地质构造与岩体结构

第二章地质构造与岩体结构第一节褶皱构造一、地质构造的概念众所周知，世间万事万物都在不停地运动、变化和发展之中，地壳也是如此。今日我们所见到的地壳，它的物质成分、地表形态、岩层产状及形态，都是自地球诞生以来地壳不断运动的结果。而且今后它们还将继续变化、发展下去。地壳运动主要有两种基本类型，一种是水平运动，即地壳运动时所产生的作用力是沿地面水平方向发生的，这种运动使岩层遭受到巨大的水平挤压，并最终产生一系列复杂的地质构造型式，如一些大型复杂的褶皱构造和巨大的逆掩断层、平移断层等；另一种是地壳的垂直运动，即作用力的方向与地表垂直，它引起地壳局部地区的上升或下降，不断改变着海陆轮廓，并伴随有岩层的倾斜、弯曲和断裂的发生。关于地壳运动的起因及主要运动形式等问题，至今仍有种种不同的学术观点和争论。李四光教授认为引起地壳运动的主要原因是地球自转角速度的变化，并据此判定，就大范围看，地壳的水平运动是地壳运动的主要形式，垂直运动则是伴生的，与水平运动有着密切的联系。根据地壳运动的速度和剧烈程度，人们把地球运动分为两种类型：一种是不易被人们所觉察的长期、缓慢的运动；另一种是容易被人们看到或感觉到的迅速、剧烈的运动。前者如造山运动；后者如，火山活动和地震等，这些运动的发生速度迅速而剧烈，能在很短的时间里明显破坏和改变该地区的地壳，甚至形成新的物质成分和新的地质构造，并立刻为人们所感知。但从整个地球来看，这种地壳运动的影响是很局限切忌有限的。而长期、缓慢的地壳运动则影响范围广阔的地壳。例如，号称“世界屋脊”的喜马拉雅山区，是现代地球上海拔最高的地区。可是，有足够的证据证明，在约5000万年以前这里却是一片汪洋大海。经现代科学技术方法测定，直到目前，整个喜马拉雅山区仍以每年约2～3mm的速度上升。可见，这种长期、缓慢、影响范围广阔的地壳运动，虽然不易直接为人们所觉察，但在漫长的地质历史发展过程中却对地壳进行着“沧海桑田”的巨大改造，从而成为地壳运动的主要内容。虽然地壳时时刻刻都在运动着，但是在地壳的不同地区或不同时期中，地壳运动的形式、速度和剧烈程度却是相对不同的。从同一时期的不同地区来看，某个地区地壳在上升，而另一个地区地壳则在下降。某一地区进行着长期、缓慢、范围广阔的地壳运动；而另一局部地区可能则发生着迅速、剧烈的地壳运动。从同一地区的不同时期看，该地区在一段时间里发生地壳剧烈运动，其后一段时间可能转为缓慢运动；再过一段时间又可能转为相对稳定的时期。整个地壳的发展过程也是如此。从距今7000万年起直到今天这一段时间，包括了地质历史上的“第三纪”和“第四纪”这两个距今最近的地质时期。我们一般将第三纪以前的地壳运动称为古代地壳运动(或古代构造运动)。而把第三纪中、晚期以来直到今天仍在进行的地壳运动称为现代构造运动或新构造运动。现代世界上正在活动的火山和地震，特别是近期的地壳升降及断裂运动等都是新构造运动的具体表现方式。地质构造是地壳在其漫长的发展历史过程中遭受构造运动作用后，所形成的地层形态（如地壳中岩层或岩体的位置、产状及相互关系等），或者说地质构造是构造运动在岩石圈中留下的形迹（作者根据个人在塔克拉玛干沙漠观察其地貌特点后认为，有些地质构造也许是在外力地质作用下形成的，例如古沙漠地貌如果能变质成岩，其岩层一定是弯曲的，一定具备褶皱构造的所有特点）。二、地质构造的类型虽然在地壳运动作用下，地层形态极其复杂多变，但地质构造可被划归为三种基本类型，一类是褶皱构造，另一类是断裂构造，第三种是单斜构造。三、褶皱构造原来呈水平或近水平状态的岩层，在受到地壳运动所产生的强大水平力的挤压后产生柔性弯曲但未失去其连续性，这种弯曲的地层形态被称为褶皱构造。图2-1褶皱构造图2-2a褶皱构造的形成图2-2b褶曲的两种基本形态1．褶曲褶皱构造中岩石的每一个弯曲（一个完整的波形）都称为一个褶曲。