断裂构造—节理的观测和研究-地质专业毕业论.doc

毕业论文题目：断裂构造节理的观测和研究 专业： 区域地质调查及矿产普查 姓名： 班级: 指导教师: 地质工程系年 月 日断裂构造节理的观测和研究摘要:节理是岩石中的裂隙,是没有明显位移的断裂,也是地壳上部岩石中发育最广的一种构造。节理的研究在理论上和生产实践上都具有重要意义。节理常常是矿液、石油、天然气和地下水的运移通道和储蓄空间,一些矿产的分布与节理的性质、产状和分布关系密切。大量发育的节理常常引起水库的渗漏和岩体的不稳定,给水库大坝等工程带来隐患。节理的性质,产状和分布规律与褶皱、断层和区域构造有着密切的成因联系，节理研究有助于分析和阐明地质构造的形成和发展。关键词：节理 发育 形成 发展阶段等一 节理及其分类一、节理的基本概念节理是指组成地壳的岩层或岩体在外力作用下发生的断裂，且断面两侧岩块没有发生明显相对位移的断裂构造。节理的断裂面称为节理面，节理的产状用节理面的走向、倾向和倾角来表示。通常情况下在同一野外露头上见到的大量节理，可以是在同一时期内，同一方向、同一性质的构造应力场中形成的；也可以是在不同时期，不同方向、不同性质的构造应力场中形成的；或者，虽属同一构造应力场，但是属于不同发展阶段的产物。凡是在同一时期内，同一构造应力场中形成的节理，一般都是有规律地成群、成组出现，表现出一定的组合型式，构成节理组和节理系。节理组是指在同一时期内，同一方向、同一性质的应力作用下产生的，力学性质相同、产状基本一致的一群节理。节理系是指在一次构造作用的统一应力场中形成的两个或两个以上的节理组所构成的节理群，如X型共轭节理系。组成同一个节理系的不同节理组，形成时期相同；节理组的产状可以不相同。节理系也包括在一次构造作用的同一应力场中形成的产状呈规律性变化的一群节理。如一群放射状节理或同心状节理。节理经常与褶皱、断层等构造相伴生出现，或者作为它们的派生构造而发育在它们的某些部位。节理和褶皱、断层往往是在统一的构造应力场中形成的，常成一定的组合规律。二、节理的分类节理的分类，主要依据有两个:一个是节理与有关构造的几何关系,另一个是节理形成时的力学性质。 前者反映了在形态上的关系，后者反映了其力学成因。两者既有联系、又有区别。（一）节理的几何分类节理是一种相对小型的构造,总是与其它构造相伴生。节理的产状与其它构造的产状之间往往存在一定的几何关系.1根据节理产状与岩层产状的关系分类（图1-1）（1）走向节理。节理走向与岩层走向大致平行。（2）倾向节理。节理走向与岩层走向大致直交也就是与岩层倾向一致。（3）斜向节理。节理走向与岩层走向斜交。 图1-1节理与岩层产状关系分类示意图（4）顺层节理。节理面与岩层的层面大致平行。1-走向节理；2-倾向节理；3-斜向节理；4-顺层节理2根据节理与褶皱轴的关系分类（图1-2）（1）纵节理。节理走向与褶皱轴向平行。（2）横节理。节理走向与褶皱轴向垂直。（3）斜节理。节理走向与褶皱轴向斜交。 对于发育于水平岩层与近水平岩层中的节理,一般根据节理的走向进行划分,如北东向节理,北西向节理等。 (二)节理的力学性质分类根据节理的力学性质可将节理分为剪节理和张节理。1剪节理剪节理是由构造运动产生的剪应力作用形成 图4-2 节理与褶皱轴关系分类示意图的节理。具有下列主要特征: a纵节理；b斜节理；c横节理（1）产状较稳定,沿走向和倾向延伸较远。（2）节理面平直光滑,有时具有剪切滑动留下的擦痕。剪节理如被矿物质充填,岩(矿)脉较为均匀,脉壁较平直。（3）发育于砾岩和含砾砂岩中的剪节理,一般直切砾石而过。（4）典型的剪节理常常组成共轭X型节理系,（图1-3）常将岩石切成菱形、棋盘格式或呈柱状。如果只有一组节理发育,则成平行延伸的节理.剪节理往往成等间距排列。（5）主剪裂有羽状微裂面组成（图1-4）。