构造地质学.doc

一、外力、内力和应力 外力：对于一个物体来说，另一个物体施加于这个物体的力，有面力和体力。 内力：是同一物体内部各部分之间的相互作用力。分固有内力和附加内力。 应力：作用于单位面积上的内力。2、应力椭球体主应力 1 、2 、3主应力轴 1 、2 、3应力椭球体应力椭圆 3、应力状态 1）三轴应力状态1、2、3 均不为 0 2）双轴应力状态1、2、3有一个为 0 3）单轴应力状态1、2、3有两个为 0结论1）与1 垂直的面上正应力最大，为1，与2垂直的面上正应力最小，为2，其他各面上正应力界于1与2之间2）最大剪应力面出现在1 和2呈45相交的共轭面上3）在1与2的主平面上，剪应力均为零结论1）与1 垂直的面上正应力最大，为1，与3垂直的面上正应力最小，为3，其他各面上正应力界于1与3之间2）最大剪应力面出现在1 和3呈45相交的共轭面上3）在12 3的主平面上，剪应力均为零五、应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中1、应力场：一系列点的瞬时应力状态 均匀应力场、非均匀应力场2、构造应力场：地壳内一定范围内某一瞬时的应力状态 规模上：局部构造应力场、区域构造应力场、全球构造应力场 时间上：古构造应力场、现代构造应力场3、应力轨迹：表示构造应力场中主应力和最大剪应力的作用方位的应力迹线4、应力集中在均匀应力场中局部的应力异常增大现象应力集中一般出现在以下部位：断裂的端点、拐点、分枝点、错列点和待交会点及空洞周围等。光弹实验和数值计算可以显示出应力集中现象。一）弹性变形 岩石在外力作用下发生变形，当外力解除后，又完全恢复到变形前的状态，这种变形称为弹性变形。微观机制：岩石内部质点位移后获得一定的位能，外力解除后，可发生弹性变形回复或弹性回跳。（二）塑性变形（剩余变形或永久变形） 当应力超过岩石的弹性极限后，即使再将应力解除，变形的岩石也不能完全恢复其原来的形状，这种变形称塑性变形。 微观机制： 岩石内部质点发生滑移得到新的平衡，外力解除后，岩石不能恢复其原来的状态。 滑移有粒间滑移和粒内滑移 粒内滑移分平移滑移和双晶滑移。 （三）断裂变形 当应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石内部的结合力遭到破坏，就会产生破裂面，岩石失去连续完整性，这种变形称断裂变形。 （四）强度： 岩石抵抗破坏的能力。 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度 强度关系：约为 30 ：1 ：3五、递进变形 在同一动力持续作用的变形过程中，如果应变状态发生连续的变化，这种变形称为递进变形。1、全量应变和增量应变2、共轴递进变形和非共轴递进变形 单剪 纯剪 共轴递进变形：应变椭球体与应力椭球体的关系 非共轴递进变形第三节 影响岩石力学性质与岩石变形的因素一、围压（静岩压力） 岩石所处深度越大，围压也越大，这种压力一方面增强了岩石的韧性；另一方面，大大提高了岩石的强度极限，弹性极限也有所增高。 原因： 围压使固体物质的质点彼此接近，增强了岩石的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易断裂。 二、温度 许多岩石在常温常压下是脆性的，随着温度的升高，岩石的强度降低，弹性减弱，韧性显著增强，因而有利于发生变形。 