工程地质基础-地质构造剖析

第三章地质构造 地壳运动 由于地球内力地质作用引起地壳变化 使岩层或岩体发生变形和变位的运动 称为地壳运动形式 水平运动 地壳受水平张力或水平挤压作用 使岩层产生断裂或褶皱 升降运动 垂直于地表的运动 表现为地壳大面积的上升运动或下降运动 新构造运动 晚第三纪以来的构造运动现代构造运动 人类历史以来产生的新构造运动 地壳运动的标志 水平运动的标志 地壳板块运动建筑物被错动河流 山脊等发生同步弯曲或错断构造变形升降运动的标志 河流阶地 海成阶地 夷平面 多层溶洞等沉积环境及沉积厚度等变化地层接触关系 全球地壳运动活动带的空间分布 环太平洋带地中海 印度尼西亚带大洋洋脊及大陆裂谷带 地质构造 地壳运动使岩体产生变形 变位 形成各种不同的构造形迹 如 断层 裂隙 褶皱等 地质构造的基本类型 水平构造 地壳表层沉积的产状近于水平原始岩层的构造 倾斜构造 构造运动使岩层面与水平面有一定夹角 褶皱构造 当岩性比较软弱的层状岩体受到较强烈构造应力作用 岩层产生一系列连续弯曲变形 断裂构造 构造应力超过岩体极限强度时 岩层便产生破裂或错动 褶皱和断裂构造使岩层产生弯曲 断裂和位移 破坏了岩体的完整性 使岩体透水性增强 风化作用加剧 岩石强度和岩体稳定性降低 会使工程地质条件复杂化 绝对年龄 地层形成到现在的实际年数 根据岩石中所含放射性元的衰变规律来确定 适用于岩浆岩 变质岩地区 了解 3 1地史概要3 1 1地层年代的确定 式中 t 岩石实际地质年龄 衰减系数 每年每克母体同位素能产生的字体同位素的克数 D 岩石中放射性元素衰变而成的子体同位素含量 N 岩石中放射性元素衰变后剩余的母体同位素含量 相对年代 常用的 地层的相对新老关系 适用于沉积岩地区 确定方法 地层层位法 沉积岩下层的形成年代较老 上层形成年代较新古生物法 根据沉积岩中保存的不同地质时期的生物化石确定地层年代岩性对比法 同一时期 相同地质环境下形成的沉积岩的成分 结构和构造一般类似 确定了某一地区的地层年代 可以通过岩性对比来确定其他地层的地质年代 地质年代单位 从大到小 宙 代 纪 世 期地层单位 从大到小 宇 界 系 统 阶 3 1 2地质年代表地质年代单位和地层单位 地质年代表 寒武纪 晚寒武世 中寒武世 早寒武世 表中列出地质相对年代从老至新的划分次序 以及绝对年代 根据生物的演化规律和主要构造运动 对地壳的发展演变和地质年代进行划分 3 1 3地层接触关系 沉积岩层间的接触关系整合接触 时间上连续 产状上一致 反映地壳连续均匀下降 连续沉积形成 特点 地质图上地层分界线平行重合一致 假整合接触 时间上不连续 两套地层产状基本一致 但有明显的沉积间断 缺失某些地质时代的地层 由于地壳交替升降产生 特点 地质分界线出现不整合面 不整合接触 时间上不连续 上下地层有明显的沉积间断 且上下地层产状不一致 表明地壳发生剧烈运动 先形成地层隆起褶皱 然后下沉形成沉积岩层 2 岩浆岩与沉积岩间的接触关系 侵入接触沉积接触侵入与沉积接触 侵入接触 沉积岩形成在先 后来火成岩侵入其中沉积接触 侵入岩先形成 之后地壳上升受风化剥蚀 然后地壳又下降形成沉积岩 3 2倾斜构造 岩层 被两个平行或近于平行的界面限制 同一岩性组成的层状岩石 岩层的上下界面叫层面 上层面又称顶面 下层面为底面岩层顶 底面之间的垂直距离是岩层的厚度 岩层向一个方向变薄以致消失形成楔形体 如果两个方向变薄 称为透镜体 3 2 1水平岩层 水平岩层 岩层形成后 受构造运动影响较小 仍保持水平产状的岩层称为水平岩层 1 新岩层盖在老岩层之上 2 水平岩层在地质图上的地层界线与地形等高线平行或重合 地层界线 岩层面与地面的交线 水平岩层在地质图上的特征 3 岩层的厚度是其顶 底面间的高差 4 岩层出露宽度 