（6）尾端呈折尾、菱形节环、分叉（图1-5）。应该指出过去曾认为X型节理的锐角平分线总是与1一致，即剪裂角小于45度，实际观察表明共轭剪节理的共轭剪裂角有时可能等于或大于90，即剪裂角可以等于或大于45度。因此不应简单地把X型剪节理的锐角分线作为1。这种情况在分析韧性岩石发育地区以及多次强烈变形地区要特别注意。图1-3 X型剪节理图1-4 湖北黄陵背斜南部石灰岩中剪节理羽裂现象素描图2张节理张节理是由构造运动产生的张应力作用形成的节理。具有下列主要特征：（1）张节理产状不稳定，延伸不远，单个节理短而弯曲，若干张节理常以侧列关系出现。（2）张节理面粗糙不平，无擦痕，多呈锯齿状，上宽下窄，呈现开口向上的楔形，并多被岩脉所充填（图1-6）。（3）发育在砾岩或含砾砂岩中的张节理往往绕过砾石。（4）张节理一般节理间距较大，稀密不均。（5）一般在拉伸应力作用下形成的张节理呈现平行排列,而在剪切应力作用下形成的张节理在平面或剖面上呈现雁行排列。（6）尾端呈树枝状、多级分叉和杏仁状结环（图1-7）。图1-5 剪节理尾端变化的三种形式(a)折尾 (b)菱形结环 (c)节理叉 图1-6 张节理被矿脉充填 图1-7 张节理尾端变化的形式 (a) 树枝状分叉 (b) 杏仁状结环 由于各种因素的干扰或多次变形叠加，节理往往并不具备前述典型特征。在鉴别节理力学性质时，应选取未受后期改造的节理，并且要综合考虑各种特点。由于各种构造变形作用的递进发展，有的节理会发生力学性质的转化，以致常出现一条节理兼具两类节理的特征或过渡特征，表现为张剪性（图1-8a）。有时一条剪节理顺走向转变为一条雁列张节理（图1-8b）。图1-8 （a）北京西山一条张剪性型节理 （b）剪切带中张节理的变化（据朱志澄等，1990）二 节理的观察与研究一、节理的分期、配套一定地区的节理一般是长期多次构造活动的产物，为了探讨该地区的构造变形史和古构造应力场，常常进行节理的分期与配套。节理的分期和配套就是从时间、空间和力学成因上研究一个地区节理的形成发育史和分布产出规律，从而为研究一个地区的构造和恢复古构造应力场提供一定依据。（一）节理的分期区域内的节理有的是同期构造运动形成的,有的是不同时期构造运动形成的,因此必须对节理的形成进行分期。分期就是将一定地区不同时期形成的节理加以区分，将同期节理组合在一起。图1-9 错开节理示意图1-先形成的节理；2-后形成的节理节理的分期主要依据两个方面。一是根据节理组的交切关系，其次是利用与各期次节理有关的地质体的关系。1.节理组的交切关系（1）错开。后期形成的节理切断、错开先期形成的节理（图1-9）。（2）限制。后期形成的节理，被先期形成的节理限制在一侧。也就是后形成的节理延伸到先形成的节理时，就突然终止，不再向另一侧延伸。另一侧的节理是另一群节理（图1-10）。（3）互切。当两组或两组以上的节理同时形成图1-10 节理限制示意图1-先形成的节理；2-后形成的节理图1-11 两组节理互相切割关系示意图时，则往往表现为互相切割的关系，有时两组节理成共轭关系（图1-11）。图1-12 锯齿状追踪张节理示意图（4）追踪、利用和改造。后期形成的节理有时利用早期形成的节理，对其进行改造或沿着节理走向追踪，故后形成的节理比早形成的节理发育完整（图1-12）。以上所述节理的各种交切关系在野外并非都是很明显。故在野外观察中，要综合分析考虑各种地质现象，并且尽可能辅助其它依据，来对节理进行研究分析。2.借助其他地质体判别节理形成的顺序岩墙、岩脉和其它侵入体可以用来间接判断节理形成的顺序。顺不同期次贯入的岩墙、岩脉和岩体，岩性上、结构构造上常各具特色。岩性、结构构造不同的岩墙、岩脉的交切关系，常常清楚地显示出节理形成的顺序。例如一组有岩脉充填的节理，被另一组无岩脉的节理切错，很清楚的说明无岩脉的节理形成较晚。