工程地质与土力学基础第二章

1、第2章 地质构造2.1 地质作用 由于自然动力所引起,促使地壳物质成分、结构及地表形态发生变化的作用称为地质作用。根据地质作用的动力来源可将其分为内力地质作用和外力地质作用。2.1 .1 外力地质作用 外力地质作用是由地球以外的能源引起的。太阳的幅射能是最主要的外力作用，还有日月引力能和陨石碰撞能等。有了太阳，才有昼夜的温差，产生空气对流、大气环流及各种水流和冰川。外力作用唱的是三部曲：首先是使岩石破碎，然后是把它们从原来的地方搬走，搬运到另一个地方去沉积下来，即风化剥蚀搬运沉积。所以，外力作用的总趋势是“削高填平”，称为地球的渐变说。 地壳的变化 内力地质作用是由地球内部的能源，例如旋转能、

2、重力能、放射性元素衰变产生的能量以及化学能、结晶能等引起。 根据其动力来源和作用方式可分为构造运动、岩浆活动、变质作用和地震等，称为地球演变的“灾变说”。2.1 .1 内力地质作用地壳运动 地球内部动力作用所引起的地壳结构改变和地壳内部物质变位的运动，称为地壳运动，也叫 “ 构造运动 ” 。构造运动按发生时间分为：（古）构造运动晚第三纪末期以前（约3百万年前）；新构造运动晚第三纪末期和第四纪；现代构造运动五六千年前至现在。新构造运动对于现代地形、地表水系的改造、海陆分布和沉积物的性质起着主导作用。 地壳运动主要有垂直运动和水平运动两种形式。 由地壳运动造成的岩层产状和构造形态的改变，称为地质构

3、造。 4 种主要地质构造类型： 水平构造、倾斜构造、褶皱构造、断裂构造。 地壳运动及地质构造的形式 （一）地壳运动的基本形式1、水平运动： 指地壳物质大致平行地球表面，沿着大地水准球面切线方向进行的运动。 岩层在水平方向遭受挤压力、张力或剪切力，形成巨大而强烈的褶皱和断裂。因此，水平运动又称为 “ 造山运动 ” 。其速度为（ 几 几十mm）年 。2、垂直运动 指地壳物质沿着地球半径方向进行的缓慢升降运动。相邻块体或同一块体的不同部分作差异性升降。 常表现为大规模的隆起和凹陷，引起地势高低的变化和海陆变迁。因此，垂直运动又称为 “ 造陆运动 ” 。垂直运动的特点：交替性：时间上，空间上；周期性：

4、一个地区从下降到上升终止 称为一个旋回；复杂性：不同规模的升降交错发生。水平运动与垂直运动的关系 从地壳的发展历史看，地壳运动的总体表现形式，无论在大陆还是在海洋，越来越多的证据表明，水平运动是主导的，而垂直运动是派生的。 水平运动形成地壳的褶皱和断裂，升降运动引起地壳的隆起、凹陷和海陆变迁。地壳运动的基本形式地史地壳的发展历史 地球形成已有46亿年。在这 漫长的时间里，地球曾经历过许 多重大和复杂的变化，其历史就 记载在地壳的地层、古生物化石 和各种各样的构造变动遗迹中。地史地壳的发展历史2.2 地质年代 地质学表示时序的方法 称作地质时代,其包括绝对年代和相对年代两种。2.2.1 绝对地质

5、年代的确定是指地层形成到现在的实际年龄，主要根据岩石中的放射性元素衰变的速度特征来确定。 UThPb（铀系法，铀钍铅）；KAr（钾氩法）；RbSr（铷锶法）；14C（碳 14 同位素法）。2.2.2 相对地质年代的确定 指根据生物的发展和岩层形成的顺序，而将地壳历史划分为与生物发展相对应的一些自然阶段。 它只表示地质历史的相对顺序和发展阶段，不表示各个时代单位的长短。地质时代的确定方法 在野外地质工作中，用得较多的是以相对年代来确定地层的新老关系，可以用以下几种方法来确定。 1.地层层序法。地层是按时代先后层层沉积下来的，下面的地层较老，上面的地层较新，这称为地层层序律；2.古生物化石法 生物