岩层顶层和底面地界线间的水平距离 取决于岩层厚度和地面坡度 19 63 3 2 2倾斜岩层 单斜构造的力学成因 图4 3地层层序 a 正常层序 b 倒转层序 岩层层序正常 上层为新岩层 下层为老岩层 层面与水平有一交角的岩层称为倾斜岩层 岩层的倾斜方向及倾斜角度基本一致 称单斜岩石 岩层的产状 是指岩层面在三维空间的延伸方位及其倾斜程度可以用走向 倾向 倾向角表示走向 岩层面和水平面的交线叫走向线 走向线两端延伸的方向就是岩层的走向 倾向 真倾向 垂直于岩层走向线 沿岩层面向下倾斜的直线称为倾斜线 在水平面的投影称为倾向 真倾向 倾角 真倾斜线与其在水平面上的投影线 倾向线 的夹角 产状三要素 岩层的产状 1 岩层产状的三要素 A B走向线O D倾斜线O D 倾向线 倾角 真 倾角 视倾角HD HC 视倾斜线OD OC 视倾向线 走向 倾向 倾角 岩层面上一点可以引出许多条视倾斜线 因而有许多视倾斜角 视倾斜角比该点的真倾斜角小视倾向越接近真倾向 视倾角越来越大 最后趋近于真倾角 视倾向越偏离真倾向 即越靠近岩层走向 则视倾角越小 以至趋近于零 岩层产状要素的测定与表示方法 岩层产状要素通常用地质罗盘直接在岩层面上测量 有时用地质罗盘不容易找准 用几何作图的方法求出岩层产状要素 岩层的产状可用文字和符号两种表示 文字表示方法有方位角和象限两种方位角以北为0 顺时针转动测量角度 角度范围从0 到360 象限角以北或南为0 向东或向西测量角度 2 岩层产状的表示方法 1 方位角表示法 用倾向和倾角表示 2 象限角表示法 用走向 倾角 倾向线表示 210 25 读倾向210度 倾角25度 N45 E 30 SE北偏东45度 倾角为30度 倾向南东 3 符号表示法 地质图中常用 40 长线代表走向 短线代表倾向 度数是倾角 岩层产状水平 岩层直立 箭头指向新岩层70 岩层倒转 箭头指向倒转后的倾向 数字是倾角 1 岩层界限与地形等高线弯曲方向相同 但岩层界限弯曲程度小 等高线弯曲程度大 2 岩层界限 V 字形尖端指向沟谷上游 在山脊上指向山脊下坡 3 倾斜岩层地层界线的分布特征 岩层倾向与地面坡相反 1 岩层界限与地形等高线弯曲方向相反 但岩层界限弯曲程度小 等高线弯曲程度大 2 岩层界限 V 字形尖端指向沟谷下游 在山脊上指向山脊上坡 岩层倾向与地面坡相同时 岩层倾角大于地面坡角的 V 字形 3 2 3直立岩层 直立岩层地质界线在空间上是一条沿走向延伸的直线 不受地形影响 1 根据岩层产状三要素可知 A 由走向可以直接确定倾向B 由倾向可以直接确定倾角C 由走向可以直接确定倾角D 由倾向可以直接确定走向 D 2 如图所示 岩层的产状要素为 A AA 走向线 OB 倾斜线 CO 水平线 岩层倾角B OB 走向线 AA 倾斜线 CO 水平线 岩层倾角C AA 走向线 CO 倾斜线 OB 水平线 岩层倾角D CO 走向线 AA 倾斜线 OB 水平线 岩层倾角 A 3 如图所示的岩层的接触关系是 A 整合接触B 角度不整合接触C 假整合接触D 平行不整合接触 B 4 某地上 下两套地层时代不连续 产状基本一致 则它们的接触关系是 A 整合接触B 沉积接触C 假整合接触D 角度不整合 C 5 如图所示 关于岩层接触关系表述全部正确的是 A a是整合接触 b是不整合接触 c是整合接触 d是假整合接触B a是整合接触 b是整合接触 c是假整合接触 d是角度不整合接触C a是整合接触 b是假整合接触 c是整合接触 d是角度不整合接触D a是整合接触 b是不整合接触 c是假整合接触 d是整合接触 C 3 3褶皱构造 组成地壳的岩层 受构造应力的强烈作用 使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造 称为褶皱构造 一 褶皱的力学成因 