2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 1 第三章節理 Joint 嶂石巖地區節理構造異常發育 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 2 嶂石巖地貌 以嶂石巖命名的嶂石巖地貌 和丹霞地貌 張家界地貌并稱為中國三大旅游砂巖地貌 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 3 河南輝縣郭亮村 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 4 河南輝縣郭亮村 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 5 北京房山十渡孤山寨一線天 距地面高約45m 長65m 寬1 1 5m 最窄處僅有60 70cm 在北京地區 像這樣如此之高 之長 之險 之窄的張性構造裂隙 實屬罕見 堪稱地質奇觀 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 6 香格里拉巴拉格宗大峽谷 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 7 2012年4月22日美國冒險家迪恩 波特成功徒手攀爬湖北恩施大峽谷海拔1800米高峰 在大峽谷一炷香景點處零保險狀態下行走41米于兩座山峰之間的軟繩 扁帶 上 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 8 破裂 Fracture 破裂構造的兩方面特征 1 斷裂 存在裂隙 地質體不再連續 2 位移 沿破裂面 a 沒有位移 節理b 有位移 斷層如果裂隙被礦物充填 脈體 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 9 圓形的 彈坑 是受到長期風蝕或水蝕侵襲之后的痕跡 而縱橫交錯的裂紋則是巖石受到外力擠壓或拉伸而形成的節理 其中橫向 較深的節理形成的時間更早 而兩組交錯的斜向節理則更為年輕 因為我們從圖中可以看到 橫向節理有明顯的被斜向節理所截斷的痕跡 嶂石巖石英砂巖 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 10 非常典型的X型破裂 兩組共軛剪切破裂 節理 各自向對方傾斜 呈X形狀 中間那點公用 構成兩組節理面的交線 兩組節理總是像情侶一樣同時出現 比翼雙飛 所以 可以把共軛X剪切破裂稱之為夫妻節理 共軛 的本意 兩頭牛背上的架子稱為軛 軛使兩頭牛同步行走 共軛即為按一定的規律相配的一對 通俗點說就是孿生或夫妻 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 11 節理 斷層 周口店龍門口 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 12 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 13 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 14 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 15 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 16 節理是巖石中的裂隙 是沒有明顯位移的斷裂 節理研究的意義 1 通過對節理性質 產狀 分布規律 分期 配套及其與褶皺 斷裂和區域構造關系的分析 闡明地質構造的形成和發展過程 2 節理是一種重要的控礦構造 對于石油 天然氣和地下水的運移及儲存有重要意義 第一節節理的定義和研究意義 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 17 巖石節理對在缺水地區 中國西北地區 非洲等 找尋地下水尤為重要 鉆打到節理特別是兩組節理的交線部位 幾乎肯定見水 如果移動哪怕一小點距離就會打到節理之間的菱形塊體內 就是干井 出不來水 做無用功 水對維持人類正常生活 畜牧業 工業發展必不可少 所以 正確地利用構造地質學知識指導科學找水特別重要 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 18 區域性的節理控制著地形的演化 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 19 云南石林 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 20 張家界武陵源石柱林景觀 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 21 節理的成因 原生節理 成巖過程中形成 如沉積巖中因縮水而造成的泥裂或火成巖冷卻收縮而成的柱狀節理 