现代构造地质学分解PPT课件

1、 构造解析(stracturalanalysis)是一种新的构造研究方法。这种方法通过区域地质构造的详细研究，尤其是造山带及变质岩区构造研究的实践而发展 起来。 这种方法抛弃了以往单纯描述和堆砌构造现象并进行简单比较的方法，把构造地质 学带进了以辩证唯物构造观为指导的，以现代系统科学方法为特点的多尺度、多层次、多因素、多体制和多世代构造的全方位动态分析领域。 在实际工作中，按此方法去分析地质体的总体及其内部结构，阐明和解释构造的几何特征、形成机制和演化规律。辩证地统一处理构造变形的空间、时间、环境、岩性介质和作用力等五个方面的关系，提高人们认识构造、解释构造和预测构造的能力。 第1页/共45页

2、第一节 构造解析的尺度一、构造尺度的概念一、构造尺度的概念 所谓构造尺度是观察、分辨、分析和处理地质构造现象的客观标准。 研究构造首先要求划分构造的尺度。 地质构造有不同的尺度；有空间尺度和时间尺度，每一尺度都强调某些不同的方面，有不同的研究任务，而且各有其不同的解析方法。 在构造的空间尺度上，按地质体的规模一般可以划分为巨型、大型、中型、小型、微型和超微型等六个等级。反映当代地质构造的研究已扩展到108cm一108cm的广阔范围（图21）。不同空间尺度的构造之间，多级组合，相互依存，在地壳不同的构造区域内构成一定格式的构造系统。 第2页/共45页 在时间尺度上，可以根据地壳变形的质变和量变关

3、系，划分出长短不一的旋回、世代和先后顺序；反映构造过程的阶段性和展开的顺序性，以及不同阶段构造作用过程的速率。不同时间尺度构造之间的动静递进演化，构成一个递进变形和变形分阶段发展相结合的构造历史序列。因此，对不同尺度构造的综合解析，实际上就是一个观察、分辨、分析和处理地质构造现象的系统工程。第3页/共45页二、不同尺度构造解析的任务二、不同尺度构造解析的任务 1小型构造解析的任务 小型构造研究是区域地质构造和矿区构造研究的基础。对露头及手标本上构造分析的质量决定了整个工作任务完成如何；在造山带及变质岩区，对小型构造的解析主要应解决： (1)判定小型构造的类型，对其空间几何形态进行描述并测量其产

4、状和构造参数。 (2)鉴定各种构造要素的几何性质及其构造的均匀性和对称性。 (3)研究各种构造要素之间的相互关系、形成序次及其时代。 (4)确定不同岩石的变形习性及其与变形之间关系，对变形标志进行应变测量。 (5)判定露头上岩石流变及相对运动踪迹的性质及方向，分析岩石变形时局部受力状况。 (6)寻找区域变形的天然模型，对典型构造现象进行系统描述、拍照、素描，选择和采集代表性定向标本。第4页/共45页2大、中型构造解析的任务 对大、中型褶皱、断层或韧性剪切带等，常通过构造填图才可能有比较完整的认识。对大、中型构造单体需进行与上述小尺度构造解析相类似的观测外，还应重视如下方面的解析任务： (1)确

5、定大、中型构造的变形面及其性质；明确用以填图的构造地层属性和类型；选择填图标记及划分填图单位；通过地质填图确定主期构造的空间形态。 (2)研究大型地质体或其中某一区段中透入性构造的排布规律，确定它们的优选方位以及构造的均匀性和对称性等，划分构造均匀区段进行统计分析，包括利用赤平投影技术和多元统计分析技术进行构造位态及构造样式的解析。 (3)分析区域内大小构造的组合关系和不同类型大、中构造之间关系；确定区域内基本格架和构造体系或构造型式的归属。 (4)解析区域内大、中型构造之间及大小构造之间叠加复合关系；确定构造变形序列及构造的演化。 (5)分析构造与矿产在几何上、成因上的关系；建立区域或矿区构

6、造控岩控矿模式。 第5页/共45页3显微构造解析的任务 显微构造研究在当今已成为造山带及变质岩区地质构造工作的基本内容。只有通过显微乃至超微的研究，才能使一个地区地质构造认识得到深化。一般的显微构造解析要求有： (1)确定岩石中矿物颗粒及其光轴或劈开面、双晶面的优选方位，颗粒组构的均匀性和对称性。 (2)研究晶体的拉长、压扁、扭折、旋转、褶皱、破裂和生长等显微变形现象，寻找透入性变形证据和运动学标志。 (3)鉴别不同矿物颗粒的变形习性及其所反映的构造变形环境和构造层次。 (4)鉴定结晶作用和不同构造要素的成因和发展关系，确定变形作用与变质作用的时空关系。 (5)选择有代表性的变形矿物进行电镜下

