它既可发育于沉积岩中，也可广泛发育于岩浆岩与变质岩中。断裂构造的规模有大有小，巨型的长可达上千公里。

（一）节理

节理构造分布极为广泛，几乎到处可见，但在不同地区、不同的地质构造部位以及不同类型的岩石中，节理的发育程度是不同的。根据节理形成的力学性质，可将节理分为剪节理和张节理两类。

剪节理（shearjoint）是由剪应力产生的破裂面，具有以下主要特征：①剪节理产状较稳定，沿走向和倾向延伸较远。②剪节理面较平直光滑，有时具有因剪切滑动而留下的擦痕。③剪节理两壁一般紧闭或壁距较小，较少被矿物质充填，如被充填，脉宽较为均匀，脉壁较为平直。④发育于砾岩和砂岩等岩石中的剪节理，一般切割砾石和胶结物。⑤典型的剪节理常常组成共轭X型节理系。X节理发育良好时，可将岩石切成菱形或棋盘格式。如果一组节理发育而另一组不太发育，则形成一组平行延伸的节理。不论是X型节理或一组平行节理，节理往往成较好的等间距排列。

张节理（tension  joint）是由张应力产生的破裂面，具有以下主要特征：①张节理产状不甚稳定，延伸不远。②张节理面粗糙不平，无擦痕。③张节理多开口，常常被矿脉充填成楔形、扁豆形及其他不规则形状。脉宽变化较大，脉壁不平直。④在砾岩或砂岩中的张节理常常绕砾石或粗砂粒而过。⑤张节理有时成不规则的树枝状、各种网络状，有时也具一定几何形态，如追踪X型节理的锯齿状张节理、单列或共轭雁列式张节理等。

节理在野外常成群成组出现，有时当某一方向的节理特别发育时，常常会把节理面与层面相混淆，因此在野外必须认真区别节理面与层面。通常把在同一时期同样力学成因条件下形成的彼此平行或近于平行的特征相近的节理归于一组。节理的产状以节理面的走向、倾向、倾角来确定，其测量与记录方法同岩层产状。根据岩石露头上节理组的交叉切割和限制关系，可以划分出它们形成时间上的相对先后。一般来说，被切割的节理组比切割它的节理组形成得早；若一组节理被另一组节理所限制发育，则被限制发育的节理形成时间相对要晚些；如果两组不同方向的节理互相切割和限制，则它们可能是同期形成的共轭X型节理系。

（二）断层

1.断层要素及断层位移

断层的基本组成部分称断层要素。它包括断层面和断盘。

断层面（faultsurface）被错开的两部分岩石沿之滑动的破裂面称断层面。断层面的产状用走向、倾向和倾角表示，其测量与记录方法同岩层产状。断层面可以是水平的、倾斜的或直立的，以倾斜的最多。其形状可以是平面，也可以为曲面或台阶状。有时断层两侧的运动并不是沿一个面发生，而是沿着由许多破裂面组成的破裂带发生，这个带称为断层破碎带或断裂带。断层面与地面的交线称断层线。它反映断层的延伸方向和断层的延伸规模。由于断层面的形状、产状的变化及地形的影响，断层线可以是直线，也可以是曲线。

断盘（fault  wall）断层面两侧相对移动的岩块称作断盘。当断层面倾斜时，断盘有上、下之分，位于断层面以上的断块叫上盘，位于断层面以下的叫下盘。断层面为直立时，往往以方向来说明，如称为断层的东盘或西盘。如按两盘相对运动来分，相对上升的断块叫上升盘，相对下降的断块叫下降盘。上升盘与上盘不见得是一致的，上升盘可以是上盘，也可以是下盘；下盘可以是上升盘，也可以是下降盘。

断层两盘岩石沿断裂面的相对错动称为断层位移。断层位移的距离可以在断层两盘上选择一定的标志（对应点或对应层）来计算。断层面上相应点被错开的实际距离称为总滑距；总滑距在断层面走向上的投影长度称走向滑距；总滑距在断层面倾斜线上的投影长度称倾向滑距。由于在断层面上很难找到相互错开的对应点，因此常用断层两盘的对应层（标志性岩层或地层）错动来估算断层位移距离。被错断岩层在断层两盘上的对应层之间的相对距离称断距。其中，断层两盘上对应层之间的垂直距离称地层断距；对应层之间的铅直距离称铅直地层断距；对应层之间的水平距离称水平地层断距。

2.断层的基本类型

按断层两盘相对运动特点，断层可分为三种基本形态类型：

正断层（normal  fault）上盘相对下降、下盘相对上升的断层称为正断层（图8.19A）。正断层的断层面常常较陡，倾角一般在45°以上，断层线也比较平直，它通常是在拉张和重力作用下形成的。

