岩石的产状和岩石变形.doc

岩层的产状和岩石变形2007/12/13 14:49 岩层是指由两个平行的或近于平行的界面所限制的岩性相同或近似的层状岩石。岩层的上下界面叫层面，分别称为顶面和底面。岩层的顶面和底面的垂直距离称为岩层的厚度。任何岩层的厚度在横向上都有变化，有的厚度比较稳定，在较大范围内变化较小；有的则逐渐变薄，以至消失，称为尖灭；有的中间厚、两边薄并逐渐尖灭，称为透镜体。如果岩性基本均一的岩层，中间夹有其它岩性的岩层，称为夹层，如砂岩含页岩夹层，砂岩夹煤层等等；如果岩层由两种以上不同岩性的岩层交互组成，则称为互层，如砂、页岩互层，页岩、灰岩互层等等。夹层和互层反映构造运动或气候变化所导致的沉积环境的变化。一、岩层的产状（一）不同产状的岩层岩层在地壳中的空间方位称为岩层的产状。由于岩层沉积环境和所受的构造运动不同，可以有不同的产状。一般可以分为水平岩层、倾斜岩层、直立岩层和倒转岩层：1.水平岩层 在广阔的海底、湖盆、盆地中沉积的岩层，其原始产状大都是水平或近于水平的。在水平岩层地区，如果未受侵蚀或侵蚀不深，在地表往往只能见到最上面较新的地层；只有在受切割很深的情况下，才能出露下面较老的岩层。例如华北平原，除非根据钻孔资料，否则不能知道地下都有什么岩层。2.倾斜岩层 指岩层层面与水平面有一定交角（090）的岩层。有些是原始倾斜岩层，例如在沉积盆地的边缘形成的岩层，某些在山坡山口形成的残积、洪积层，某些风成、冰川形成的岩层，堆积在火山口周围的熔岩及火山碎屑层等，常常是原始堆积时就是倾斜的。但是，在大多数情况下，岩层受到构造运动发生变形变位，使之形成倾斜的产状。在一定范围内岩层的产状大体一致，称为单斜岩层。单斜岩层往往是褶皱构造的一部分。3.直立岩层 指岩层层面与水平面直交或近于直交的岩层，即直立起来的岩层。在强烈构造运动挤压下，常可形成直立岩层。4.倒转岩层 指岩层翻转、老岩层在上而新岩层在下的岩层（图7-12），这种岩层主要是在强烈挤压下岩层褶皱倒转过来形成的。（二）岩层的产状要素指确定岩层产状的三个数值，即走向、倾向和倾角。1.走向 岩层层面与任一假想水平面的交线称走向线，也就是同一层面上等高两点的连线；走向线两端延伸的方向称岩层的走向，岩层的走向也有两个方向，彼此相差180。岩层的走向表示岩层在空间的水平延伸方向。2.倾向 层面上与走向线垂直并沿斜面向下所引的直线叫倾斜线，它表示岩层的最大坡度；倾斜线在水平面上的投影所指示的方向称岩层的倾向，又叫真倾向，真倾向只有一个，倾向表示岩层向哪个方向倾斜。其它斜交于岩层走向线并沿斜面向下所引的任一直线，叫视倾斜线；它在水平面上的投影所指的方向，叫视倾向。无论是倾向或视倾向，都是有指向的，即只有一个方向。3.倾角 层面上的倾斜线和它在水平面上投影的夹角，称倾角，又称真倾角；倾角的大小表示岩层的倾斜程度。视倾斜线和它在水平面上投影的夹角，称视倾角。真倾角只有一个，而视倾角可有无数个，任何一个视倾角都小于该层面的真倾角。我们在野外工作，都要想法求出岩层的真倾向和真倾角，但在天然剖面（如沿河谷、断崖等）和人工剖面（如沿公路、探槽、矿坑等）上所看到的岩层倾角，如果剖面方向不垂直于岩层的走向，都是视倾角。真倾角和视倾角有一定的几何关系如图所示。设：ABCD为层面，ABEF为水平面，AB、CD为走向线，AFD面为与走向垂直的断面，为倾角（真倾角），BFD面为与走向斜交的任一断面，为岩层走向线与任一断面线BF的夹角，为视倾角，即层面上任一视倾斜线DB与其在水平面上投影FB的夹角。AFD与BFD为具有共同边DF的直角三角形，AFBF（无例外）此外，还可用数学公式表示真倾角与视倾角的关系。