原因： 由于温度增高时，岩石质点（分子）的热运动增强，从而减弱它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。 三、溶液 当岩石中有溶液或水汽时，一方面降低了岩石的弹性极限，增加了岩石的塑性，使岩石易于变形；另一方面，在应力作用下，溶液有利于重结晶作用。 原因： 溶液的加入使分子的活动增强，岩石的内摩擦力和分子之间的凝聚力必然减小，从而降低了岩石和矿物的强度。 四、孔隙压力 岩层中孔隙压力增大会使岩石屈服强度降低，因而易于变形。 五、时间1、快速施力与缓慢施力 快速施力，不仅加快岩石的变形速度，而且会使其脆性变形加强。 原因： 缓慢施力质点有充分的时间固定下来，产生永久变形，快速施力则相反。 3、蠕变与松弛：长时间的缓慢变形回降低材料的弹性极限蠕变：在应力不增加的情况下，随着时间的增长变形继续缓慢增加的现象。分过渡蠕变阶段、平稳蠕变阶段、加速蠕变阶段。松弛： 当应变保持不变时，应力随时间的增长逐渐减小的现象。 分急剧下降阶段和逐渐下降阶段。 蠕变和松弛现象表明，岩石具有流变特征。思考总结题1 、构造地质学的研究对象、内容和方法 2 、岩层产状的测量及表示方法 3 、各种产状岩层的出露特征的“V” 字形法则 4 、在共轴递进变形中受力物体中最大压应力面、最大拉应力面、最大剪应力面与主应力轴的几何关系。 5 、主应变轴，挤压构造面、拉张构造面、剪切构造面、拉伸线理与主应变轴的几何关系。 6 、围压、温度、溶液、孔隙压力和时间等环境因素对岩石变形的影响特点。 第四章 褶 皱第一节 褶皱和褶皱要素一、褶皱要素1、核部 泛指褶皱中心部分的地层。2、翼部 系指褶皱核部两侧的地层。3、转折端 系指从一翼向另一翼过渡的部分。4、褶轴 5、枢纽 同一褶皱面的各最大弯曲点的联线。6、轴面 各相邻褶皱面上的枢纽联成的面。7、轴迹 轴面与地面或任一平面的交线。8、脊、脊线、脊面和槽、槽线、槽面 9、脊迹和槽迹 脊面或槽面与地面或任意 平面的交线。第二节 褶皱几何形态及褶皱的描述一、褶皱的几何形态圆柱状褶皱和非圆柱状褶皱圆柱状褶皱:把具有由一条轴线平行自身移动而形成弯曲面的这种几何形状的褶皱称为圆柱状褶皱。二、褶皱形态的描述（一）横剖面上褶皱形态的描述1、根据轴面产状和两翼产状直立褶皱：轴面近直立，两翼倾向相反，倾角近相等；斜歪褶皱：轴面倾斜，两翼倾向相反，倾角不等；倒转褶皱：轴面倾斜，两翼向同一方向倾斜，一翼的地层倒转；平卧褶皱：轴面近水平，一翼地层正常，另一翼地层倒转；翻转褶皱：根据褶皱枢纽产状：水平褶皱、倾伏褶皱、竖立褶皱2、根据褶皱的对称性对称褶皱：褶皱的轴面与褶皱包络面垂直。不对称褶皱： 褶皱的轴面与褶皱包络面不垂直。3、根据翼间角大小平缓褶皱： 翼间角小于180，大于120；开阔褶皱： 翼间角小于120，大于70；闭合褶皱： 翼间角小于70，大于30；紧闭褶皱： 翼间角小于30；等斜褶皱： 翼间角近于0，两翼近平行。 4、根据褶皱面弯曲形态圆弧褶皱 褶皱面呈圆弧形弯曲；尖棱褶皱 两翼平直相交，转折端呈尖角状， 且两翼等长；箱状褶皱 两翼陡而转折端平直，褶皱呈箱状， 常常具有一对共轭轴面；扇状褶皱 两翼岩层均倒转，褶皱面呈扇状 弯曲；挠曲 缓倾斜岩层中的一段突然变陡，形 成台阶状弯曲。 5、根据褶皱中各层弯曲形态的相互关系协调褶皱 褶皱中各层弯曲形态保持一致或作有规律的渐变过渡关系，不协调褶皱 褶皱的各层弯曲形态明显不同。 （二）褶皱在平面上出露形态线状褶皱 其长度与宽度之比大于10:1，是一种狭长形褶皱。