構造節理 由構造變形而成 非構造節理 由外動力作用形成 如風化作用 山崩或地滑等引起的節理 常局限于地表淺處 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 22 原生節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 23 柱狀節理 云南騰沖 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 24 北愛爾蘭著名的景點 巨人堤道 位于北愛爾蘭的東北海岸 離Antrim縣的Bushmills鎮僅3公里遠 在1986年 其被列入世界文化遺產 巨人堤道 有很多石柱 其石頭大部分都為六角 Hexagonal 但也有些有四個 五個 七個或八個角的 最高的石柱達到12米高 愛爾蘭的Giant sCauseway是上古時代火山爆發后留下的玄武巖地貌 另外以玄武巖地貌著名的類似地方還有蘇格蘭STAFFA島上的Fingal s溶洞 亞美尼亞的加尼峽谷等 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 25 巖石的變形與構造制約地表植被的發育 地球的巖石圈與生命圈是密切相關的 開花的小草擠在玄武巖的柱狀節理縫里 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 26 柱狀節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 27 節理的分類主要依據兩個方面 一是按節理與有關構造的幾何關系 一是按節理形成的力學性質 一 節理與有關構造的幾何關系分類 1 根據節理產狀與巖層產狀的關系劃分2 根據節理產狀與褶皺軸的關系劃分3 根據節理產狀與侵入巖中流動構造關系劃分 二 節理的力學性質分類 可將節理劃分為剪節理和張節理兩類 第二節節理的分類 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 28 一 節理與有關構造的幾何關系分類 1 節理產狀與巖層產狀關系分類走向節理 節理走向與所在巖層的走向大致平行的節理 圖中1 傾向節理 節理走向與所在巖層的走向大致垂直的節理 圖中2 斜向節理 節理走向與所在巖層的走向斜交的節理 圖中3 順層節理 節理面與所在巖層的層面大致平行的節理 圖中4 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 29 節理與有關構造的幾何關系分類 2 節理與褶皺軸關系分類縱節理 節理走向與褶皺軸向平行的節理 橫節理 節理走向與褶皺軸向直交的節理 斜節理 節理走向與褶皺軸向斜交的節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 30 二 節理的力學性質分類 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 31 剪節理 張節理 張節理 3 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 32 張節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 33 張節理 多脈體充填 脈的寬度變化大 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 34 剪節理脈 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 35 剪節理的主剪裂面往往由羽狀微裂面組成 主剪裂面與微裂面之間的交角一般為10 15 相當于巖石內摩擦交的一半 其與主剪裂面之間所夾銳角指示本盤的運動方向 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 36 雁列張節理 火炬狀節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 37 雁列節理野外出露特征 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 38 海灘巖石的夫妻節理 即 X 型共軛節理系 把石頭切割成 巧克力 狀 美 真想咬一口 秀色可餐啊 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 39 共軛的X型節理是一種典型的剪節理 兩組剪節理的夾角即為共軛剪裂角 他與主應力軸 1的關系為 交平分線的方向即為最大主應力軸 1的方向 在野外 可以用這種共軛節理來實地判定最大主應力軸 1的方向 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 40 都江堰 國堰賓館 墻上的X破裂 由汶川地震形成 注意頂上幾層沒有 看來買房子買頂樓的要保險些 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 