a 水平挤压力 b 垂直作用力 c 力偶作用 1 褶皱构造的基本形态背斜 中部岩层向上弯曲 两侧岩层向外倾斜向斜 中部岩层向下弯曲 两侧岩层向内倾斜 未经风化剥蚀 背斜成山 向斜成谷风化剥蚀后 背斜成谷 向斜成山 1 褶皱要素 核 褶皱构造的岩层遭受风化剥蚀后 出露在地表的地层的中心部分 翼 核部两侧岩层对称出露的部分 轴面 平分皱褶两翼的一个理想的面 轴 轴面与水平面的交线 其延伸方向代表褶皱的延伸方向 枢纽 轴面与岩层面的交线 是褶皱同一层面上弯曲最大的点的连线 2 褶皱的形态分类 按轴面产状分类 直立褶皱倾斜褶皱倒转褶皱平卧褶皱 按轴面产状分类 直立褶皱 斜歪褶皱 倒转褶皱 平卧褶皱 翻卷褶皱 轴面近直立两翼倾向相反倾角近相等 轴面倾斜两翼倾向相反倾角不等 轴面倾斜两翼倾向相统一翼倒转 轴面近水平一翼正常另一翼倒转 轴面弯曲平卧 按枢纽产状分 按延伸长度和宽度比值分类穹窿构造 a 长宽比小于3 岩层向四周倾斜 剥蚀后平面上中部为老岩层盆地构造 b 长宽比小于3 岩层向中心倾斜 剥蚀后平面上中部为新岩层 3 3 3褶皱构造的野外识别 1 垂直岩层走向选择观察路线 当岩层重复出现对称分布时 有褶皱构造 2 根据岩层的新老组合关系判断褶皱构造的基本形态 老岩层在中间 新岩层在两边是背斜新岩层在中间 老岩层在两边是向斜3 根据两翼岩层产状判断褶皱构造的形态类型 直立 倾斜 倒转 五 褶皱的工程地质评价 褶皱与隧道 对于选择坝址或隧道位置 一般宜设计在褶皱翼部 理由有 褶皱核部或转折端岩层由于受水平张拉应力作用 产生许多张节理 直接影响到岩体完整性和强度 易引起塌陷 滑脱 向斜核部易汇水 背斜核部易导水 褶皱翼部岩性较为均一 有利于稳定 且不易汇水 导水 3 4断裂构造 断裂现象岩石受力发生变形达到一定程度 使岩石的连续完整性受到破坏 产生各种大小不一的破裂面 称为断裂构造 节理 岩体沿破裂面没有明显位移或仅有微量位移称为节理断层 岩体沿破裂面两侧发生了明显位移或较大错动称为断层 3 4 1断裂构造的力学性质 断裂构造是在构造应力作用下生成的破裂面 包括断层面 节理面 劈理面 断裂构造的性质 发育规律及组合关系 主要受构造应力场控制构造应力场 指地壳中一定范围内 均匀的或随地点和时间不同而有变化的构造应力状态场构造应力主要有压应力 张应力 剪应力 断裂构造按力学性质可分为压性 张性 扭剪性以及压扭性和张扭性 1 压性断裂 2 张性断裂 3 扭性断裂 一 断裂构造的力学机制 断裂构造的形成 一 节理的分类二 节理的野外观测三 编制节理玫瑰花图四 节理的工程地质评价 3 4 2节理 节理 1 节理的成因分类1 原生节理 岩石形成过程中产生的节理 由于岩浆岩冷凝收缩或沉积岩在形成时由于脱水形成的 如玄武岩的柱状节理 2 风化节理 岩石受风化作用产生的节理或裂隙 3 构造节理 地壳运动过程中受构造作用力而产生 是自然界最广泛存在的一种节理 按其力学成因又分成两类 即 张节理和剪节理 张节理 是由张应力产生的破裂面具有如下主要特征 张节理产状不甚稳定 延伸不远 单条节理短而弯曲 机理常侧列产出 张节理面粗糙不平 无擦痕 张节理常常绕砾石或粗砂粒而过 张节理有时形成不规则的树枝状和网络状 剪节理 是由剪应力产生的破裂面具有如下主要特征 剪节理产状较稳定 沿走向和倾向延伸较远 剪节理较平直光滑 有时具有因剪切滑动而留下的擦痕 发育于砾岩和砂岩等岩石中的剪节理 一般穿切砾石和胶结物 典型的剪节理常常组成共轭X型节理系 根据节理产状与岩层产状的关系划分走向节理 倾向节理 斜向节理 顺层节理 根据节理与褶皱枢纽的关系划分纵节理 横节理 斜节理 劈理 就是密集的构造微节理 分为破劈理和流劈理破劈理 由于层间滑动或断层两侧岩体位移引起的扭应力产生的破裂面也可形成破劈理 多发育在脆性较大的岩层流劈理 