第二章 沉积岩层及原生构造及其产状.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除第二章 沉积岩层的原生构造及其产状 沉积岩是地壳表层分布最广泛的岩石，其分布面积约占地球大陆面积的75%。大陆地壳表层的地质构造很多都是由沉积岩形成的。观测分析沉积岩层的原生构造、岩层产状和接触关系是研究地质构造的一项基础工作，也是本课程的基本内容之一。 第一节 沉积岩层的原生构造 沉积岩在沉积过程中和成岩作用过程中产生的非构造变动的构造特征称为沉积岩层的原生构造，如层理、层面构造、结核、叠锥以及生物遗迹、叠层石等等。意义:研究和判断岩层形成时的古地理和地壳运动特征提供重要资料，鉴别岩层顶、底面和确定岩层相对层序的重要依据，了解这些构造特征对观察、分析构造形态，确定岩层产状和岩石变形特征具有一定的指导意义，在某些情况下具有特殊的作用。一、层理及其识别层理是沉积岩最常见的一种原生构造。它是通过岩石成分、结构和颜色变化显现出来的一种成层构造。层理的形成及其特征与组成岩石的成分，形成岩石的地质、地理环境以及介质运动特征有关。 观察地质构造时，首先就要正确地识别岩层的层理和层序。大多数沉积岩的层理都较为明显，容易认识。但是，某些岩层，如巨厚层岩层或砾岩层，它们的层理常常很不清楚;有的岩层则由于节理、劈理强烈发育而掩蔽了层理或与层理混淆不清。特别是在某些变质岩地区，由于次生面理特别发育，甚至层理被置换，以致原生层理极难辨认。这就要求我们在野外工作中仔细观察，尽力发现能鉴别层理的各种标志及岩层的其他原生构造去识别层理。层理主要是根据岩石叫成分、结构和颜色的变化以及层间分界面等几个方面去识别的，即：1.岩石成分的变化 在成分比较单一的巨厚层岩石中，要注意寻找成分特殊的夹层。如块状砂岩中的砂砾层、粗砂岩夹层或透镜体;巨厚层石灰岩或白云岩中的薄层泥灰岩、页岩夹层或硅质条带等,这些夹层是识别巨厚岩层层理的比较可靠的标志。2.岩石结构的变化 不同粒度或不同形状的颗粒总是分层堆积的，从而显示出层理。如砾岩中大小不同的砾石分层堆积呈带状；砂岩中云母呈面状分布，各种原生结核或扁平状砾石在沉积岩中呈面状排列等，都可作为确定层理的标志。3.岩石颜色的变化 在成分单一，颗粒较细，层理隐蔽的岩石中，如有颜色不同的夹层或条带，也可指示层理。但要注意区别由某些次生变化造成的岩石颜色差异。4.岩层的原生层面构造 这些构造包括波痕、泥裂、雨痕、生物遗迹及其印模等，也可以作为确定层理的标志。二、利用沉积岩层原生构造确定岩层的顶面和底面 确定岩层的新老层序是野外观察研究地质构造的一个重要问题。有些岩层在强烈的构造变动后，产状变为直立甚至发生倒转，造成岩层底面在上，顶面反而在下，使岩层沿着倾斜方向，出现由新到老的层序倒置的现象。确定岩层的地质时代和层序，主要是依据化石。但是在某些情况下，尤其在缺乏化石的哑地层中，也可以根据岩层的原生构造或某些次生构造，通过判别岩层的顶、底面去确定其相对新老层序。关于利用次生构造(如层间小褶皱、劈理等)确定岩层定、底面问题，将在后面有关章节中论述。这里只介绍几种常见的确定岩层顶、底面的原生构造。（一）斜层理斜层理由一组或多组与主层面斜交的细层组成。其判别特征是:每组细层理与层系顶部主层面成截交关系，而与层系底部主层面呈收敛变缓而相切的关系，弧形层理凹向顶面。根据这个特点就可以确定岩层顶、底面(图23)。（二）粒级层理粒级层理又叫递变层理。其特点是在一单层肉，从底到顶粒度由粗逐渐变细，如底部是砾石或粗砂质，向上可递变为细砂、粉砂，以至泥质。根据粒级层理这种下粗上细粒度递变的特征，可以确定岩层的顶、底面(图24)。（三）波痕波痕的成因和类型很多，能指示岩层顶、底面的主要是对称型的浪成波痕。浪成波痕有尖棱状波峰和圆弧型波谷组成（图25）。