41 映秀璇口中學校舍墻上的X破裂 由汶川地震形成 該樓原為5層 一樓坐下去了 二樓壓到地面 一樓屋內的人若沒逃出必死無疑 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 42 在巖石力學實驗室內 我們可以重現這樣的X型共軛剪切破裂 條件是差應力大于4倍巖石的拉張強度 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 43 關于共軛剪裂角的討論 剪切破裂面與最大主壓應力軸 1 之間的夾角稱為剪裂角 按照庫侖 Coulomb 納維葉 Navier 和莫爾 Mohr 的剪切破裂準則 剪裂角 為內摩擦角 這就是說剪裂角總是小于45 當內摩擦角很小 圍壓大溫度高 巖石呈塑性時 剪裂角才趨近45 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 44 從現有的高溫高壓巖石力學試驗成果來看 剪裂角永遠不能大于45 然而野外地質現象卻清晰地表明可以大于45 這樣就產生了矛盾 李四光教授指出 在巖層具有塑性變形的條件下 在長期受壓力的過程中 或在強烈壓力作用下 對著壓力方面的銳角有時變為鈍角 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 45 對于剪裂角大小的變化 目前有兩種主要看法 一種觀點認為剪裂角之所以可能變成大于45 的狀況 主要是由于長期地質作用的結果 即脆性破裂后又經過了塑性變形的影響 另一種觀點認為野外實際的巖石多是非均質的 微裂隙遍布于各個方位 巖石受力后常常沿著微裂隙發育的優勢面 即潛在的軟弱面 發生斷裂 按照這種觀點 最大主壓應力方向與破裂面之間的夾角就不具有穩定的數值 而是隨地質條件的不同帶有相當大的偶然性 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 46 所以 根據剪裂面確定主應力軸 三個主應力軸中的 2是確定的 1或 3則需根據野外的切錯 相對位移等關系來綜合確定 不能簡單以共軛節理所夾銳角或鈍角來確定最大或最小主壓應力方向 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 47 節理力學性質的轉化 一些早期形成的剪節理 在后期構造變形中會被改造或疊加 例如 早期在南北向擠壓下形成一對共軛剪節理 后期在南北向順時針剪切力的作用下 北東向一組剪節理被改造為北東向的張節理 若后期發生的是南北向逆時針剪切力 則早期的北西向一組剪節理被改造成北西向的張節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 48 張剪性節理 主干節理 派生節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 49 節理組 在一次構造作用的統一構造應力場中形成的 產狀基本一致 力學性質相同的一群節理稱為節理組 節理系 在一次構造作用的統一構造應力場中形成的兩個或兩個以上的節理組稱為節理系 系統性節理 在區域性節理的發育中 在節理產狀 方位 組合 排列 間距等方面具有規律性的節理就叫做系統性節理 無規律可循的則稱為非系統性節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 50 第三節雁列節理和羽毛構造 雁列節理是一組成雁行式斜列的節理 如若雁列節理被巖脈或礦脈所充填 則稱為雁列脈 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 51 雁列脈的基本要素aa bb 雁列帶 雁列脈呈帶狀展布的范圍AW 雁列帶寬度雁列面 穿過各單脈中心而平分雁列帶的中心面MM 雁列軸 雁列面在雁列帶橫截面上的跡線 雁列角 單脈與雁列面的銳夾角 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 52 雁列節理中單脈的形態左 張裂型 右 剪裂型 單脈的形態單脈的形態有兩種 即平直型和S型 平直型 節理平直 狹窄而延伸長者多為剪節理 S型 節理中段寬而兩端窄者多為張節理 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 53 雁列節理和雁列脈的左階和右階 當沿著節理走向觀察時 次級節理向左側錯列 并與前一條節理的近端橫向重疊 稱為左階 或左列 反之稱為右階 或右列 左階 列 右階 列 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 54 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 55 這是一支真羽毛 典型的羽毛構造 羽根朝著右下方 斷裂朝著左上方傳播 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 56 羽飾構造包括以下幾個組成部分 羽軸 羽脈 邊緣帶 邊緣節理 陡坎 