7、超微研究，确定其晶体缺陷及位错型式，进而确定矿物及岩石的塑性变形机制和流变学特征。第6页/共45页 上述各种不同尺度构造研究的任务虽各有不同，但它们的目的都是为了从不同的方面收集有关构造几何学、运动学、动力学、变形相以及发展演化等方面的信息，为全方位的动态构造解析提供所要求的全部资料，最终实现构造的综合分析。 第7页/共45页三、多尺度构造观察是现代构造分析的基础三、多尺度构造观察是现代构造分析的基础 在整个地壳变形的历史长河中，地壳岩石不但会发生不同程度的变形和变位，而且影响所及，常常会导致岩石内部组分的运动和结构的调整。 我们所研究的地质构造现象实际上是一个不同空间尺度和时间尺度构造综合的

8、有机整体。现代研究表明，在许多构造带里，露头上或更小尺度的构造现象与山系尺度的构造可以类比，许多区域构造的型式与小型或显微构造的几何形式、运动学和动力学特点也存在着成因上联系。因此，在一个地区的地质调查工作中，越能从较多尺度上分析问题，就越能得到比较全面的认识，作出本质上的结论。 可以说，多尺度的观察和综合研究是现代构造分析的基础(图22)。 因为尺度的概念不仅体现在构造研究的方法上，更重要的是体现人们的思维方法。 第8页/共45页第9页/共45页 现代构造分析方法是桑德(Sander，1930)等开始建立起来的，这种构造分析的统计几何学程序首先应用于显微构造，用以阐明构造岩中矿物的优选方位及

9、变形格式。但这种方法实质上是从野外工作中发展起来的，它完全适用于中小型乃至大型尺度的构造。 因此，构造的多尺度分析自然要特别强调野外的详细研究基础和野外与室内相结合。 一个地区正确的构造认识往往是通过对大、中、小、微尺度构造的编图、填图、露头描述、薄片观测乃至电镜扫描等手段的实践逐渐完成的。其中，露头尺度上各种构造要素的观测常常起到纽带的作用。 构造研究如果离开野外脚踏实地的露头(包括坑下或钻孔中)观测和观测过程中不断的逻辑思维活动；单纯依靠前人资料编图或依靠室内多项测试都不可能全面对一个地区的构造作出合理的结论。第10页/共45页四、与尺度有关的概念 在构造解析中，经常会遇到以下几个与尺度有

10、关的概念： (1)透入性构造和分划性构造； (2)构造的均匀性和非均匀性； (3)主体构造和从属构造； (4)残余构造和新生构造等等。 这些概念虽然在许多构造地质学教科书中已给出明确的定义，但从辩证的尺度观来看，这几组概念都是相对的。一些在宏观上看起来是透入性的构造，在更小尺度上则有明显的分划性(如板劈理)；一些从整体上看来是非均匀变形的构造，从局部上则可分解为若干近似于均匀变形的构造均匀区段。 第11页/共45页第二节 构造层次一、构造层次的概念一、构造层次的概念 所谓构造层次(tectoniclevel)在这里主要是用来说明构造变形过程中，由于地壳物理化学条件变化所导致的构造分带现象。 地

11、壳物理化学环境的变化最直观的表现是由地表到地壳深部的垂向变化。在这个方向上表征地壳相对活动性层次的构造分带会相应显得更为明显。 这种变化不但体现在地壳及岩石圈物质的垂直分层，即地壳的层圈构造上，而且还体现有不同层次构造要素群的构造特征上，即在不同的构造层次上发育有不同变形机制为主导的、具有不同构造生态的构造群落。第12页/共45页 Mattauer(1980)根据造山带的构造分带提出将地壳划分为上、中、下三个构造层次(图23)。 上部构造层次：主导变形机制是剪切作用，以脆性断裂为主，故这里是断层分布区。 中部构造层次：主要变形机制是弯曲滑动(挠曲)，塑性变形产生等厚褶皱。 深部构造层次：主导变

12、形机制有两种，先是压扁作用，然后是流动作用。因此，这里是不等厚褶皱区。深部构造层次的上限为劈理前峰面。分两个亚层次，上部以广泛发育劈理的相似型或顶厚褶皱为特征；下部温压条件已达到或接近岩石的正常溶点，岩石已部分或全部重熔，呈不同粘性的流体状态发生柔流，最终形成片麻构造。 第13页/共45页第14页/共45页二、不同构造层次的变形机制 在模拟自地表到地壳深部约40km压缩变形的各种条件时，受压岩石处于压力和温度逐渐增大的状态，岩石的力学习性最初表现出是脆性的；随后，当压力和温度增大时，便表现出韧性；最后，当达到熔点时，便呈粘性极低的流体状态。随着物性出现的变化，岩石的变形机制相应发生了更改。从表