这种波痕无论是原型还是其印模，都是波峰尖端指向岩层的顶面，波谷的圆弧则是凹向底面（图26）。（四）泥裂泥裂又称干裂，是未固结的沉积物露出水面，失水干固时，因收缩而形成与层面大致垂直的裂缝。泥裂常见于粘土岩和粉砂岩中，也见于碳酸盐岩中。泥裂使层面构成网状、放射状或不规则的分叉状的裂缝，在剖面上一般呈“V”字型(有时切穿层面也可呈“U”字型)这些裂缝为上覆沉积物填充时，其填充层的底面成为脊形印模(图2一7)。无论是楔形裂缝或脊形印模的尖端均指向岩层的底面，即指向较老岩层。（五）雨痕、冰雹痕及其印模雨浪和冰雹痕是雨点或冰雹落在湿润而柔软的泥质或粉砂质沉积物上，冲打出圆形或椭圆形，边缘略高于沉积物表面的凹坑。冰雹痕较雨痕大而深，形状不太规则，也较粗糙，凹坑边缘也较高。两种凹坑形成后又被上覆沉积物填充掩埋，成岩之后，遂在岩层的顶面上留下凹坑，而在上覆岩层的底面形成圆形或椭圆形瘤状突起印模。因此，凹坑总是分布在岩层的顶层(图2-8)，瘤状印模则出现在岩层的底面，或者说，凹坑和瘤状印模的圆孤外形总是凹或凸向岩层的底面。（六）冲刷痕迹固结或半固结的沉积层，在露出水面或在水下时，因流水的冲刷，在沉积层的层面上造成沟、槽和浅坑等凹凸不平的冲刷痕迹。此后，在其上覆沉积层的底面上也可形成相应的印膜，岩层面上的这些沟、槽和浅坑，及其上覆沉积岩层底面上的印膜，同样可以作为确定岩层顶、底面的标志(图2-9)。(七)古生物化石的生长和埋藏状态保存在岩层中的古动、植物化石，除了根据其种属确定地层的地质时代外，还可以根据某些化石在岩层内的埋藏保存状况和生长状态鉴定岩层的顶、底面。例如珊瑚(特别是群体珊瑚)等底栖生物，常可能就以当初生长状态被掩埋起来。因此，它们的基部总是指向岩层的底面。又如由某些藻类形成的叠层石，其类型不同，形态各异，如柱状、分校状、锥状和瘤状，但均具有向上穹起的叠积纹层构造。这些穹状纹层的凸出方向，往往指向岩层的顶面。一些腕足类或斧足类介壳，在被沉积物掩埋时，大多数介壳保持着凸面向上这样一种最稳定的埋藏状态，所以，大多数介壳的较凸的一瓣的凸出方向，往往指向岩层的顶面(图211)。古代羊齿类、苏铁类和其他种类植物的根系，当被掩埋时，保持其生长状态，则古植物根系的生长迹象，也可作为判断岩层顶、底面的标志(图212)。第二节 岩层的产状、厚度及出露特征 一、岩层的原始产状 在广阔而平坦的沉积盆地(如海洋和大湖泊)中所形成的沉积岩层，其原始产状大都是水平的或近于水平的。将岩层的原始产状理解为水平的，以水平面作为参考面，是认识和分析地质构造的一个基本前提。二、水平岩层 岩层层面保持近水平状态，即同一层面上各点海拔高度都基本相同，具这样产状的岩层称为水平岩层。水平岩层具有以下特征：1.在地层层序没有发生倒转的前提下，地质时代较新的岩层叠置在较老岩层之上。岩层愈老出露位置愈低，岩层愈新其出露位置愈高（图215）。2.水平岩层其出露界线在地质图上表现为与地形等高线平行或重合。（图215）。3.水平岩层的厚度就是该岩层顶面标高和底面标高之差。4.水平岩层的露头宽度(即岩层上、下层面在地面上的出露界线之间的水平距离）是随岩层的厚度和地面坡度的变化而变化的（图216）。三、倾斜岩层 由于地壳运动，使原始水平产状的岩层发生构造变动，形成倾斜岩层。观测岩层产状及其出露分布特征，是野外地质调查和填绘地质图、研究分析地质构造的一项经常性的基础工作。（一）岩层产状要素及其测定1.岩层的产状要素采用岩层面的走向、倾向和倾角三个要素的数值来表示（图218）。走向 岩层面与水平相交的线叫走向线（图218中AOB）。走向线两端所指的方向即为岩层的走向。倾向 层面上与走向线相垂直并沿斜面向下所引的直线叫倾斜线(图218中的OD)。