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 57 巖石破裂面上這種 羽毛 構造在英文中叫Plumestructure或Featherfracture 它由羽軸及兩側的羽片構成 羽片上有一系列羽枝 構成人字行 羽枝發散方向指示巖石破裂的擴展方向 羽枝收斂匯聚方向即羽根指向裂源點 從巖石羽毛結構研究發現 裂源點總是巖石中原先存在的力學薄弱點 例如 空洞 裂隙 化石 弱礦物等 原來 巖石中破裂是從一個薄弱點跳到另一個薄弱點的 就像運動員的三級跳 這就加深我們對巖石斷裂機制的理解 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 58 巖石中常見的羽毛構造 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 59 汶川地震之后 在陳家壩鄉附近龍門山中央主斷裂內的羽毛構造 它是地震破裂在巖石中快速傳播留下的證據 常見于細粒的巖石例如粉砂巖 石灰巖等中 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 60 圖5 23 羽飾構造有多種型式 最常見的是人字型 也有呈放射狀和環狀的 羽飾構造一般發育于淺層次的脆性狀態巖石中 是快速破裂中形成的 羽脈的發散方向指示節理的擴展方向 羽脈收斂會聚方向和人字型尖端指向斷裂源點邊緣帶的邊緣節理及陡坎與微剪羽裂類似 顯示出剪切力偶方向 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 61 一 節理的分期 節理的分期就是將一個地區不同構造時期 不同構造應力場所形成的節理進行篩分 把同一構造期和同一構造應力場所形成的節理組合在一起 節理的分期主要依據 1 節理組以及節理系之間的交切關系 2 各期節理的配套關系 第四節節理的分期和配套 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 62 錯開 后期形成的節理切斷早期形成的節理 若后期節理是剪節理 則可見到錯斷線兩側標志點的對應錯開 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 63 限制 一組節理延伸到另一組節理前突然中止 這種現象叫做限制 被限制的節理組形成相對較晚 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 64 互切 如果兩組節理互相交切或切錯 且兩組節理相互切錯的方向服從統一的構造應力場 則說明兩組節理是同時形成的 并具有共軛關系 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 65 能否配套 別那些不同方向的節理或節理組是否是形成于同一構造時期 并且是否是形成于同一構造應力場的作用 能否配套成為共軛 X 型節理系 1 節理配套的概念 節理配套就是將在一定構造時期的統一構造應力場中形成的各組節理組合成一定的系列 換句話說 就是去鑒 二 節理的配套 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 66 誰跟誰配套 2 節理配套的依據 1 進行配套的兩組節理無論是在平面上還是在剖面上均具有一定的幾何學組合關系 多數呈 X 型式 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 67 2 進行配套的兩組節理或幾個節理組在其尾端可以有折尾 菱形結環 分叉 3 進行配套的兩組節理或幾個節理組必需是形成于同一構造時期 在動力學上屬于統一的構造應力場 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 68 4 進行配套的兩組節理或幾個節理組在露頭上可見到相互切錯的關系 并且這種相互切錯關系遵循于力學分析原理 服從于統一的構造應力場 兩組方向節理的相互切錯 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 69 5 進行配套的兩組節理或幾個節理組的節理面上有擦痕 且擦痕指示的兩組節理的相對位移方向遵循力學分析原理 服從統一的構造應力場 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 70 6 進行配套的兩組節理或幾個節理組的節理面中或旁側的伴生 派生構造所反映的動力學特征符合統一的構造應力場 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 71 7 進行配套的兩組節理或幾個節理組的節理面一般應該有相應的構造歸屬 即可以歸屬到研究區某一次構造運動的構造成分 8 早期形成的 X 型共軛剪節理后期受到擠壓作用 易形成追蹤張節理 利用這種特征也可將節理組進行配套 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 72 奇特的變質巖 