又如一组节理被侵入体所截，另一组节理切过该侵入体，这表明前一组节理形成早，后一组节理形成较晚。 此外分析对比不整合上下岩系中节理的发育情况也有助于判别节理的形成顺序。节理一般是在一定构造活动期中形成的，在节理形成时期总是同时形成相关构造，所以对节理分期，尤其对较大范围内节理分期时，要紧密结合该区构造活动史。（二）节理的配套图1-13 共轭羽状节理示意图（a）羽状侧列节理（b）羽状斜列节理 1-左行，2-右行在对节理进行力学性质的观察和分析的基础上，通过节理的分期、节理组和节理系的划分，把同一地点、同一时期、同一应力作用所产生的节理组合成一定系列，利用它们与主应力方位的关系来确定和恢复局部或区域的古构造应力场，这就是节理的配套。节理配套的方法，主要是利用节理的共轭关系，并辅之以节理发育的总体特征及其与有关地质构造的关系。节理的配套工作，应尽可能地在野外观察和统计的过程中进行。1.利用节理的共轭组合关系配套共轭节理系是一种常见的节理系，不仅在褶皱和断层发育的地区可以见到，而且褶皱和断层不发育的水平或缓倾斜岩层地区也可以见到。它们与主应力方位的关系比较明确，可借以确定主应力的方位。图1-14 对交织在一起的三组剪节理进行配套的示意图（1）根据斜交的两组斜列的节理组配套。一种是由羽状剪节理组成（图1-13a），另一种是由羽状张节理组成（图1-13b），它们都是在一对共轭的剪应力作用下形成的。根据每组节理的形态和斜列方式，可以确定出每组节理形成时的剪应力方位。两组剪节理所夹锐角的平分线，即为最大主压应力的方位。（2）根据由两组剪节理相互切错配套（图1-11）。说明它们是在同一时期、同一应力作用下形成的。根据两组剪节理剪切滑动方位，就可以判别出两组剪节理所夹锐角的平分线是最大主压应力的方位。（3）根据剪节理剪切滑动方向和所夹锐角的关系配套（图1-14）。可以把其中第1、2两组剪节理配成一套共轭的X型节理系。说明这两组剪节理是在同一时期、同一应力作用下形成的，所夹锐角的平分线反映了最大主压应力的方位。第3组剪节理，是因后来另一个应力作用形成的。图1-15是由四组羽状斜列剪节理交织在一起的。根据它们的剪切滑动方位和所夹锐角的关系把第1、2两组配成一套共轭的X型节理系，反映北西南东向的主压应力作用，把3、4两组配成另一套共轭的X型节理系，反映北东南西向的主压应力作用。说明该区曾经受到两期方向不同的构造应力的作用。图1-15 对交织在一起的四组羽状斜列剪节理进行配套的示意图2褶皱构造有关的配套节理与褶皱构造有关的配套节理，很大程度上是决定于褶皱构造的形成方式和发展进程。纵弯褶皱上发育的配套节理，与横弯褶皱上的有明显的不同。在这里主要介绍纵弯褶皱上发育的配套节理。纵弯褶皱是在区域水平挤压应力作用下产生的。在区域水平挤压应力方位不变的情况下，随着纵弯褶皱的发生和发展，在不同的发展阶段和褶皱构造的不同部位，局部的应力状态是在不断变化的，因而产生的节理是不同的。1）平面共轭剪节理系（1）早期平面共轭节理系。自区域水平压应力开始作用于水平岩层至纵弯褶皱即将形成而尚未形成之前，往往会先产生一对早期平面共轭节理系。两组剪节理面都与岩层面垂直，在平面上呈X交叉。两组剪节理面的交线呈直立状态，指向中间主应力2的方位；两组剪节理面所夹钝角的平分线，指向最大主应力1的方位；两组剪节理所夹锐角的平分线，指向最小主应力3的方位（图1-16） 。在有些部位，这套节理系往往会被后来产生的节理所利用或改造，不能完整的保存下来。（2）晚期平面共轭节理系。在区域水平挤压应力持续作用下，随着纵弯褶皱的形成和发展，在背斜和向斜的中和层以上部位，又往往会各自产生一对晚期平面共轭剪节理系(图117)。图1-16 早期平面共轭节理系示意图图1-17 晚期平面共轭节理系示意图当纵弯褶皱出现以后，虽然区域水平挤压应力的方位没有改变，但在背斜的中和层以上部位，由于岩层上拱而诱导产生的局部构造应力场方位与区域构造应力场方位是不相同的，最大、最小主应力方位互换了位置。