由于压应力的作用 岩石中的矿物发生塑性流动 拉长 压扁和重结晶 使矿物平行排列形成密集裂面 流劈理多发育在塑性较大的岩层 二 节理的野外观察 观测点的选定一 露头良好 便于观察二 构造特征清楚 岩层产状稳定三 节理比较发育四 观测点应选在构造的重要部位 并且在不同构造层 不同岩系和不同岩性岩层中都应布点 观测内容1 测量节理产状2 观察节理面张开程度和充填情况3 描述节理壁的粗糙程度包括 起伏度和粗糙度4 观察节理冲水情况5 根据节理发育特征6 统计节理的密度 间距 数量 确定节理发育程度和节理 观测方法测线法统计窗法 节理发育程度分级表 3 节理调查资料的整理对节理调查资料进行统计分析 节理统计采用的图标形式主要包括节理玫瑰图 节理极点图 节理等密度图 1 节理玫瑰花图走向玫瑰花图 每5 或10 分组 统计每组的节理数和平均走向 在任一半径的半圆上 射线方向代表节理平均走向 长度代表节理数 或百分数 连接各端点即得走向玫瑰花图 倾向玫瑰花图 与走向玫瑰花图类似 只是用一个整圆来做 射线方向代表平均倾向 三 编制节理玫瑰花图 将野外测得的节理走向换算成北东和北西方向 按其走向方位角的一定间隔分组 一般采用5 或10 为一间隔 如分成0 9 10 19 习惯上把0 归入0 9 组内 以此类推 统计每组的节理数目 计算每组节理平均走向 如0 9 组内 有走向为6 5 4 三条节理 则其平均走向为5 把统计整理好的数值填入表中 确定作图比例尺 选取数目最多的那一组节理的线段的长度为半径 作半圆 过圆心作南北线及东西线 在圆周上标明方位角 找点连线 写上图名和比例尺 A 节理走向玫瑰花图 节理玫瑰花图的作图方法 倾向玫瑰花图 用一个整圆 射线方向代表节理平均倾向 长度代表节理数 或百分数 20条 20条 走向玫瑰花图 用一个半圆 射线方向代表节理平均走向 长度代表节理数 或百分数 2 节理等密度图 用中心密度计和边缘密度计统计节理极点数 或百分数 并标于网格交叉点上 把相同数字的点用线连接起来即为等密度线 节理等密度图的作图方法 71 C 节理等密图 四 节理的工程地质评价 1 节理将岩体切割成块体 破坏了岩石的整体性 降低了岩体强度和稳定性 主要发育倾向与边坡坡向一致时 易发生崩塌 2 增强了岩体的透水性 促使风化速度加快 使岩体强度和稳定性降低 3 有利于开采 一 断层的基本类型及特征 1 断层要素基本组成部分有 断层面 断层线 断盘 断距 断层带 断层要素 1 断层要素 1 断层面 把岩石分成两个断块 且沿该面两边断块发生了显著位移 其产状用产状三要素表示 断层面可以是平面 也可以是曲面 有时是破碎带 2 断层线 断层面与地表的交线 即断层在地表的出露线 可以是直线 也可以是曲线 3 断盘 被断层面分开的两侧岩块 对倾斜的断层面 断层面上面的称上盘 下面的称下盘 断层面直立时 可根据断层的运动方向分为上升盘和下降盘 上盘 下盘 断层面 三 断层断层是一种有明显位移的断裂构造 断盘 断层面两侧相互错开的岩块 断层面倾斜时 断层面上的岩块称上盘 断层面下的岩块称下盘 断距 断层两盘相对滑移的距离称为断距 图12 16中AA 或BB 为断距 小断层的断距仅几米或更小 大断层的断距可超过100km 断层要素 2 断层的主要类型及其特征 1 按断层两盘的相对运动方向 正断层逆断层平移断层 正断层 上盘相对下降 下盘相对上升的断层 正断层的断层面通常大于45 向深部变缓 正断层主要是由于引张力和重力作用形成的 正断层 正断层按断层组合分类 阶梯状断层 地堑与地垒 阶梯状断层 产状大致相同正断层 逆断层 上盘沿断层面向上移动的断层 一般与褶皱伴生 根据断层面的倾角大小 可将逆断层分为 冲断层 逆掩断层 辗掩断层 叠瓦式断层 平移断层 岩层受水平扭力 剪力 