天生橋 天生橋長27米 寬13米 高13米 由變質巖構成 全國罕見 橋面由偉晶巖組成 微呈拱形 天生橋座落在落差112米的瀑布之上 呈南北向分布 橋前是百丈深淵 奔騰的瀑布 呼嘯著從橋下飛瀉直下 氣勢磅礴 蔚為壯觀 天生橋是怎么形成的 天生橋的生成 受巖性和變質巖兩組 X 型節理控制 橋洞處正好是黑云母斜長片麻巖中兩組 X 型節理交叉處 在 X 節理交叉處巖石十分破碎 黑云斜長片麻巖本身巖性又軟弱 極易風化 經過寒凍風化剝落與后期冰雪水 瀑布流水的長期不斷的沖刷 將破碎的黑云母斜長片麻巖沖走 保留了堅硬的偉晶巖形成的橋面 這完全是大自然鬼斧神工的杰作 也是地質構造與物質成分巧妙結合的結果 河北阜平天生橋地質公園 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 73 天橋瀑122米落差 河北阜平天生橋地質公園 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 74 第五節節理脈的充填機智和壓溶作用一 擴張脈和非擴張脈1 擴張脈 溶液侵入節理空間 并使節理兩壁張開而形成巖脈 纖維狀晶體可垂直壁 可斜交壁 2 非擴張脈 溶液與圍巖交代 占有空間而形成的巖脈二 裂開 愈合作用1 形成過程 裂縫 裂開 充填 愈合 再裂開 反復裂開 愈合的增生作用 2 充填物 石英 方解石 長石等三 縫合線1 不純灰巖中的與節理類似的小構造2 多鋸齒狀 總體順巖層層面發育3 先有裂縫 后經壓溶形成 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 75 擴張性巖脈 A B C 和非擴張性巖脈 D E F 裂開 愈合脈的發育示意圖 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 76 A 縫合線構造及其與層理和斜交關系B 縫合線錐軸與應力軸的關系 A 柱狀縫合線 B 錐狀縫合線 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 77 縫合線構造過去認為 縫合線構造都是平行層理的 是壓溶作用的結果 是成巖作用過程中的產物 近年來的研究證實 縫合線構造不僅平行于巖層層面分布 而且還可與層面垂直或斜交 它們是先裂縫后壓溶而成 是構造作用的產物 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 78 第六節區域性節理一 一般特征1 區域性構造作用的結果2 發育范圍廣 產狀穩定3 規模大 間距寬 延伸長 可切穿不同巖層4 構成一定的 有規律的幾何形式5 主節理延伸長 規模大 在各組各類節理中站主要地位6 節理是地殼淺層次的脆性變形構造二 區域構造分析中的作用1 判斷大構造和構造應力場2 節理分期 配套 3 應力場圖解 相同時期 統一應力作用下形成的節理 有規律分布 不同方位 不同性質 不同旋向 可求出主壓應力的方向 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 79 第七節節理的野外觀察一 觀察點的選擇選擇節理的觀察點應遵循如下一些原則 1 露頭良好 最好能在三度空間觀測 其露頭面積一般不小于10m2 以便進行大量的測量 2 構造特征清楚 巖層產狀穩定 3 節理比較發育 組系和相互關系比較清楚 4 觀察點應選在構造上的重要部位 并在不同的構造層 不同巖系和不同巖性層中都應布點 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 80 二 節理觀測的內容 1 地質背景的觀測 在對節理觀測前 首先應了解觀察地段的地質背景 其中包括 節理所在構造層及其組成 地層時代及其產狀 巖層及其成層性 褶皺和斷層的特點 觀測點所在的構造部位等內容 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 81 2 節理的分類及節理組 節理系的劃分 根據節理特征對節理進行力學性質的鑒別和確定 根據節理方向 力學性質 形成時間的一致性 劃分和確定節理組 根據節理和節理組形成時間的一致性 形成的構造應力場的統一性 劃分和確定節理系 3 節理的配套和分期 根據節理配套的依據將所有節理和節理組進行配套 根據節理分期的依據將所配好的共軛節理和其它節理按形成的先后順序進行分期 4 節理發育程度的研究 巖性對節理的發育有明顯的影響 巖性對節理發育程度的影響表現為 韌性巖層中剪節理比張節理發育 在同一應力狀態下 韌性巖層中共軛剪節理的夾角常常比脆性巖層中大 節理的間距或密集程度也因巖性而有差異 巖層的厚度影響節理發育的間距 巖層越厚節理間距越大 層面的存在會降低巖石的強度 因此 巖性相同而厚度不等的巖石 在同樣外力下 薄層中的間距小 更密集 2020 3 7 構造地質學 郝建民主講 82 5 節理發育程度的研究 節理發育程度常常以密度或頻度來表示 節理頻度或密度是指節理法線方向上單位長度內節理的條數 條 米 如果n組節理都很陡 可以選定單位面積測定節理數 為了了解巖石的滲透性及其影響