如果背斜枢纽是水平的，形成的晚期平面共轭剪节理系中两组剪节理的交线是直立的，反映了局部构造应力场的中间应力方位与区域构造应力场的中间应力方位是一致的；两组剪节理所夹锐角的平分线与背斜轴迹平行，反映了局部构造应力场的最大主应力方位与区域构造应力场的最小主应力方位平行，两组剪节理所夹钝角的平分线与背斜轴迹垂直，反映了局部构造应力场的最小主应力方位与区域构造应力场的最大主应力方位平行。 如果向斜枢纽也是水平的，则在中和层以上部位出现的局部构造应力场的方位与区域构造应力场的方位是一致的。所以，产生的晚期平面共轭节理系是与早期平面共轭节理系一样的，只不过在一定程度上得到了加强。 在水平褶曲上，早期或晚期平面共轭节理系的走向都是与褶曲轴迹斜交的，所以可以称为斜节理系。2）剖面共轭节理系（1)早期剖面共轭节理系。当早期平面共轭节理系形成之后及纵弯褶皱雏形产生之初，最小和中间应力方位互换了位置，最小主应力方位成为直立，中间主应力方位则成为水平。因而，在与最大主应力方位平行的剖面上，往往会产生一对早期剖面共轭节理系。两组剪节理所夹锐角的平分线，指向区域挤压应力的方位(图118)。（2）晚期剖面共轭节理系。当纵弯褶皱出现以后，由于区域水平挤压应力的持续作用，在水平背斜的中和层以上部位所形成的局部构造应力场，有可能变成最大主应力方位呈直立，最小主应力方位与背斜轴迹呈水平垂直，中间主应力方位与背斜轴迹平行。因而有时会在横剖面上产生一对晚期剖面共轭节理系，两组剪节理所夹钝角的平分线指向区域水平挤压应力的方向（图1-19）。图1-18 早期剖面共轭剪节理系示意图 图1-19 晚期剖面共轭剪节理系示意图在水平背斜上，剖面共轭节理系的走向与背斜轴迹平行，所以又可称为两组平行纵剪节理系。3）横张节理（1）早期横张节理。在纵弯褶皱形成之前，往往会追踪早期平面共轭节理系产生一组锯齿状的横张节理。如果后来形成的褶曲是水平的，则节理的走向与褶曲轴迹垂直（图1-20）。（2）晚期横张节理。当纵弯褶皱形成之后，在向斜的中和层部位，也会追踪晚期平面共轭节理系，产生一组锯齿状的横张节理（图1-21）。由于在向斜中和层以上部位的早、晚平面共轭节理系是一致的，所以晚期横张节理往往是利用了早期横张节理而得到了加强，两者是很难区别的。图1-20 早期追踪横张节理示意图 图1-21 向斜中和层以上部位的晚期 追踪横张节理示意图当背斜发生倾伏时，在倾伏端中和层以上部位，往往会形成与背斜枢纽平行的 局部张应力，因而产生一组晚期横张节理。它的特点是：张口呈楔形；不具锯齿状；节理面与岩层面、枢纽垂直；节理面的倾向与枢纽的倾伏向相反，两者的倾角互为余角。所以，根据这组晚期横张节理的产状，可以推测所在部位的枢纽倾伏方位和倾伏角（图1-22）。图1-22 背斜倾伏端中和层以上部位晚期横张节理示意图4）纵张节理纵张节理一般是产生于褶皱的晚期。随着纵弯褶皱的形成，在背斜中和层以上部位往往会形成局部横向张应力，产生纵向张节理。如果背斜枢纽是水平的，节理的走向与背斜轴迹平行，节理面和岩层面垂直，在横剖面上呈扇形排列，每条节理都呈上宽、下窄的楔形开口(图1-23)。在背斜中和层以上部位，也可以追踪晚期平面共轭节理系，产生一组呈锯齿状延伸的晚期纵张节理(图1-24)。图1-23 背斜中和层以上部位 图1-24 背斜中和层以上部位晚期横张节理示意图 追踪纵张节理示意图上述四种节理是在区域挤压应力作用下形成纵弯褶皱过程中较为普遍发育的伴生节理，也是最主要的节理。尤其是平面和剖面共轭节理系，分别反映了在形成纵弯褶皱的不同阶段和不同部位的局部构造应力状态。因此，对它们的研究，有助于认识区域构造特征及其发展规律。 在横弯褶皱构造上的节理，如穹窿构造上的环状和放射状张节理。