短轴褶皱 其长度与宽度之比介于3:110:1之间的褶皱。穹窿构造 其长度与宽度之比小于3:1的背斜构造。构造盆地 其长度与宽度之比小于3:1的向斜构造。 第三节 褶皱的产状类型及褶皱的组合型式一、褶皱的产状类型1、直立水平褶皱 轴面近于直立（倾角80-90），枢纽近于水平（倾伏角0-10）；2、直立倾伏褶皱 轴面近直立（倾角80-90），枢纽倾伏角1080；3、倾竖褶皱 轴面和枢纽均近直立（倾角和倾伏角均为80-90）；4、斜歪水平褶皱 轴面倾斜（倾角10-80），枢纽近于水平（倾伏角0-10）；5、平卧褶皱 轴面和枢纽均近于水平（倾角与倾伏角均为0-10）；6、斜歪倾伏褶皱 轴面倾斜（倾角10-80），枢纽倾伏（倾伏角10-80），但二者倾向和倾角均不一致；7、斜卧褶皱（重斜褶皱） 轴面倾角和枢纽倾伏角均为10-80，而且二者基本一致，倾斜角度也大致相等。二、褶皱横截面的几何分类（一）平行褶皱和相似褶皱平行褶皱：构成褶皱的各岩层成平行弯曲。相似褶皱：各岩层弯曲的形态相似，即各层的曲率基本不变。三、同沉积褶皱和底辟构造（一）同沉积褶皱在岩层沉积的同时逐渐变形而形成的。（二）底辟构造底辟构造是地下高韧性岩体如岩盐、石膏、粘土或煤层等，在构造力的作用下，或者在由于岩石物质间密度的差异所引起的浮力作用下，向上流动并挤入上覆岩层之中而形成的一种构造。四、褶皱的组合型式及其分布（一）穹窿和构造盆地穹窿：是岩层自褶皱的脊向四周作放射状倾斜的背斜。构造盆地：是岩层从四周向中心的槽部倾斜的向斜。（二）雁行褶皱雁行褶皱又称斜列式褶皱，为一系列呈平行斜列（雁行状）的短轴背斜或向斜。（三）隔档式褶皱和隔槽式褶皱隔档式褶皱（又称梳状褶皱）：由一系列平行的背斜和向斜相间组成，其中背斜窄而紧闭，形态完整清楚，呈线状延伸。而两个背斜之间的向斜则开阔平缓。 隔槽式褶皱：由一系列背、向斜相间排列的褶皱组成，但其中背斜和向斜形态正好与隔档式褶皱相反，其向斜紧闭且形态完整，呈线状排列，而两向斜之间的背斜则平缓开阔成箱状。（四）复背斜和复向斜复背斜和复向斜是由多级褶皱所组成的巨大背斜和巨大向斜。典型的复背斜和复向斜和次级褶皱轴面常向该复背斜或复向斜的核部收敛。第四节 褶皱的形成机制一、褶皱形成机制的基本类型（一）纵弯褶皱作用岩层受到顺层挤压力而发生褶皱的作用 。 层状岩石形成褶皱的两种作用1、弯滑作用 岩层通过层间滑动而弯曲成为褶皱的作用。弯滑作用的主要特点：（1）各单层有各自的中和面，而整个褶皱没有统一的中和面。（2）纵弯褶皱作用引起的层间滑动是有规律的，一般背斜中各相邻的上层相对向背斜转折端滑动，各相邻的下层则相对向相反方向滑动。层间滑动可在翼部的硬层中可形成旋转剪节理和同心剪节理；在岩层表面形成擦痕或矿物抹晶；在转折端易形成虚脱现象，有充填时可形成鞍状体。（3）当两个强硬岩层之间夹有层理发育的韧性岩层的条件下，发生纵弯褶皱作用，则会在层间滑动的力偶作用下，使薄层韧性岩层发生层间小褶皱。根据层间滑动规律和层间滑动小褶皱的特点可判断岩层的顶、底面及背斜和向斜的位置。2、弯流作用 纵弯褶皱作用使岩层弯曲变形时，不仅发生层间滑动，而且某些韧性较大的岩层内部还出现物质流动现象。弯流作用的特点：（1）物质流动方向为翼部向转折端流动；（2）软硬层相间时，硬层物质难以流动，形成等厚褶皱，软层流动形成顶厚褶皱；（3）当硬层中夹有一大层层理发育相对易流动的韧性岩层时，物质的流动并不顺其微层理发生，而是形成从属小褶皱。