6、的演化规律，总是从简单到复杂，从低级到高级不断进化的。地层越老,其中所含的化石就越原始、简单，地层越新其中所含的化石就越进步、越复杂，根据岩层中所含化石或化石群的种类来确定其相对新老关系，进而确定其相对的地质年代，这就是化石层序律;又称生物演化律。 在确定地层时使用那些时间上分布短、演化快，空间上分布广的所谓标准化石来划分和对比地层。3.地层间的切割律利用岩浆岩和其他围岩之间的接触关系，也可以来判断岩层之间的相对新老关系。侵入者新，被侵入者老，切割者新，被切割者老。运用切割定律确定岩石的生成顺序4、岩层接触关系分析法：整合接触：在地壳相对稳定的条件下，岩层沉积连续，且下老上新，没有岩层缺失，这

7、种关系叫整合接触。 特点：岩层相互平行，时代连续，岩性和古生物特征呈递变状态。 这种接触关系说明该地区未发生过显著的升降运动，古地理环境没有显著的变化。不整合接触：地壳运动使沉积中断，形成时代不连续的岩层，这种关系称为不整合接触。平行不整合：又称为 “ 假整合 ” ，不整合面上下两套岩层的产状彼此平行，但时代不连续，曾发生过沉积间断，故两套岩层的岩性和其中的化石群也明显不同。 这种接触关系说明该地区曾有过显著的升降运动，古地理环境有过显著的变化。平行不整合砂岩石灰岩不整合面平行不整合：又称为 “ 假整合 ” ，上下两套岩层的接触面往往起伏不平，常分布一层底砾岩。角度不整合： 不整合面上下两套岩

8、层成角度相交，上覆岩层覆盖在倾斜岩层或褶皱岩层之上。时代不连续，岩性和古生物特征突变；不整合面上往往保存有古侵蚀面。 这种接触关系说明该地区地壳有过显著的升降运动和褶皱运动，古地理环境发生过极大的变化。角度不整合的形成角度不整合的形成动画演示角度不整合2.2.3 地质年代单位 地质年代单位是从地层年代单位概括抽象出来的时间概念，作为比较研究的根据。组成地壳的全部地层（从最老到最新）所代表的时代称地质年代。不同级别的地层年代单位所代表的时代，称地质年代单位。形成一个宇的地层所占的时间称为宙；形成一个界的地层所占的时间称为代；形成一个系的地层所占的时间称为纪；形成一个统的地层所占的时间称为世；形成

9、一个阶的地层所占的时间称为期。5、地质年代表 指按时代早晚顺序把地质年代进行编年。 现代的地质年代表把绝对地质年代和相对地质年代结合起来，使分年分阶段更为准确。地层年代单 位地质年代单 位宇 eonothem宙 eon界 erathem代 era系 system纪 period统 series世 epoch阶 stage期 age带 chronozone时 chron2.3 岩层的产状岩层 具有层状结构、由两个平行或近乎平行的界面所限制的、岩性近似的岩石。 岩层的上下界面称为层面； 岩层包括了沉积岩、以及由沉积岩经过轻度变质作用而成的变质岩； 同一岩性的岩层中夹有其它岩性的薄层称为夹层； 两种

10、或两种以上不同岩性的岩层在垂直方向上多次重复交互，而且厚度相近的称为互层。岩层特征的变化尖灭透镜体夹 层互 层透镜体与互层為淺海低能量環境中所形成的透鏡狀薄層砂岩與頁岩互層。 单向交错层理台灣東部海岸山脈沈積相由砂岩與頁岩互層所組成。 岩层的产状要素走向倾向岩层产状：即岩层的产出状态，是指岩层在空间的方位。由其走向、倾向和倾角来表示。可标记为：倾角，SW210，35120300210352.3.3水平构造、倾斜构造和直立构造 1.水平构造是指层面水平或基本水平（ 倾角 5）的岩层。 典型的水平岩层没有走向和倾向，倾角为 0。 水平构造常见于构造运动相对微弱的地区， 沉积岩层得以保持水平状态。