倾斜线在水平面上的投影线所指层面向下倾斜的方向，就是岩层的真倾向(图218中OD)，简称倾向。倾角 岩层的倾斜线及其在水平面上的投影线之间的夹角就是岩层的倾角（图218中），又叫真倾角。视倾斜线和它的水平面上的投影线之间的夹角，叫视倾角或假倾角。从岩层面上任一点都可以引出许多条视倾斜线，因而也就有许多倾角，而这些视倾角都比该点的真倾角值小。真倾角与视倾角的关系如图219所示。真倾角与视倾角的关系还可以用数学式表示： tan=tancos 2.岩层产状要素的测定与表示方法岩层的产状要素通常是用地质罗盘直接在岩层面上测得。在有些情况下，用地质罗盘不容易准确测定时，可根据钻孔资料、地形地质图上的表现及视倾斜值用几何作图法或赤平投影等方法，求出岩层的产状要素(详见附篇实习教材及极射赤平投影在构造地质学中的应用)。岩层的产状要素可用文字和符号两种方法表示。文字表示方法也有两种：(1)方位角表示法 一般只测记倾向和倾角。如SW20525 (也可书写为20525)，前面是倾向方位角，后面指倾角，即倾向为西南205，倾角25 。(2)象限角表示法 以北和南的方向作为0，一般测记走向、倾角和倾向象限。如N65W/25SW，即走向为北偏西65，倾角为25，向南西倾斜；又如N30E/27SE，即走向北偏东30，倾向南东，倾角27。在地质图上，岩层产状要素是用符夸来表示。常用符号如下：丅30长线表示走向，短线表示倾向，数字表示倾角。长、短线必须按实际方位标绘在图上；岩层产状是水平的；岩层直立，箭头指向新岩层；岩层倒转，箭头指向倒转后的倾向，即指向是岩层，数字是倾角度数。(二)岩层的厚度厚度（一般均指岩层的真厚度）是指岩层的两个平行界面之间的垂直距离（图220中h）。岩层除有真厚度外，还有视厚度和铅直厚度。在与岩层走向斜交的直立剖面或在与岩层面不垂直的任何方向的非直立剖面上测得的岩层顶、底界线之间的垂直距离，都是视厚度（图220中h）。铅直厚度是指岩层顶、底面之间沿铅直方向的距离（图220中H）。(三)倾斜岩层的露头界线形态 岩层的露头界线形态，决定于岩层产状、地形以及二者的相互关系。水平岩层的露头界线在地质平面图上，表现为与地形等高线平行或重合(图221I及图215)；直立岩层露头界线在地质图上是沿走向呈直线延伸，不随地形等高线弯曲而弯曲(图221II )；倾斜岩层露头界线分布形态则较复杂，表现为与地形等高线成交切关系(图221III)，并有一定规律，即当其横过沟谷或山脊时，均呈“V”字形态，根据岩层产状、地面坡向及坡度不同，“V”字形形态也有所不同，这种规律称为“V”字形法则。分述如下：1. 当岩层倾向与地面坡向相反时，岩层界线与地形等高线的弯曲方向一致，即在沟谷处，岩层界线的“V”字形尖端指向沟谷的上游，而穿越山脊时，“V”字形尖端则指向山脊的下坡；但岩层界线的弯曲度总是比等高线的弯曲度小（图222）。2. 当岩层倾向与地面破向相同时，且岩层倾角大于地面坡度角时，岩层界线与地形等高线成相反的方向弯曲。在沟谷中，界线“V”字形的尖端指向下游；在山脊上，则指向山脊上坡（图2-23）。3. 当岩层倾向与地面破向相同时，且岩层倾角小于地面坡度角时，岩层露头界线与地形等高线的弯曲方向也是相同的。但在沟谷中，岩层露头界线的“V”字形尖端指向上游；在山脊上，其“V”字形尖端则指向山脊的下坡（图224）。这与第一种情况所表现的形态不同之处在于其露头界线的“V”字形弯曲度大于地形等高线的弯曲度。上述三种情况都表明，在地层没有倒转的情况下，在沟谷中岩层界线的“V”字形尖端指向新地层，“V”字形内弧开口处为相对老的地层；在山脊处则相反。“V”字形法则不仅适用于层状地质体界面露头线的分布形态，也适用于一切较平整的构造面，如断层面、不整合面等的露头线的分布形态。