从属小褶皱显示了层内物质向转折端流动的特征；（4）软层内发生强烈流动时，可产生线理、劈理或片理等小构造，如夹有薄的脆性层，可形成构造透镜体。（二）横弯褶皱作用岩层受到和层面垂直的外力作用而发生褶皱的作用。横弯褶皱作用的特点：（1）褶皱层不存在中和面，整体处于拉伸状态；（2）易形成顶薄褶皱，顶部易形成放射状或同心圆状环形断裂；（3）弯滑作用与弯流作用的方向与纵弯褶皱作用中的相反。（三）剪切褶皱作用岩层沿着一系列与层面不平行的密集劈理或片理面发生差异滑动而形成的褶皱。又称被动褶皱作用。特点：（1）在平行于轴面的方向上的岩层“厚度”相等，是典型的相似褶皱；（2）岩层没有发生真正弯曲，只是呈现出弯曲的外貌。剪切褶皱一般出现在变质岩区。一般是在强烈变形条件下，在先期褶皱的基础上在发生的。（四）柔流褶皱作用高韧性岩石（如岩盐、石膏或煤层等）或岩石处于高温高环境下变成高韧性体，受到外力的作用发生类似粘稠和流体那样的流动变形的作用，从而形成复杂多变的褶皱。二、褶皱形成中的压扁作用压扁作用越强烈，应变椭球越扁，褶皱越紧闭；压扁使岩层厚度发生变化，翼部变薄，转折端变厚；利用矿物或生物化石的变形可推断压扁的程度；压扁使脆性层拉伸断裂形成石香肠，韧性层产生轴面劈理；小褶皱可在主褶皱形成前产生。 三、影响褶皱形成的主要因素主要因素：层理；岩层的厚度；岩石力学性质；动力作用的方向和性质；岩石的埋藏深度；基底构造。（一）层理在褶皱形成中的作用 层理或成层构造是岩石产生褶皱的一个必要条件。（二）岩层的厚度和力学性质对褶皱形成 的影响当岩性相似而厚度不同的岩层施加同样的水平挤压力时，则厚岩层往往形成曲率小、波长大的平缓开阔褶皱，而薄岩层则形成曲率大、波长小的紧闭褶皱。第五节 褶皱构造的观察和研究一、褶皱形态的研究（一）了解区域的总的构造轮廓（二）查明地层层序和追索标志层（三）观察褶皱的几何形态 (观察、测量)二、研究褶皱形态的纵深变化（相似褶皱、平行褶皱）三、研究褶皱内部小构造 （小褶皱、节理、线理等）四、确定褶皱的形成时代（角度不整合、与其他地质体的切割关系）第一节 节理的分类一、节理与有关构造的几何关系分类（一）根据节理产状与岩层产状的关系划分1、走向节理 节理走向与所在岩层走向大致平行的节理；2、倾向节理 节理走向与所在岩层走向大致直交的节理； 3、斜向节理 节理走向与所在岩层走向斜交的节理；4、顺层节理 节理面与所在岩层的层面大致平行的节理。（二）根据节理与褶皱轴关系划分1、纵节理 节理走向与褶皱轴向平行的节理；2、横节理 节理走向与褶皱轴向直交的节理； 3、斜节理 节理走向与褶皱轴向斜交的节理。二、节理的力学性质分类（一）剪节理1、产状较稳定2、平直光滑3、穿切砾石和砂粒等4、组成共轭X型节理系5、主剪裂面由羽状微裂面组成6、折尾、菱形结环和分叉 （二）张节理1、产状不甚稳定2、粗糙不平，无擦痕3、常常绕过砾石和粗砂粒4、张节理多开口5、呈不规则的树枝状，各种网络状6、尾端变化或连接形式有树枝状、多级分叉、杏仁状环以及各种不规则形状等。节理组合的行与列左行、右行左列、右列三、节理组和节理系节理组：是指在一次构造作用的统一应力场中形成的，产状基本一致和力学性质相同的一群节理。节理系：在一次构造作用的统一构造应力场的作用下形成的两个或两个以上的节理组构成。第二节 节理的分期与配套一、节理的分期（一）节理组的交切关系1、错开2、限制3、互切 4、追踪、利用和改造（二）借助其他地质体 判别节理形成的顺序 二、节理的配套（一）根据共轭节理的组合关系进行节理配套（二）根据节理发育地区总的地质特征进行节理配套第三节 不同地质背景上发育的节理一、与褶皱有关的节理 剪切节理 (X型：平面X，剖面X；早期X，晚期X) 纵张节理、横张节理 二、与断层有关的节理伴生节理与派生节理：伴生剪节理、张节理派生羽状剪节理、张节理。