11、常形成阶梯状陡崖、塔状、柱状或城堡状地邈、方山、桌山等地貌。 五彩湾新疆昌吉州的五彩湾赤壁湖北方山桌山南非开普敦2.倾斜构造指经构造运动后，层面与水平面形成一定夹角（ 5 85）的岩层。 倾斜方向一致、倾角相当的一系列岩层称为单斜岩层（单斜构造）。单斜岩层可以是褶皱或断层构造的一部分。 单面山岩层倾角 40 猪背岭岩层倾角 40顺向坡逆向坡顺向坡逆向坡单斜岩层中岳河南嵩山单面山，台湾东海岸2.4 褶皱构造指岩层在侧向压应力作用下发生弯曲 的现象，但仍基本保持其连续完整性。褶皱构造的基本单位是褶曲。褶曲是 岩层的一个弯曲，两个或两个以上的 褶曲的组合称为褶皱。（动画演示）褶皱的形成2.4.1 褶

12、曲形态要素核：BABCDFG倾伏端：C翼：EF、EG轴面：ABCD枢纽：EC轴：BCE2.4.2 褶曲的基本形态和特征褶曲的基本类型是背斜褶曲（背斜构造）与向斜褶曲（向斜构造）。 顺地貌：背斜成山，向斜为谷逆地貌：背斜为谷，向斜成山老新新老老新背斜和向斜动画演示2.4.3 按轴面及两翼产状，褶曲可分为四类直立褶曲（对称褶曲）：轴面直立，两翼倾向相反、对称 ，翼角大致相等；倾斜褶曲（不对称褶曲）：轴面倾斜，两翼倾向相反 ，翼角不等；倒转褶曲：轴面倾斜，两翼倾向相同，其中一翼岩层形成倒转（老岩层在上，新岩层在下），两翼相等或不等；平卧褶曲（横卧褶曲）：轴面水平或近乎水平，两翼岩层也近乎水平。一翼岩

13、层正常，另一翼发生倒转。褶皱1褶褶皱2褶 喜马拉雅就是典型的褶皱山系。它的褶皱像树轮一样记载着一段逝去的历史、一个沧海桑田的地质故事 顺地貌背斜山顺地貌向斜谷庐山王家坡逆地貌背斜谷向斜山直立褶曲罗布泊倒转褶曲台湾2.4.5 褶皱构造对工程的影响岩层受力形成褶皱以后，轴部张应力集中，岩石破碎，裂隙发育，易于风化，在石灰岩地区还易被溶蚀。岩体强度低，渗透性大，为工程地质条件差的地段。闸坝、电站、隧洞等都应尽量避开褶皱核部地段。当坝址选在褶曲翼部时，若坝轴线平行岩层走向，坝基岩性均一，岩层倾向上游，倾角较陡时，对坝抗滑稳定最有利，也不易产生渗漏。若坝轴线垂直岩层走向，坝基处不于不同岩性的岩层上，若岩

14、层软硬相差悬殊，坝址可能会产生不均匀沉陷，也易于发生渗漏，只要存在一层透水性强的岩石，就会产生集中渗漏。图2-9 褶皱构造对地下洞室稳定性的影响 背、向斜的核部往往构造应力很大，在工程中一旦遇到，应加强应力和变形测试，减少构造应力对工程的危害。采矿巷道及地下隧道宜布置在背斜的核部，而尽量避免布置在向斜的轴部。因为布置在背斜的核部的巷道或其它地下洞室能有效利用顶板岩体的自然成拱作用，增加洞室的稳定性。而布置在向斜的核部的巷道或其它地下洞室，一旦两帮岩石下滑，造成顶部岩石冒落事故，洞室顶部将很难进行进一步维护。2.5 断裂构造 岩石所受应力超过其自身强度的极限而发生破裂，导致岩层丧失其连续性的现象

15、，称为断裂。 岩块沿断裂面发生明显位移的断裂构造，称为断层。 岩块沿断裂面没有发生明显位移的断裂构造，称为节理。 2.5.1节理（裂隙）断裂面两侧的岩石裂开，但未发生相对位移的断裂构造称裂隙（或称节理）。它常是断层和褶皱的伴生产物。根据成因，可将裂隙分成原生节理、次生节理和构造节理三类。原生节理是在岩石形成过程中产生的，如沉积岩的干裂，岩浆岩冷却收缩所产生的裂隙。次生裂隙由于岩石风化、岩体变形破坏、河谷边坡的重力作用及人工爆破等外力而形成的裂隙。构造节理是由构造作用所形成的裂隙。按其力学性质可分为张节理和剪节理两类。构造节理分布最广.玄武岩柱状节理玄武岩柱状节浙江原生节理砂岩节理张家界石灰岩节

