断裂构造的野外观察和研究

断裂构造区做研究野外工作的内容及方法~

将遥感技术引入到复杂断裂构造区内的重载铁路选线中，以山西中南部铁 路通道山东段跨沂沭断裂带的工程地质选线为例，提出复杂断裂构造区内重载铁路的选线原则，并针对方案研究区主要是以隐伏的活动断裂为主的特点，开展以遥感 构造解译为先导的综合地质选线。首先，介绍不同高度层次的遥感图像在加深地质工作和可行性研究阶段的使用方法；然后，结合美国陆地资源卫星 Landsat-7 ETM+图像数据的技术参数，选择7、4、3波段的图像进行假彩色合成，并将合成后的图像与第8波段全色图像进行融合，使图像同时具有光谱信息和15 m地面分辨率的空间信息，在此基础上，选择有针对性的图像增强处理方法，对研究区内控制线路方案的五条主干断裂、隐伏断裂、活动断裂和莒县断陷盆地的 ETM+图像进行处理，以突出特定的解译目标，提高解译效果。通过挖掘ETM+图像和大小比例尺航片中的地质信息以及不同高度层次遥感图像的对比解译和相 互验证，对后续的地面调查及相关物探、钻探工作的布置起到了指导作用，减少了地面调查及相关勘探工作的盲目性，缩短了选线周期，提高了方案研究的效率和质 量；最后，通过对遥感图像、地面调查以及其他勘探工作的成果进行综合分析，确定了方案研究区内五条主干断裂、隐伏断裂、活动断裂以及莒县断陷盆地的遥感图 像解译特征、性质、影响范围以及对工程的影响程度，并将研究区划分为稳定区、基本稳定区、较稳定区、欠稳定区和不稳定区五个区域，为方案研究提供了科学、 可靠的地质依据。最终确定的线路方案大交角跨越五条主干断裂，重大工程避开了活动断裂和新构造运动活跃区域，线路主要走行在基本稳定区和较稳定区，避开了 不稳定区，位于欠稳定区的线路通过纵断面优化，主要以路基形式通过，跨河、跨路地段的桥跨结构均采用易于修复的简单形式，并加强抗震措施，线路所经地区整 体工程地质条件较好，受各种不利因素影响较小，同时还考虑了沿线城乡经济发展，是各方案中最优的方案

研究岩浆岩体形成前和形成时的构造控制，以及岩体形成后的构造改造，对于剖析岩体的分布规律、了解岩体接触面的产状、恢复岩体形态，以及揭示区域构造变形史和寻找矿床均有重大意义。
1.对岩体形成前的构造观察
对岩体形成前的构造观察主要包括以下内容：①岩体与围岩层理、片理的关系；②岩体所在的区域构造部位；③岩体与褶皱的关系；④岩体与先存断裂构造的关系，即是否沿断裂贯入或喷出。通过观察和研究，弄清控制岩体分布和产状的构造因素。
喷出岩无论是中心式喷发，还是裂隙式喷发，均与长期发育的区域断裂构造有关。断裂提供了熔浆向上喷出的通道，中心式喷发往往发生在两组断裂交会处。例如，中国东部中生代中、酸性喷出岩和新生代基性喷出岩主要是受北北东向区域断裂与北西向或近东西向断裂交会所控制。裂隙式喷发受区域断裂构造控制更明显，如张家口汉诺坝一带古近—新近纪（第三纪）玄武岩就是沿东西向断裂展布。
2.对岩体形成时的构造的研究
（1）对原生流动构造的研究
原生流动构造多发育在岩体边缘，故应着重研究岩体的边缘部分。一般来说，线状流动构造在斑状岩石中表现为斑晶呈线状平行排列。在块状岩石中，常表现为针状、板状、柱状矿物呈线状平行排列。面状流动构造可根据某些矿物，特别是云母、角闪石、长石的面状平行排列来确定。
野外工作中，应注意区分流线和流面，观察研究构成流面和流线的岩石和矿物组分，及其发育程度。如果流面和流线同时存在，则应观测两者空间上的几何关系。
对原生流动构造进行观测的一个重要手段就是系统测量和记录流动构造的产状，并将测量数据加以整理，标绘在岩体构造图中（图8-41）。此外，应进行构造素描和照相，采集定向标本，研究岩石中的显微定向组构与流动构造的关系。
（2）对原生破裂构造的研究
观察和研究岩体原生破裂构造一般包括以下几方面的内容：
1）确定原生破裂构造与流动构造的关系。划分原生破裂构造类型。并按一定构造部位和间距进行观察、测量和记录。注意节理的性质、产状、频度等自岩体中心到边缘的变化情况，最后将测量得到的有关数据进行整理，标绘在构造图上（图8-41）。必要时可编制原生节理图。
2）注意区分原生节理和次生节理。岩体内的次生节理通常是区域性的节理，它们往往伸入围岩，其性质、方向、分布与围岩同期的节理相似，并可以用统一的应力场来解释。为此，必须详细测量岩体内和岩体外的节理，并加以对比。当岩体内—组或几组节理在方向上、性质上、产状上都与围岩中的某些节理相类似时，则很可能属于次生节理；如果节理仅发育在岩体内部，则很可能是原生节理。