（四）岩层的露头厚度倾斜岩层的露头宽度主要取决于岩层的厚度和倾角（图226），还受地面坡角、破向与岩层的倾角、倾向之间关系（图227、28）的影响。当岩层倾向与破向相反时，一般是地面坡度缓，岩层露头就宽，坡度陡，露头就窄（图227A、B）；岩层出露在陡崖峭壁上，则岩层顶、底面的界线在平面上的投影重合成一条线，造成在平面图上岩层尖灭的假象(图227C)。当岩层面与倾斜地面直交时，这时露头宽度小于岩层厚度(图228a)；岩层倾角达90b时，露头宽度等于岩层厚度，且不受地形影响(图226B左侧的岩层；图228b层)；当岩层面与地面之间的交角(指相交锐夹角)由大变小，则露头宽度由窄变宽(图228)。影响岩层露头宽度的上述各种因素是相互结合相互制约的，在实际工作中应根据具体情况分析比较，了解其变化规律。第三节 地层的接触关系 地层接触关系的研究，可以追索地壳运动的性质、特点和演化历史，确定地质构造的形成时期和岩浆活动时期，同时对研究古地理演化、寻找某些矿床以及解决其他有关地质问题等具有重要意义。地层接触关系可以分为整合和不整合两种类型。一、整合与不整合 上、下地层在沉积层序上没有间断，岩性或所含化石都是一致的或递变的，其产状基本一致，它们是连续沉积形成的。这种上、下地层之间的接触关系，称为整合接触。地层的整合接触反映了在形成这两套地层的地质时期该地区地壳处于持续地缓慢下降状态，或虽有短期上升，但是沉积作用从未间断，或者地壳运动与沉积作用处于相对平衡状态，沉积物一层层地连续沉积，这样就形成了两套地层的整合接触关系。上、下地层间的层序如果有了间断，即先后沉积的地层之间缺失了一部分地层。这种沉积间断的时期可能代表没有沉积作用的时期，也可能代表以前沉积的岩石被侵蚀的时 期。地层之间这种接触关系称为不整合。在上、下地层之间有一个沉积间断面，叫不整合面。不整合面在地面的出露线叫不整合线，它是重要的地质界线之一。二、不整合的类型根据不整合面上、下地层的产状及其反映的地壳运动特征，不整合可分为两种主要类型，即平行不整合(也称假整合)和角度不整合(即狭义的不整合)。(一)平行不整合平行不整合表现为上、下两套地层的产状彼此平行，但在两套地层之间缺失了一些时代的地层，表明在这段时期发生过沉积间断，这两套地层之间的接触面一一不整合面就代表这个没有沉积的侵蚀时期。不整合面也就是古剥蚀面，在这个面上常有底砾岩(其砾石为下伏地层的岩石碎块)，有时还保存着古风化壳或古土壤层。不整合面有平整的，也有高低起伏的，它反映了上覆新地层沉积前的古地貌形态。平行不整合的形成是由于地壳在一段时期处于上升，而在上升过程中地层又未发生明显褶皱或倾斜，只是露出水面发生沉积间断和遭受剥蚀。经过一段时期后，又再次下降接受新的沉积，从而使上、下地层之间缺失了一部分地层，但彼此的产状却是基本平行的。这一过程可以表示为：下降沉积上升、沉积间断和遭受剥蚀再下降、再沉积。如我国华北和东北南部广大地区的增石炭统(本溪组)直接覆盖在中奥陶统马家沟组的石灰岩侵蚀面之上(图229)，其间缺失了自上奥陶统到下石炭统的一系列地层，而上、下地层的产状是基本平行的，这是一个典型的平行不整合接触。平行不整合在平面上和剖面上都表现为：不整合面上、下两套地层的界线在较大区域内呈平行展布，产状也基本一致，但其间却缺失部分地层，如图2-30中的下泥盆统(Dl)与上奥陶统(O3)的接触关系。(二)角度不整合角度不整合又简称不整合。主要表现为：上、下两奎地层之间既缺失部分地层，产状又不相同。在不整合面上常有底砾岩、古风化壳、古土壤层等。上覆的较新地层的底面通常与不整合面基本平行，而下伏的较老地层层面与不整合面则相截交。角度不整合的形成过程可以概括为：下降、接受沉积y褶皱上升(常伴有断裂变动、岩浆活动、区域变质等)、沉积间断、遭受剥蚀y再次下降、再沉积。因此角度不整合的存在反映了该地区在上覆地层沉积之前曾发生过榴皱等重要构造事件。