13、示随压力和温度变化而出现的各区段物性状态图解(图24)中可以看出，岩石的变形机制与岩石的变形习性有着直接的联系。 第15页/共45页第16页/共45页 当岩石呈脆性破裂时，岩石内新生裂面一般呈快速地震式断层滑动，弹性摩擦活动明显，经常发育节理或断层。许多无褶皱区的断裂网络均在这一层次形成，其变形机制为脆性剪切(图25A)。当岩石具有一定塑性时，就会形成褶皱，但褶皱的形成有不同方式。在最初阶段，当韧性尚不明显时，岩层只发生简单的等厚褶皱，岩层的厚度一般无多大变化。这种情况下，褶皱的形成机制以弯褶皱为主导(图25B)。但随着变形时温压条件的升高，岩石的韧性变得很大，变形作用的透入性也相应提高，岩石

14、普遍遭受压扁作用的改造，褶皱顶部相应递进增厚并发育劈理，随着岩石韧性剪切流变程度的增加，岩石的变形机制相应呈无震式塑性蜗变。其物质选择在粒内以扩散蠕变、位错、双晶作用为主；在颗粒边界，则以压溶、交代、扩散、晶体生长和扩散或位错导致的滑动为主。从而在宏观上造成固态剪切流变褶皱(图25C)和韧性剪切带的发育，完全改变岩石的组构。最后，当温度接近或达到熔点时，岩石已呈粘性流体状态发生流动，其中熔点较高的某些岩层或脉岩，形成柔流褶皱，这种情况下，变形机制也相应为深熔流动所主导，这类构造一般只在深变质或超变质混合岩区才广泛出现，与一般中、浅变质岩区的构造具有明显的差别(图25D)。第17页/共45页造山

15、带实际剖面都可以按上述关于构造层次的标志在剖面上或平面上划分出不同的构造层次，从而形成一个关于造山带总体变形的概念(图26)。 第18页/共45页第三节 构造变形的物质和环境 构造过程总是变形条件和岩体双方的相互作用和变化，相同的应力系统作用于不同力学性质的岩体上，必然导致不同的应变，造成各式各样的构造。 构造变形这一物质行为主要由四个基本要素所控制：即岩石的变形习性、构造应力、变形环境和物质过程的时间因素。 现代构造地质学科进展的突出特点之一，就是把变形岩石的力学性质和构造变形的时、空环境结合起来，多因素地、形物统一地去探索岩石变形的宏观、微观机制和物质运动的过程。 从RJKnipe(198

16、9)的岩石变形时的物质过程与岩性、环境因素的内在关系流程图(图27)上，可以清楚地看到，变形岩石、变形环境、变形机制、变形时间的过程与变形结果之间的相互制约关系。 第19页/共45页第20页/共45页一、岩石的变形习性 地壳中的各类岩石，由于物质组成和结构构造的差异，导致各自具有不同的物理力学性质，因而在相同的变形条件下会呈现出不同的变形习性。 从一般构造变形分析的角度出发，影响岩石变形习性的自身因素中起决定性作用的是岩石的各向异性和能干程度。1岩石的各向异性 岩石的各向异性，在这里是就岩石在物质成分、结构构造及其物理、化学性能在空间各方向上的差异而言。对地质体的内部结构性质的描述，从统计意义

17、上可以分为各向同性和各向异性两大类。 一般来说，块状地质体，如花岗岩、变粒岩等，在给定尺度上可以说具统计的各向同性；而具有明显层状构造或透入性面理的岩石，如沉积岩、变质岩层等，显然是各向异性的。第21页/共45页 岩石具各向异性是发生褶皱变形的先决条件，而各向同性的地质体一般无法显示出褶皱变形来，只能呈现破裂、压扁和韧性剪切。 岩石的各向异性程度一般可以从如下6个方面加以判断：(1)岩石中矿物成分或化学成分的均匀性；(2)岩石中矿物颗粒的粒度、形状和分布排列的有序度，以及粒间的结合程度；(3)岩石的分层性和成层厚度、层间界面的性质及其粘合程度，以及层内面理发育的透入性程度； (4)岩石中孔隙度

18、和渗透率的三维变化；(5)岩石物理力学性质的三维变化(如导热率、磁化率、抗压强度、抗拉强度等)和成层岩石的粘度差； (6)岩石地球化学活动性的大小在各方向上的差异。 第22页/共45页 实际上决定岩石各向异性的因素很多，不过在一般的构造变形相的定性分析中，经常考虑的是界面、厚度和粘度比三个方面。例如在岩石褶皱时，先存界面是岩层发生层间滑动或层内物质塑性流动的基础；而厚度和粘度比是控制褶皱规模的主要因素。 岩石的各向异性是褶皱的前提，但是褶皱的结果又将导致岩石各向异性的消退。对同一各向异性面(变形面)的叠加褶皱来说，一般经过23次的重褶皱后就会使其各向异性消失，褶皱地质体转化成了似各向同性体。因