图8-41 河北寿王坟侵入岩体构造略图

（据武汉地质学院，1980）
晚白垩世侵入岩体：πk2—斑岩。早白垩世寿王坟侵入岩体：γ1-1k1—细粒闪长岩相；γ1-2k1—似斑状粗粒二长岩相；γ2-1k1—花岗闪长岩相；γ2-2k1—花岗岩相。Ⅰ—吴哨沟岩体；Ⅱ—上窝堡岩体。1—地质界线；2—岩相带界线；3—岩层产状；4—流面产状；5—层节理产状；6—横节理和纵节理产状；7—断层；8—被岩墙充填的次生节理；9—岩体接触面产状
3）要研究原生节理中的充填物的成分、结构、构造，并统计被充填的节理占全部同类型节理总数的百分比，用不同符号分别标绘在构造图上，以利于进一步的构造分析和找矿。
4）要注意不同期或不同类型节理之间的穿插切割关系。为此，应注意研究不同岩脉间的穿插切割关系。弄清这种关系有助于了解不同类型节理形成的先后次序，如果事先已发现某些类型节理被矿脉填充，这一工作就更为必要。
（3）观察岩体的形成对围岩构造的影响
岩浆岩体形成过程中必然对围岩产生影响，就构造而言，表现在两个方面：一方面是对围岩原有构造的破坏，改变其产状；另一方面是形成新的褶皱和断裂（如放射状断裂和环状断裂等），这些断裂往往被晚期岩浆所充填。因此，在进行野外地质调查时，应注意收集这些方面的资料。
3.对岩体次生构造的研究
岩体形成后，由于构造运动的影响，同样会形成各式各样的构造形态，并改造原有构造，从而使岩体构造的研究更加困难和复杂。
应注意研究岩体内褶皱的形态、类型、规模、组合方式、褶皱面的性质和形成方式等，并研究岩体褶皱与区域构造的关系。
岩体内规模较大的断层常是次生断层，其识别标志有：①切割或错开原生构造以及岩体相带；②伴有动力变质现象，形成某些新生的变质矿物和构造岩，如角砾岩、糜棱岩、糜棱片岩等，它们常呈带状分布，形成动力变质带，同时延伸到围岩中，其方向较稳定；③岩脉定向分布的地带，可能指示断层的存在。
受区域变质的岩浆岩体所形成矿物的次生定向排列构造，虽然类似原生流动构造，但二者还是可以进行区别。因为，这种构造具有分布范围大、矿物的次生排列方向不受岩体形态和接触面产状的限制，相反地还使岩体中的原有结构和构造发生新的变化，如粒状花岗岩常变成片麻状或眼球状花岗岩等。

岩石在构造应力的作用下，其物性连续性受到破坏，隔断其间的面状构造统称为断裂构造。最常见的断裂构造是节理和断层，其次还有劈理等。节理是指沿断裂面两侧无明显位移者，而断层是破裂面两侧发生了较大的错动。

4.2.2.1 断层的野外观察和研究

(1)断层的分类

常见的断层类型如表4.1所示。

(2)断层的野外观察与分析

断层是重要的构造现象，虽然其与节理同属断裂构造，其力学成因上有时也有密切联系，但是它们的地质意义却不尽相同。

断层存在的最重要证据是地层的不连续性。在野外路线踏勘中，地层出现了不正常的接触现象，就可能有断层存在。所谓不正常接触现象，就是沿地层走向突然中断而与其他地层相接触，说明在垂直走向或斜交走向上，地层出现了非对称性的重复或者非区域性的缺失，其间必然有断层存在。与此相似，如岩脉、矿层、侵入体的接触界面或相带间的界线等标志性的面状或线状构造的突然中断或错开，也都是断层存在的直接证据。

表4.1 断层分类表

断层面在野外常见，特别是中小型断层一般出露较好，可见到断层面和断裂带，是断层存在的直接标志。但是，对于大型断层，由于其规模大，经历了较长时期的演化，往往形成较大的破碎带，导致构造现象在不同位置的变化比较复杂，有些还隐伏于地下。因此，需要结合其他有效的方法和手段进行综合分析，如遥感测量和地球物理等。

大型断裂两侧发育有岩石组合差异明显的地层单元。如江山-绍兴大断裂，是扬子板块与华南板块两大构造单元的分界线，断裂两侧的岩石组合和构造特征截然不同，该深大断裂直接控制了断层两侧的差异性沉积作用和剥蚀作用。