、中只要知其二，即可求其一。（三）测量产状要素的方法测量岩层的产状要素必须用地质罗盘。地质罗盘的外形为方形（长方形）和八边形。它的主要构件有：磁针、顶针、制动器、倾斜仪和底盘等。另外，在底盘上还带有刻度的圆盘和水准气泡。刻度从0360，按逆时针方向刻制，东与西的位置和实际相反。罗盘上的N表示北（0）；E为东（90）；S为南（180）；W为西（270）。比如测得一个数据是60，60在N与E之间，则表示为NE60；若测得数据为300，300在N与W之间，则表示为NW300。60与300都称方位角。测走向时将罗盘的长边（即NS边）与层面贴靠、放平、气泡居中后，北针所指的度数即为所求的走向。测倾向时用罗盘的N极指着层面的倾斜方向，使罗盘的短边（即EW边）与层面贴靠、放平，北针所指的度数即为所求的倾向。测倾角时将罗盘竖起以其长边贴靠层面，并与走向线垂直，罗盘指针上挂的倾斜仪所指度数就是所求的倾角。表示走向和倾向都用方位角。因为走向具有两个指向，可用两个方位数值来表示，二者相差180，如NE35，SW215。倾向仅有一个指向，只用一个方位数值表示，如SE125。倾角的变化介于090，如45。上述产状合在一起记录为在野外测量产状要素，往往只记录倾向和倾角，如SE125，45。只有当岩层近于直立时，才记录走向。另一方面要把岩层的产状符号标注在地形图的相应位置上，如图所示。产状符号一般是一长线、一短线互相垂直作“T”字形，长线代表走向，短线代表倾向，这两条线都要按实际方位画在图上，在短线一侧写上倾角的数字（用阿拉伯数字），不必标记“度”的符号（小圆圈），以免和“0”相混。地质图上常用的产状符号如下：二、岩石变形（一）应力、应力场、应变椭球体岩层所以由水平岩层变成倾斜岩层、直立岩层、倒转岩层，无疑这是受到力的作用的结果；岩层发生褶皱和断裂，也同样是这一原因。当一个物体受到力的作用时，它的形状或体积发生变化，或者形状和体积同时发生变化，这就叫作变形。变形物体所受的力，可分为二种，即外力和内力。外力是指施加于物体的力；内力是指物体受外力作用，内部产生的与外力相抗衡的力，也就是物体抵抗外力发生形变时产生的各部分之间相互作用的力（这里所说的内力和外力是指力而言，以前曾讲过的内力作用和外力作用是指地质作用而言。二者概念不要混淆）。在物体内任一截面上单位面积的内力，称为应力，应力的大小以kg/cm2来表示。在地壳内岩石中的应力，称为地应力。更确切地说：组成地壳的岩石，在构造运动所产生的构造力的作用下，其内部各点产生的应力，称为地应力，也称为构造应力。构造应力分布的空间称为构造应力场，或简称应力场。为了说明构造应力场，也就是构造应力的空间分布规律，通常采用“应变椭球体”来作几何形象的解释。比方，在各向同性的岩石中，任取一立方体，假想其中存在一个圆球体，当立方体受三向不等力发生均匀变形时，在不超过极限的范围内，原来的圆球体即变成三轴不等的椭球体，称为应变椭球体。如果把三度空间的应变椭球体，简化为“应变椭圆”，如图所示，即可以从平面上看出岩石受力时的应力场情况，也即各种应力的空间分布情况：图中CC方向为压应力最大的方向，AA为张应力最大的方向，与最大压应力或最大张应力方向成45的方向，即TT和T1T1为最大剪切应力的方向。所以，AA面为承受最大压应力的变形面，CC为承受最大张应力的变形面，TT、T1T1为承受最大剪切应力的变形面。在构造运动过程中，实际上张应力、压应力和剪切应力皆同时存在，并按椭球体中各种应力的相互关系而分布，构成应力场。这三种应力的任何一种都可使球体变成“应变椭球体”。