16、理云南路南石林猴子观海花岗岩节理断层2.5.2 断层1、断层要素下盘；上盘；断层线；断层面；断层破碎带； 断距ABAB（动画演示）（二）断层的主要类型垂直断层：两盘相对垂直位移，断层面垂直；平移断层（平推断层）：断层两盘沿断层面走向作水平相对位移，断层面陡直，为较强烈的水平挤压作用形成；捩转断层（枢纽断层）：具有旋转性质的断层，断层上盘似乎绕一个轴旋转；正断层：上盘下降、下盘上升的断层，两则岩层相互分离（倾角多40，断层线多平直，受张应力和重力作用而成；地形为河谷、湖泊等等）；逆断层：上盘上升、下盘下降的断层。由水平挤压力形成。 当断层面倾角40，称为冲断层； 当断层面倾角40，称为逆掩断层；

17、 当断层面倾角25，称为推覆构造。大规模的推覆构造受侵蚀后，可以形成飞来峰和构造窗。B断层的主要类型AC EGDF3、断层的组合阶（梯）状断层两条或两条以上倾向相同而又相互平行的正断层组合，其上盘依次下降呈阶梯状。例如：断块山地。地堑两条或两组正断层组合而成，断层面之间的岩块相对下降，两侧的岩块相对上升。地堑常常形成狭长的凹陷谷地。地垒与地堑相反，地垒是断层面之间的岩块相对上升，两侧的岩块相对下降。地垒常常形成块状山地。(三) 断层的野外识别(1)岩层标志。岩层和岩脉错动变位，突然中断或重复、缺失。(2)构造标志。断层两盘由于互相挤压、碾碎形成与断层面大致平行的构造带。构造带内可见到如下现象：

18、A 断层面上的磨光面和擦痕 B 断层两侧分布有断层角砾岩、断层泥、糜棱岩等构造岩。C 在断层带两侧两侧的岩层受拖曳而形成的牵引弯曲。(3)地貌标志。断层常形成断层崖、三角面山、冲沟，使山脉中断和错开，山地突变为平原，河流突然改变方向，以及呈线状、串珠状分布的湖泊、泉群。美国圣安德烈斯断层圣安德烈斯平移断层三藩市洛杉矶华山正断层庐山三叠泉 断裂构造使岩石的完整性和连续性遭到了破坏，降低了岩石强度和稳定性，增大了透水性，加速了风化作用、地下水的活动及岩溶的发育。因此，在水利工程建设中，对坝址的选择，尽可能避开大的断电和裂隙密集地带。如果无法避开断层时，也要调整建筑物的位置，以减轻断层对它们的影响。

19、若断层平行坝轴线，应尽可能使断层位于坝址上游区，不能放在应力集中的坝址下游。2.5.3 断裂构造对工程的影响了解地质构造的意义练习题一、填空题1_岩是地球历史的记录，而_和_则是记录地球历史的“书页”和“文字”。2.地壳中的_，在一定地质条件下结合而成的天然_或_，就是矿物。3.组成花岗岩的主要矿物是_、_和_。4.地球内部的圈层构造分为_、_和_。5.石英的相对硬度为_，_矿物的相对硬度为3。6.云母有_组_解理，方解石有_组完全解理7.石英的晶面为_光泽，而断口为_光泽8.岩石按成因可分为_、 _和_。其中大理岩是_，石灰岩是_，玄武岩是_ 。9. 碎屑岩的胶结物主要有_、_ 、_和_四种。 10.碎屑岩的胶结方式有_、_ 、_三种方式。11.岩浆岩根据化学成分 （SiO2）和矿物组成划分为_、_ 、_和_四种。12.沉积岩的形成可分为_、_ 、_和_四阶段。13. 变质作用的类型有_、_ 、_和_四种。14.岩石中较大的矿物晶体被细小晶粒或隐晶质、玻璃质矿物所包围的结构叫_，较大的晶体矿物叫_；细粒的微小晶粒或隐晶质、玻璃质叫_。 15.三大类岩石在地表分布最广泛的是_占地壳重量百分比最多的是_ 。请根据下表所描述的岩石特征，填写岩石名称颜 色主要矿物结构构造岩石名称灰深灰色，风化后常为黄褐、土黄色高岭石等黏土矿物，少量云母