逆断层（reverse  fault）上盘相对上升、下盘相对下降的断层称为逆断层。逆断层的倾角有陡有缓，如果断层面倾角小于45°，常称为逆掩断层或冲断层（thrust）。逆断层一般是在较强的水平挤压力的作用下形成的。

平移断层（strike-slip  fault）两盘沿断层面走向相对水平错动的断层称平移断层或走向滑动断层。平移断层根据两盘相对滑动方向分为左行（或左旋）和右行（或右旋）两类：观察者位于断层一盘，看对面另一盘向左侧滑动者称左行，向右侧滑动者称右行。平移断层的倾角通常很陡，甚至是直立的，断层线延伸较平直。这种断层多是在水平剪切力偶或水平挤压力的作用下形成的。

但是，自然界的断层并非总是沿着断面的倾向或走向滑动，断层经常为斜向滑动，即兼有两种滑动性质，这时可复合命名，如正平移断层、平移逆断层，前者表示以平移断层为主兼有正断层性质，后者表示以逆断层为主兼有平移断层性质。

断层有时在一个地区成群、成组出现，形成一定的组合形态，常见的断层组合类型有下列几种。

阶梯状断层（step  fault）由许多产状大致平行的正断层沿着同一个方向呈阶梯状下滑而形成的断层组合，因其形如下降的台阶，故称阶梯状断层。这类断层多出现在断陷盆地的边缘。

地堑（graben）和地垒（horst）是由两条或两组走向大致平行但倾向相反的断层所形成的断层组合。如果两条或两组断层之间的岩块相对下降，两边岩块相对上升则称为地堑；反之中间上升两侧下降者则称为地垒。地堑和地垒多由正断层组合而成，但逆断层也可组成。现今的一些狭长形断陷盆地往往是地堑构造。

叠瓦状构造（imbricat  structure）由一系列产状大致平行的逆断层所组成，其老岩层依次叠覆于新岩层之上，状如叠瓦，故称为叠瓦状构造。它常同强烈的褶皱作用伴生，由剧烈的水平挤压作用形成，多出现于褶皱山系的两侧边缘。

大规模的正断层及其组合常常造成地壳在水平方向上的长度伸展和在垂直方向上的厚度减薄，它一般是由相邻的地壳块体发生相背离的水平运动所造成的结果。大规模的逆断层及其组合常造成地壳在水平方向上的缩短和在垂直方向上的增厚，一般是由相邻的地壳块体发生相向的水平挤压运动所造成的结果。

3.断层的识别标志

在野外，可根据下述几方面的标志去识别断层及判断断层的运动：

（1）构造线和地质体的不连续  岩层、含矿层、岩体、褶皱轴等地质体或地质界线等在平面和剖面上的突然中断、错开的现象，说明可能有断层存在。但要注意与不整合界面、岩体侵入接触界面等造成的不连续现象加以区别。

（2）地层的重复与缺失  在一区域内，按正常的地层层序，如果出现有某些地层的不对称重复，某些地层的突然缺失或加厚、变薄等现象，这都可能是断层存在的标志。

（3）擦痕、磨擦镜面、阶步及断层岩  断层面上平行而密集的沟纹称为擦痕，局部平滑而光亮的表面称为磨擦镜面。断层面上往往还有与擦痕方向垂直的小陡坎，其陡坡与缓坡呈连续过渡，称为阶步。它往往是断层间歇性活动或因断层运动受到某种阻力而形成的。擦痕、磨擦镜面及阶步均是断层滑动的直接证据。此外，擦痕的方向指示断层的相对运动方向，其中手摸擦痕面时感到光滑的方向即为对盘运动的方向；阶步的陡坡倾斜方向也指示断层对盘的运动方向。断层带中因断层而形成的动力变质岩类称断层岩或构造岩。如断层角砾岩、糜棱岩、断层泥等。断层岩不仅是断层存在的岩石标志，而且断层岩的特征还能反映断层的性质、运动方向及形成的物理环境等。

（4）地貌及水文标志  较大规模的断层，在山前往往形成平直的陡崖，称断层崖。断层崖如被沟谷切割，便形成一系列三角形的陡崖，称断层三角面。此外山脊、谷地的互相错开，洪积扇的错断与偏转，水系突然直角拐弯，泉水沿一定方向呈线状分布，湖泊、沼泽呈条带状断续分布等，都可能是存在断层的间接标志。

4.断层的形成时代

断层的形成时代主要根据断层与地层的切割关系来确定，如果断层切过了一套地层，则断层的形成时代应晚于这套地层中最新的地层时代；当断层又被另一套地层所覆盖时，则断层的形成时代要早于上覆地层中最老的地层时代。

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