三、与区域构造有关的节理-区域性节理第一节 断层的几何要素一、断层面和断层带 断层面：将岩块或岩断开成两部分，断开岩块或岩层并顺着它滑动的破裂面。 断层（裂）带：断层一般不是一个单一的面，而是由一系列破裂面或次级断层组成的带。 断层线：断层面与地面的交线，即断层在地面的出露线。（二）断距断距：被错断岩层在两盘上的对应层之间的相对距离。一般在垂直于被错断层走向的剖面上测得。地层断距：断层两盘上对应层之间的垂直距离。铅直地层断距：断层两盘上对应层之间的铅直距离。水平地层断距：断层两盘上对应层之间的水平距离。第二节 断 层 分 类一、按断层与有关构造的几何关系分类（一）根据断层走向与岩层走向的关系分 1、走向断层 断层走向与岩层走向基本一致。 2、倾向断层 断层走向与岩层走向基本直交。 3、斜向断层 断层走向与岩层走向斜交。 4、顺层断层 断层面与岩层层面基本一致。第三节 断层各论一、正断层（一）一般特点 正断层产状一般较陡，大多在45以上，而以60-70者最为常见。大型正断层的陡直断层面向地下深处常常变缓。正断层带内岩石破碎相对不太强烈，角砾岩多带棱角，超碎裂岩较不发育，通常没有强烈挤压形成的复杂小褶皱等现象。（二）组合型式1、地堑 地堑主要由两条走向基本一致的相向倾斜的正断层构成。2、地垒 地垒主要由两条走向基本一致倾斜方向相反的正断层构成。3、阶梯状断层由若干条产状基本一致的正断层组成，各条断层的上盘依次向同一方向断落，构成阶梯式。4、环状断层和放射状断层 5、雁列式断层 若干条近平行的正断层呈斜向错列展布，便构成雁列式断层。6、块断型断层 两组方向不同的大中型正断层相互切割则构成方格状或菱形断块状。（三）地质背景正断层广泛发育于各种不同的地质环境里，主要出现在区域伸展或扩张区，如洋脊、洋隆区及大陆裂谷区。在构造变动轻微地区和构造变动强烈的褶皱带均有发育。二、逆冲断层（一）一般特征逆冲断层是位移量很大的低角度逆断层，其倾角一般在30左右或更缓，挤压破碎较正断层严重。 扩展方式 叠瓦式断层发育顺序与扩展 方向有两种：前 展式和后展式。（三）组合型式1、叠瓦式逆冲断层一系列产状相近的逆冲断层，其上盘依次向上逆冲，剖面上成叠瓦式。2、对冲式逆冲断层 对冲式冲断层是由两条相反倾斜，相对逆冲的断层组成。3、背冲式逆冲断层 由两条或两组相向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。4、楔冲式断层 上宽下窄的楔形断片，称为楔形冲断体构造。（四）地质背景逆冲断层一般是区域性挤压作用的结果，区域性伸展和重力作用也可在其前端形成推覆式构造。三、平移断层（一）一般特征平移断层面一般陡峻以至直立。大型平移断层常常表现为强烈破碎带、密集剪裂带、角砾岩化带和超碎裂岩化带等。（二）地质背景一类是与褶皱等构造相伴生的平移断层，一类是区域性平移断层。（三）与平移断层有关的一些现象升降：差异性升降和断块升降；褶皱：与断层伴生的褶皱。四、顺层断层顺层断层是顺着层面、不整合面等先存面滑动的断层。第四节 断层效应断层效应：主要是指倾向断层和横断层引起的标志层的视错动。一、正（逆）断层引起的效应倾向断层顺断层面倾向滑动时，平面上表现为平移断层的假象。二、平移断层引起的效应倾向断层顺断层面走向滑动时，剖面上表现为正、逆断层的假象。