角度不整合在平面上和剖面上均表现为：不整合面上、下两套地层的产状有较明显的差异，其间又缺失一部分地层。上覆较新地层的底面的界线(即不整合线)与下伏较老的不同层位的地层相交截，如图230中的下二叠统(P1)的底面界线在平面上与中泥盆统(D2)和上泥盆统(D3)相交截，在剖面上则覆盖切截了上奥陶统(O3)、下泥盆统(D1)和中泥盆统(D2)等地层。四川江油马角坝地区，下侏罗统白田坝组(Jlb )底砾岩层覆盖在三叠系各统地层之上(图231)，而在邻近地区，下侏罗统白田坝组底部砾岩层直接与二叠系一泥盆系的各层相接触，且上下地层产状截然不同，是一个典型的角度不整合。三、不整合的观察和研究地层不整合接触是研究地质发展历史及鉴定地壳运动特征和时期的一个重要依据。(一)确定不整合的存在不整合是地壳运动的产物。地壳运动往往引起地表自然地理环境的变化，从而影晌到沉积、成岩作用的变化和生物界的演化；同时，地壳运动与岩石变形、岩浆活动及区域变质等地质作用又有着密切的关系。因此，这些与地壳运动有关的地质作用所产生的现象，都可作为确定不整合的直接或间接的标志。1地层古生物方面的标志上、下两套地层中的化石所代表的地质时代相差较远；或二者的化石反映出在生物演化过程中存在不连续现象（包括种、属的突变），或二者的生物群迥然不同。这些都反映了该区在下伏地层沉积之后，由于地壳运动引起了自然地理环境的根本变化。根据化石和区域地层对比，确定两套地层之间存在某些层位的缺失，而又证明它不是断层造成的，则说明有不整合存在。2沉积方面的标志上、下两套地层在岩性和岩相上截然不同，两套地层之间往往有一个较平整或起伏不平的古侵蚀面，这个面上可能保存着古风化壳，古土壤层或与之有关的残积型矿床如铁、锰、磷、镍、稀土或铝土矿等。上覆地层的底层常有由下伏地层的岩石碎块、砾石组成的底砾岩。如四川广元至江油一带位于不整合面上的下侏罗统白田坝组底砾岩中的砾石，就绝大部分是下伏地层中的石英砂岩(D1)及碳酸盐岩(P-T)。如下伏岩石是片麻岩或花岗岩等富含长石的岩石，则不整合面上常有高岭土层或长石砂岩层。这些都是不整合的沉积标志。3构造方面的标志上、下两套地层产状不一致，构造变形强弱程度不同，因而两套地层的褶皱型式、断裂情况也各异，这是角度不整合的构造标志。一般地说，下伏老地层遭受构造变形的期次总是多于上覆新地层，因而其构造变形相对要强烈和复杂；下伏老地层中某些断层、节理或其它构造面(如侵入岩体与围岩的接触面)，可伸延至不整合面而被截断。从宏观方面看，两套地层的构造线方向有时也迥然不同(图235)。但是，也要注意，岩层褶皱型式的差异，变形的强弱不同，其影响因素很多，如岩石的物理-力学性质不同而引起的变形差异等。因而在运用构造方面的标志时要从多方面考虑，综合分析。4岩浆活动和变质作用方面的标志不整合面上、下两套地层及其构造是在不同时期的地壳运动中形成的。因此往往各自伴生不同时期和不同特点的岩浆活动和变质作用，并各有不同类型的矿床。如四川攀西地区的会理群为一套变质火山岩和沉积岩组成的浅变质岩系，其中有侵入的含铜、镍矿床的基性一超基性岩体及含铁、锡矿床的花岗岩体。在这套变质岩系之上覆盖着未经变质的火山岩和沉积岩组成的晚元古界地层及古生界地层，其中又有较晚时期侵人的含钒钛磁铁矿的基性岩体，二者呈明显的角度不整合接触关系。如果两套地层变质程度有明显差异，而且直接接触，并可说明其间并非断层接触，则可确定为不整合接触。至于如何鉴定发育于变质岩系中的不整合，将在本书第九章论述。(二)观察研究不整合面及其上、下地层的产状、岩性和时代不整合面是较平整的还是起伏不平的，反映了该区当时的大陆侵蚀程度和地貌特征。不整合面有的比较明显，有的却不甚明显。例如在靠近不整合面的下伏地层，常因风化剥蚀而破碎，从而与其上