由于岩层呈穹状上拱，使岩层普遍受到放射状和环状方向的张应力作用。在放射状方向的张应力作用下形成环状张节理，在环状方向的张应力作用下形成放射状张节理。二、节理的观测及资料整理节理虽然是广泛发育的构造，但是还没有一套系统的研究方法。目前，只能通过对大量节理的实际观察和测量的基础上进行统计和编制图件，结合有关构造综合分析，解决所需解决的问题。下面所介绍讨论的主要是区域构造研究中节理观测的内容和方法。一定地区或地段上的节理，尤其是主节理常常清晰地显示于航片甚至卫片上。在野外工作前的准备阶段对航片和卫片进行解释，概括地宏观认识工作区节理的特点和规律，常会收到事半功倍之效。在航片和某些卫片上，可以初步分析和确定：节理组的方位、产状及各级构造的关系；节理的组合形式及其变化；节理的发育程度、展布范围和被填充情况等。1.观测点的选定节理观测点，是根据所要解决的问题选定的。为了了解区域构造特征，可以按要求进行均匀布点，为了了解褶皱特点，可以在其核部、翼部和倾伏端等部位布点，或加密观测点，为了了解断层特点，可以在其两侧附近布点，或加密观测点，为了了解水文地质特征，可以在含水层及其顶、底板中布点，或加密观测点。此外，在不同构造层、不同岩性和厚度的岩层中，都应兼顾布置观测点 观测点上的观测面积，可以由几平方米至几十平方米。在此范围内，岩层露头要良好，发育的节理要有代表性，至少要有几十条可供观测的节理，并且，要求既有平面、又有剖面露头，以利于对节理进行全面观测。2节理观测的内容节理的观测主要包括以下几个方面：（1）地质背景的观测。在对节理进行观测之前，首先应了解观测点所处的地质背景。包括岩层的产状、岩性、厚度和层理特征，褶皱和断层的特点，以及观测点所在的构造部位。（2）节理的分类和组系划分 对节理要进行分类，划分组系，如有主节理发育，应区分主节理和一般节理。 （3）对节理进行分期和配套 （4）分析节理发育程度。岩层的岩性、厚度对节理的发育有明显的影响。岩性对节理发育程度的影响主要表现为：韧性岩层中剪节理较张节理发育，在同一应力状态下，韧性岩层中主要发育剪节理，脆性岩层中主要发育张节理，韧性岩层两组共轭剪节理的夹角常比脆性岩层中的大。岩层的厚度影响节理发育的间距，岩层越厚节理间距越大。层面的存在会降低岩石的强度，因此岩性相同而层厚不等的岩石，在同样外力作用下，薄层中的节理间距小而且更密集。节理发育程度常以密度或频度表示。节理密度或频度是指节理法线方向上单位长度（米）内的节理条数（条/米）。如果几组节理都很陡，可以选定单位面积测定节理数。 在节理观测中还常常以节理的平行性和延伸长度作为观测节理发育程度的标志。（5）节理组合型式的观测。岩石中的几组节理，常组合成一定型式，将岩石切成形状和大小各不相同的块体。要注意观察节理组合型式和截切的块体所表现出的节理整体特征。对展布范围较大的剪节理中的等距性和分级等距性，应注意测定。（6）节理面的观察。在节理的野外研究中，应注意节理面的观察，观察内容包括：节理面的形态和结构细节；节理面的平直光滑程度；是否有檫痕；节理是否被充填以及充填物结晶状态和晶体方位；节理是否含矿以及含矿节理占节理总数的百分数等。这些材料有助于分析节理的力学性质，以及了解节理的形成状态和发育过程。3.节理的测量和记录在节理观察点上，对上述各方面进行观察的同时，要进行测量和记录。节理产状的测定与测定岩层产状要素一样。如果节理面未充分揭露而不易测量时，可将一硬卡片插入节理内，直接测量卡片的产状。如果节理产状不太稳定而数据精度要求很高时，应逐条进行测量。如果节理按方位和产状分组明显，也可分组测量，每组中测量有代表性的几条节理，然后再统计这组节理的数目。测量和观察的结果一般填入一定表格或记在专用野外记录簿上，以便整理。记录表格可根据目的和任务编制，一般性节理观察点记录表格如下。节理观