四、横断层错断褶皱引起的效应平面上的表现：两盘中褶皱核部宽度的变化；褶皱轴迹的错移。1、走向滑动，两盘的褶皱核部宽度相等，核部错开； 2、倾斜滑动，两盘褶皱核部宽度不等，上升盘背斜核部变宽，向斜核部变窄；3、斜向滑动，核部宽度变化，核部错开。第五节 断层形成机制一、正断层形成的应力状态是：1直立； 2和3水平；2与断层走向一致。应力状态：水平拉伸和铅直上隆。二、逆冲断层形成的应力状态是：1和2水平；3直立，2平行于断层面走向。应力状态：水平挤压。三、平移断层形成的应力状态是：1和3水平，2直立；断层面走向垂直于2，滑动方向也垂直于2，两盘顺断层走向滑动。第六节 断层的观察和研究一、断层的识别（一）地貌标志1断层崖2山岭和平原的突变3. 断层三角面4错断的山脊5串珠状湖泊洼地6泉水的带状分布7水系特点（二）构造标志地质体沿走向突然中断或被错移；构造线不连续；构造强化。（三）地层标志:地层的重复和缺失走向断层中依断层的性质和断层与岩层的产状关系会出现六种不同的重复和缺失情况（四）岩浆活动和矿化作用（五）岩相和厚度的突变二、断层面产状的测定直接测定：使用罗盘间接测定：V字形法，三点法，物探资料分析，利用断层伴生和派生的小构造判断。三、断层两盘相对运动方向的确定（一）两盘地层的新老关系断层两盘地层的新老关系是判断断层两盘相对升降的重要依据。注意地层倒转特例。（二）牵引构造断层两盘紧邻断层的岩层，发生明显的弧形弯曲，弧形弯曲的突出方向指示本盘的运动方向。（三）擦痕和阶步擦痕，纤维状晶体，反阶步，正阶步。（四）羽状节理：张节理、剪节理（五）断层两侧小褶皱四、断层岩断层岩是断层带中或断层两盘岩石在断层作用中被改造形成的，是具有特征性结构、构造和矿物成分的岩石。分碎裂岩系列（产出于脆性断层）和糜棱岩系列（产出于韧性断层）。（一）碎裂岩系列1断层角砾岩（2mm）2碎粒岩（2-0.1mm）3碎粉岩（0.1mm）（二）糜棱岩系列糜棱岩的特点是颗粒细小，具有固态流动造成的条带状定向构造。第七节 同沉积断层同沉积断层（生长断层）：沉积作用和断裂作用同时发生的断层。主要发育于沉积盆地边缘。同沉积断层主要特点：一般为走向正断层；断距随深度增大；地层时代愈老，断距愈大；常在上盘发育逆牵引构造。第九节 区域性大断裂一、区域性大断裂和岩石圈的层圈性区域性大断裂：发展上的长期性和继承性，空间延伸极长，切割深度很大并与岩石建造有一定联系。第一节 劈 理劈理：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,为透入性构造。一、劈理岩石的域组构 可分成劈理域和微劈石域。二、劈理的分类（一）劈理的传统分类1流劈理 由片状、板状或扁圆状矿物或其集合体的平行排列构成，具有使岩石分裂成无数薄片的性能。2破劈理 破劈理的原意是指岩石中一组密集的剪切破裂面。裂面定向与岩石中矿物的排列无关。（二）劈理的结构分类1连续劈理 （1）板劈理（2）千枚理和片理（3）片麻理2不连续劈理（1）间隔劈理（2）褶劈理：带状褶劈理和分隔褶劈理三、不同地质背景上发育的劈理（一）轴面劈理 产状平行于或大致平行于褶皱轴面的劈理。（二）层间劈理 受岩性及层面控制，与层理斜交的劈理。（三）顺层劈理 宏观上与岩性界面近平行的劈理。 （四）断裂劈理 断裂带内及其两盘岩石中发育的各种劈理。（五）区域性劈理 与个别褶皱和断裂无一定成因关系，而是以其稳定产状叠加在前期褶皱、断裂和岩体之上的劈理。四、劈理的野外研究（一）区分劈理和