作用使两盘岩层发生相对水平位移 右旋 顺时针 左旋 逆时针 对盘 一 断层要素 断层面 两侧岩块发生相对位移的断裂面 断层线 断层面与地面的交线 断盘 断层面两侧的岩块 断距 断层两盘沿断层面移动开的距离 断层面 断层线 标志层 二 断层的基本分类 断层的三种基本形式 断层类型 1 按断层两盘的相对位移方向 正断层 上盘相对下移 下盘相对上移 阶梯式断层地堑地垒逆断层 上盘相对上移 下盘相对下移 冲断层 45 逆掩断层 25 45 辗掩断层 25 叠瓦式断层平移断层 断层两盘产生相对水平位移的断层 地堑和地垒 地堑 两边岩层沿断层面上升 中间岩层相对下降形成 地垒 两边岩层沿断层面下降 中间岩层相对上升形成 逆断层组合形式 迭瓦式构造 正断层组合形式 叠瓦构造 由一系列平行或近于平行的 倾角相似的逆断层组合 形成迭瓦式构造 对于同时具有正 逆和平移的过渡性质的断层 一般采用组合命名平移 逆断层逆 平移断层平移 正断层正 平移断层 断层面产状 2 按断层走向与岩层走向的关系走向断层 断层走向与岩层走向一致 倾向断层 断层走向与岩层走向垂直 斜交断层 断层走向与岩层走向斜交 3 按断层走向与褶皱轴向的关系纵断层 断层走向与褶皱轴向一致 横断层 断层走向与与褶皱轴向垂直 斜断层 断层走向与褶皱轴向斜交 按断层走向与岩层走向的关系分 走向断层F1倾向断层F2斜交断层F3顺层断层 2 按断层力学成因性质分类1 压性断裂2 张性断裂3 扭性断裂4 压扭性断裂5 张扭性断裂 在倾斜岩层中地层发生缺失或不对称的重复 岩脉被错断 或者岩层沿一走向突然中断 与不同性质的岩层突然接触等 走向断层造成地层重复 a c e 与缺失 d b f 断层的野外识别 1 岩层不对称重复或缺失 2 地层界限不连续或岩层中断 3 断层破碎带及构造岩 断层两盘岩石相互错动 摩擦 搓碎 使断层带或夹在两盘间的岩石碎成角砾 细粉或泥 这种断层错动形成的岩石称为构造岩石 4 擦痕和阶步 擦痕 在断层面上 由于岩石块相互滑动和摩擦 常留下具有一定方向的密集的微细刻槽称为擦痕阶步 在擦痕的滑面上有许多小陡坎 称为阶步 5 牵引构造及伴生节理 牵引现象 当断层两盘相对错动时 断层两侧岩层受到拖拉而形成弧形弯曲现象 称为牵引现象伴生节理 断层两侧由于断层剪切滑动而诱导的局部应力所产生的节理 称为伴生节理羽毛节理 伴生节理分布在断层两侧呈雁形排列 形似羽毛 称为羽状节理 6 地貌及地下水特征 指巨大断层反应在地貌上的突然变化例如上升盘的前缘可能形成陡峭的断层崖 如果经剥蚀 就会形成断层三角面地形 另外 山脊错断 断开 河谷跌水瀑布 河谷方向发生突然转折等 很可能均是断裂错动在地貌上的反映 6 地貌标志 一 地质图的分类与规格 地质图 根据野外勘察的资料 将各种地质现象和地质条件按照一定比例尺反映在地形图上的图件 地质图的类型普通地质平面图地貌及第四纪地质图水文地质图工程地质图剖面图及柱状图 3 5地质图 地质图的种类 普通地质图地貌及第四纪地质图工程地质图水文地质图 地质平面图地质剖面图地层柱状图 地质图分析 小比例尺 1 1万 地质图首先应有图名 图例 比例尺 编制单位和编制日期等 地质图图例的编制应遵循自上而下或由左而右 地层从新到老排列的原则 比例尺的大小应根据工程的类型 规模 设计阶段和地质条件的复杂程度决定 地质图的规格 3 5 2地质图的表示方法 1 地层岩性地层岩性在地质图上是通过地层分界线 地层年代代号 岩性符号和颜色 并配合图例说明来表示的 层状岩层 1 水平岩层 水平岩层的与地形等高平行或重合 呈封闭的曲线 2 直立岩层 直立岩层的地层界线不受地形的影响 呈直线沿岩层的走向延伸 并与地形等高线直交 3 倾斜岩层有三种不同的情况 V 字形法则 岩层倾向与地形坡向相反时 地层界线的弯曲方向和地形等高线的弯曲