断层面上可见擦痕、滑动镜面，其上有时覆盖有碳质、硅质或铁质薄膜，有时有纤维状定向生长的石英、方解石、滑石等晶体。但是，值得注意的是，擦痕并不是都发育在断层面上。也就是说，不能见到有擦痕的露头或转石就断定该处必然有断层。因为在一些较脆硬的岩层中，有时局部小规模的错动，或者层间的滑动，都可能造成一些不规则、非连续性的擦痕片断。

构造岩、片理化及断层泥等都是断层存在的证据，而且是进行断层性质分析的良好证据。要仔细观察它们的特征，如岩石破碎和变质程度、特征产物的分布、构造岩结构和构造特征及伴生和次生构造的发育情况等，尽可能确定构造的类型及它们在断裂带中的分布特征。

野外工作中，在横穿断层走向的路线上由于露头不好，未能对断层的产状、性质等做具体观察时，往往要沿断裂带进行追索，尽可能找到断层面或破碎带比较清楚的部位进行观测，搜集到足够的资料，进行详细分析。如江山实习区的五家垄断层在五家垄村南东山坡上并未直接见到清楚的断面，但在大石山158.9高地附近却有较清楚的断层面出露。

野外工作中尽量将以下资料收集准确齐全：

1)断层产出位置一定要在地形图上定点标出，尽可能测量断层面的产状、其上擦痕的倾伏方向和倾伏角(一般只能量取侧伏方向和侧伏角)。

2)断层两盘的地层单位、岩性特征、产状及其在断层附近的变化情况。

3)断层现象的具体观察和描述，如断层破碎带的规模、组成；构造岩的发育特征；断层面的形态特征(沿走向或者剖面上的形态变化)；断层两盘地层的牵引现象；拖曳褶皱及构造透镜体的发育特征和产状；断层伴生节理的性质和产状、断层面上的擦痕、阶步等。这些都要做到仔细观察、准确测量和详细记录，在出露比较清楚的观测点一定要作素描图或照相。

在断层构造观测点，除了要仔细观察、测量、记录、描述上述内容外，还要素描构造特征的各种图件。最常用的是剖面素描图，按照一定的比例尺，准确而清晰地画出断层破碎带及其附近有关现象的具体特征，要注明方位、比例尺及产状等有关数据(图4.1)。构造现象比较复杂的观测路线，为了表现断层性质、断层、褶皱及地层错动等关系，一般用路线剖面辅助描述和记录。

图4.1 断层剖面素描图

在断层交汇地带，构造通常比较复杂，最好用平面图表示彼此之间的关系。在地貌标志清楚的情况下，用远景素描图可达到直观的效果。在断裂带内，一些能说明断裂性质的伴生构造，可以用各种素描图加以表达，如断层角砾岩、片理化及构造透镜体等。还可以用一些示意图表示断层的发育历史或演化模式等。

以上这些图件可以比较直观而清晰地表达断层的性质，同时也是构造特征的真实反映。因此，在野外收集资料的过程中，尽量多锻炼用图表示。

4.2.2.2节理的野外观察和研究

节理是指沿断裂面两侧无明显位移的一种断裂构造。节理的研究需要做专门性的工作，选择适当的露头点进行系统观测记录，进行分类并做节理的统计分析图件。

(1)节理的野外观察和描述

1)观测和描述的内容

①节理所在岩层的时代、岩性和产状；

②节理所在的构造部位，与大构造(褶皱、断层)的关系；

③节理的特征(平直、弯曲、光滑、粗糙、宽窄变化等)及其充填物特征；

④节理的组合和排列形式(共轭、平行、斜列、羽列、追踪等)；

⑤节理空间展布特征、几何形态、密度及节理间隙宽度、规律性；

⑥节理的尾端变化(折尾、菱形结环、节理叉、树枝状、杏仁状等)；

⑦节理的错动方向，判断节理的性质(张节理或剪节理)。

2)节理统计

在观测上述内容时，常常有计划地布置节理观测点，进行节理的统计和测量，并填写节理观测登记表(表4.2)。

表4.2节理观测记录表

(2)节理的分期和配套

1)节理的分期

①根据节理之间的相互关系分期：如切割错开、限制中止、相互切割等；

②根据节理与成矿的关系分期：成矿前的节理多被矿体、矿脉、侵入体、岩脉利用、充填；成矿后的节理常常切过矿体、侵入体，其自身又未受矿化。

2)节理的配套

节理的配套就是将同一应力场作用下产生的、有成因联系的几组不同性质的节理，配合成为一套节理系统，研究其与大构造的关系，以便恢复古应力场。

同一应力作用下形成的同一套节理，可利用如下的分析方法进行配套：

①相互交错、切割；

②两组共轭剪节理性质相同，旋向相反；

③各组节理的延伸方向，可与节理尾端的尾叉、菱形结环相对应；

④雁列节理、羽状节理的排列方式和性质与共轭节理的方位和性质相对应；

⑤追踪张节理方向与共轭剪节理的锐角角平分线相一致，代表主压应力的方位。

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