图2-3褶皱要素示意图Ⅰ—水平面；Ⅱ—轴面；OC—轴线；a中的AB及b中的AC—脊线2．褶曲的特征按照一个褶曲中岩石弯曲的朝向，褶曲被分为两种基本形态：向斜和背斜。两翼岩层向上弯曲的褶曲被称为一个向斜；两翼岩层向下弯曲的褶曲被称为一个背斜。褶曲的中心部分被称为核部或轴部；大体把褶曲平分的理想面称轴面；轴面与水平面的交线称轴线；从褶曲的横断面上看，岩层面上弯曲最大的一点称脊；同一岩层面上所有弯曲最大的点的连线称为褶曲的脊线。3．褶曲的分类根据褶曲在横剖面上的形态或轴面的位置，可将褶曲主要划分为对称褶曲、不对称褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲，此外还有扇形褶曲和卷曲褶曲。根据褶曲在纵剖面上的形态或脊线的形态，可将褶曲划分为水平褶曲；倾伏褶曲；短轴褶曲；穹窿和构造盆地。根据褶曲的组合形态，又可将褶曲划分为：全型褶曲（复背斜、复向斜）；断续型褶曲和过渡型褶曲（中间型褶曲）。（1）对称褶曲：两翼岩层倾向相反，倾角相等或接近相等，对称褶曲也称为直立褶曲。（2）不对称褶曲：两翼岩层倾向相反，倾角不相等。（3）倒转褶曲：两翼岩层向同一方向倾斜，一翼正常，一翼倒转。（4）平卧褶曲：褶曲的轴面近水平，两翼岩层产状平缓。（5）水平褶曲：褶曲的脊线近水平。（6）倾伏褶曲：褶曲的脊线沿一定方向向上或向下倾伏。（7）穹窿和构造盆地：同层岩层向四面下倾的称穹窿；同层岩层向四面翘起的称构造盆地。图2-4褶曲在横剖面上的形态图2-5褶曲在纵剖面上的形态（倾伏和水平褶曲）图2-6短轴背斜、短轴向斜、穹隆和构造盆地图2-7全型褶曲（8）短轴褶曲：短轴褶曲是介于穹隆、构造盆地和一般褶曲之间的一种褶曲，其脊线从最高点向两端显著下沉或上翘。（9）全型褶曲：褶曲发育不间断，背、向斜相间排列，紧密相连。其中由许多褶皱组成的巨大背斜称为复背斜，由许多褶皱组成的巨大向斜称为复向斜。（10）断续褶曲：是地壳运动相对稳定地区的典型褶曲类型，常见的是背斜孤立的隆起于水平岩层之中。最常见的构造形态是穹窿和构造盆地。（11）过渡型褶曲：介于全型和断续褶曲之间的褶曲。图2-8构造河谷或冲沟的形成四、褶皱构造对工程建设的影响在由全型褶曲构成的褶皱山区，岩层强烈破碎，顺向坡岩体极易沿层面或节理面产生滑动，造成土坡失稳，危及工程安全。例如绪论中介绍的台湾基隆河畔1974年9月发生的顺层滑坡，破坏了周围的村庄、道路，阻断了河流。在背斜、向斜的脊部，张性节理发育，加速了风化作用的进行，造成岩体强度的降低，并最终发育成背斜谷、向斜谷或背斜、向斜式冲沟，对公路、铁路建设造成很大困难。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。第二节倾斜构造有的工程地质学教程或著作将地质构造划分为两种基本形式：褶皱构造和断裂构造，但也有很多的将地质构造划分为三种形式：褶皱构造、倾斜构造和断裂构造。笔者比较倾向于后一种划分结果。一、倾斜构造一般认为，倾斜构造是原来水平或近水平沉积的地层，在地壳运动的影响下产状改变而发生倾斜变化，此时岩层面与水平面就有了一定的倾角，成为具有倾斜构造的岩层。但不可否认，自然界中有的地层在沉积中就是倾斜的，例如洪积地层。这样的地层如果在其后的漫长地质岁月中变质成岩，其产状显然也是倾斜的。除此以外，还有的地层在大的空间范围内可能属于褶皱构造，是一个背斜或一个向斜的一翼岩层，但在一定的工程范围内，则表现为单向倾斜的构造形式。这样的地层对某个具体工程而言，显然也可作为倾斜构造来看待。因此笔者认为，广义的倾斜构造应包括上述所有三种情况。图2-10单斜岩层在各剖面及水平切面上的表现图2-11水平、直立、倾斜岩层在地形地质图上的表现岩层面与水平面的交角小于20～30o时被称为缓倾斜岩层；交角在60～70o以上时称为陡立岩层，介于缓倾斜岩层和陡立岩层之间的称为陡倾岩层，交角近于或等于90o时，成为直立岩层。