应用应变椭球体来分析地质构造的力学成因及其几何分布规律，是既简便而又有效的方法。（二）岩石变形的阶段和影响岩石变形的因素构成地壳的岩石是坚硬的，厚度和体积是巨大的，怎么会产生变形呢？首先，应该知道岩石变形的三个阶段：一是弹性变形，岩石受外力（不超过弹性极限）发生变形，当外力去掉后变形立即消失，这种变形即为弹性变形。地震时所产生的弹性波（地震波）即属于这种性质，弹性变形在地壳岩石中不留任何痕迹，所以对研究地质构造来说，意义不大。二是塑性变形，岩石受外力（超过弹性极限）发生变形，当外力消失后，不能恢复原来形状，而形成永久变形，并仍然保持其连续完整性，这样的变形称为塑性变形。在地壳中普遍地保留下了属于塑性变形的褶皱构造等重要地质现象。如在上中，沿着AA方向，容易在压应力下形成褶皱。三是断裂变形，岩石受外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，产生破裂面，失去了它的连续完整性，这种变形即为断裂变形。所谓岩石的强度极限，是指在常温常压下使岩石开始出现破裂时的应力值，也称破裂极限。地壳中广泛地存在各种断裂构造，即属于此种变形。如在图中，沿着CC方向容易产生张性断裂；沿着TT和T1T1方向容易产生剪切断裂。由于岩石性质不同，有脆有柔，其变形性质也不相同。一般说来，脆性岩石当外力作用达到一定程度，即由弹性变形直接转变为断裂变形，没有或只有很小的塑性变形。柔性较大的岩石，当外力作用增大，超过岩石的弹性极限时，则由弹性转变为塑性变形；再继续施力，就会产生断裂变形。既使是同一岩石，但作用其中的应力性质不同，其效果差异很大。岩石在外力作用下抵抗破坏的能力，称为强度。应力性质不同，岩石表现不同的强度，如表7-1所列数字表明：岩石的抗压强度抗剪强度抗张强度。以脆性岩石为例，其抗压强度一般比抗剪强度大10倍左右，比抗张强度大30倍左右。所以，岩石在一个应力场中，受张应力作用部分极易断裂，然后沿着最大剪切面的方向形成剪切裂隙。表7-1 岩石的平均强度（单位：kg/cm2） 众所周知，组成地壳的岩石又硬又脆，但却发生了非常显著的变形，或像柔软的面条一样弯曲（褶皱）了，或七断八裂，切成许多碎块，对此似乎不可思议。实际上岩石变形固然与岩石本身的软硬等性质有关，而更重要的还与岩石所处的外界条件有关，如围压、温度、时间、应力状态等。所谓围压即岩石所受其围岩的压力。处于地壳深处岩石可达几千几万个大气压。围压能增强岩石塑性变形的能力和提高它的强度。大家知道冰是脆的，受力即破成碎块，但在强大压力下冰可变为塑性物质，冰川所以能够流动就是因为在强大压力下塑性增强的缘故。岩石也是这样，在常态条件下它是坚脆物质，但当岩石处于围压随深度而增加的地下，则变为具有高度塑性的物质。因为围压越大，物体内部质点的内聚力越强，要想使质点分开，产生断裂，那就困难了。温度是影响岩石变形的另一个重要因素。人所共知，许多固体物质在常温下是脆的，而在高温下则变成塑性的。这是因为温度增高可以增强物体内部质点的运动，使之容易发生位移。故在较小的应力下岩石也能发生塑性变形。也有人做过大理石的试验，在围压109Pa条件下，温度为常温，其弹性极限为2000kg/cm2；若温度升高为750，则其弹性极限减为1000kg/cm2，也就是扩大了塑性变形的范围。地壳岩石随埋深增加，不但围压增大，而温度也增高了，因此更容易产生塑性变形。温度如升高到一定程度，还可出现物质流动现象。此外，时间也是影响岩石变形的重要因素之一。一般说来，岩石所受的应力小于它的弹性极限，不会产生永久变形。但是如果作用时间很长或作用次数增多，也会引