如果在一定的地质区域内，一系列岩层的倾斜方向及倾斜角度都基本一致，则称其为单斜构造。，但在有的行业中，对倾斜岩层却有自己特有的命名方法，例如，在采矿行业中，交角大于45o的煤层被称为急倾斜煤层。二、倾斜岩层的产状倾斜岩层的产状要素一般是指倾斜岩层的走向、倾向和倾角，在采矿工程中还应包括岩层的厚度（真厚度和伪厚度之间关系是，式中为岩层倾角）。1．走向倾斜岩层层面与水平面的相交线被称为倾斜岩层的走向线，走向线的方向称为岩层的走向。2．倾向与走向线垂直，沿岩层倾斜面向下所引的直线称为倾向线，也称最大倾斜线；倾向线在水平面上的投影所指的方向称为倾斜岩层的倾向。图2-12岩层产状要素示意图3．倾角倾向线与其水平面上的投影线之间的夹角称为倾斜岩层的倾角。4．倾斜岩层产状的测量方法倾斜岩层的产状在野外是用地质罗盘仪来测量的。（1）测走向：将罗盘仪的长边(平行南北刻度线的仪器外壳的边缘)紧靠岩层层面，调整罗盘位置使水准气泡居中，待磁针静止，读指北针或指南针所指的方位角度数，就是走向的方位。（2）测倾向：将罗盘仪的短边(如用刻度盘南端)紧靠岩层层面，罗盘北端则指向岩层倾斜方向，调整罗盘位置使水准气泡居中，待磁针静止，读指北针所指的方位角度数，就是所测之倾向方位。（3）测倾角：将罗盘仪竖放在层面上，使其长边与走向线垂直，然后拨动盘底旋扭，待测角水泡居中，倾角指示器所指的度数即为岩层的倾角。5．倾斜岩层产状的表示方法倾斜岩层产状的表示方法有两种，一种是在地形地质图上的表示方法，另一种是文字表示方法。在地形地质图上岩层的走向用“—”表示，倾向用“”表示，倾角以角度形式写在“”一侧或下方。文字表示方法是走向在前，倾向在走向之后，最后为岩层倾角。如图2-14所示，设某倾斜岩层的走向线为a-a，其走向为北偏东（在地质学上，规定走向的标记自北开始），表示为NE；由于倾向的方位和走向垂直，其倾向自然为南偏东（也可以是北偏西），其偏角可由走向偏角计算得来，所以倾向方位必须标明，而偏角不用标明；如果我们也知其倾角（本例假定为），则该倾斜岩石的产状最终表示为：NESE。30306060283028图2-13用圆形地质罗盘测倾斜岩层产状要素示意图图2-14岩层产状的表示法图2-12所示的另一倾斜岩层的走向线为b-b，走向为NW，倾向为SW，若已知其倾角为，则该倾斜岩层产状可表示为NWSW。40154015第三节节理、劈理和片理一、断裂构造岩层受构造应力作用发生断裂，使原有的连续、完整性遭受破坏而形成的地层形态被称为断裂构造。按断裂面两侧岩层的位移情况，断裂构造可分为节理和断层。二、狭义的节理—构造裂隙岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两侧的岩层未发生移动或仅发生了微小的错动的断裂构造称构造裂隙或构造节理，有时简称节理。按形成节理的作用力特征可将节理分为以下3种：（1）剪节理因地壳运动引起的剪应力作用而形成的断裂构造称为剪节理，其特点是裂缝平直、延伸方向稳定、裂隙面平整光滑；通常切穿岩石中的颗粒；有两组同时出现，相交呈“X”形；多为闭合性节理。（2）张节理岩层在地壳运动过程中受张拉应力作用产生的节理称张节理，张节理在褶皱构造的核部最为发育，其特点是裂口稍长，断裂面粗糙不平，面上无擦痕，裂面常绕过颗粒并很快在岩石中尖灭。（3）压性节理压性节理是岩层受到强大的挤压作用时所形成的节理，节理面与最大主应力方向垂直，呈紧闭状态并密集成群分布。三、广义节理除构造裂隙以外，岩体的原生裂隙和风化裂隙以及其它次生裂隙也常被混为节理或曰非构造节理，这些裂隙主要有：岩浆岩中的冷凝裂隙、沉积岩中的干缩裂隙和层理、风化裂隙、卸荷裂隙、工程震动等作用引起的裂隙等等。因此广义节理的含义即包括了一般意义上的节理（构造节理），