19、此，如不经过构造置换作用形成新生面理，产生新的各向异性，就很难再呈现褶皱变形行为。 第23页/共45页2岩石的能干性 岩石的能干性是指岩石抵抗变形的能力。 一般将变形岩石分为能干的(competent)和不能干的(incompetent)两种。 一个能干的(或强的)岩层，必须在抗剪强度、不易流动和不可屈服等等习性上，优于其它岩层。因此，能干(强)岩层在褶皱时不仅能举起自身，而且可以承担上覆岩层的重量，形成弯曲褶皱(flexural fold)； 相反，不能干(或软弱)岩层则不能支撑上覆静岩压力，也不能将压力传递到较远距离，因而它们的运动往往是被动的。 经多年的观察研究证明，能干岩层的褶皱，常常

20、以其层间界面作为变形的主运动面，岩层内部流动微弱；而软弱岩层的界面则往往不起控制变形的作用，岩层内部则较易流动，导致褶皱的生长转换为平行轴面的运动，形成被动褶皱。同样，各向同性的岩体，其变形习性会因其能干性不同而呈现不同的变形行为。第24页/共45页 为了更精确地表达岩石的能干性，以便更深刻地理解岩石的抗变形习性，近年来人们常以岩石的韧性(ductility)和韧性差这两个参数来对岩石的变形习性加以计量。 韧性的定义是：在一定条件下，变形岩石在破裂前的总应变的百分数。 Griggs和Handin(1960)根据一系列变形实验的结果，按照岩石破裂前总应变的百分率(缩短的、伸长的)及其相应产生的破

21、裂状况，将岩石的变形习性从脆性到韧性划分为五种情况：破裂前总应变小于5者为脆性岩石，大于10的为韧性岩石，其间为韧脆性到脆韧性的一系列过渡状态。 由于不同的岩石具有不同的脆、韧性特征，所以又常以岩石的粘度反映其韧性的大小，以粘度比反映不同岩石之间的韧性差。 第25页/共45页 天然露头上展现的构造变形特征及岩石变形实验的研究成果都表明，确定岩石变形时的韧性及不同岩石之间的韧性差，对理解褶皱、断裂的形成机制具有重大意义。 Donath和Parker(1964)按岩层的平均韧性和韧性差对褶皱进行的构造物理分类(图28)及Ramsay(1967，1980)对断层和剪切带的分类均立论于此。 第26页/

22、共45页 岩石的韧性变形一般是指岩石整体的流动而言，它既可以是岩石内晶体塑性变形机制的产物，也可以是碎裂或颗粒流动的结果，或者是两种变形机制的组合。对变质岩石的韧性变形来说，其主要变形机制是晶体塑性。 因此，岩石能干度的计量常常需要用晶体塑性强度的概念来表达。所谓晶体塑性强度，是指岩石或矿物在一定条件下(温度、围压、溶液)，不管作用时间多长，开始发生晶内滑动、位错滑动、双晶滑移乃至位错蠕变、扩散蠕变等塑性变形行为时所能承受的屈服应力极限。这种屈服极限愈大，岩石或矿物抗塑性变形的能力越强。 岩石的塑性强度如何，首先决定于岩石中各矿物组分的组合及其抗变形能力。一般主要造岩矿物的晶体塑性变形开始的顺

23、序由弱到强依次为石盐一硬石膏一方解石一石英一钾长石一斜长石一角闪石一辉石一橄榄石(无水条件下)。 其次，岩石颗粒大小同样对塑性强度有明显的影响，辉绿岩与辉长岩相比，其塑性强度则相对较低，特别是大理岩，粗粒与细粒之间能干度相差可以十分明显。第27页/共45页 对野外岩石能干度研究表明，某一构造世代的变形岩石可以通过各类岩石有限应变大小、劈理的产出状态和折射、香肠化和透镜化的程度、褶皱的样式、断裂发育状况、糜棱岩化程度及类别、岩石构造置换和变形分解等现象的对比，用以确定研究区岩石能干性序列。 从JGRamsay在阿尔卑斯造山带的研究 (Ramsay，1982)表明，在相同变质环境条件下，不同岩类的

24、能干性程度和序列各不相同。 例如在绿片岩相到低级角闪岩相条件下，从沉积岩经受变质固态流变改造的能干性由强到弱序列，大体是： 白云岩； 长石砂岩； 石英砂岩； 岩屑砂岩； 粗粒灰岩； 细粒灰岩； 粉砂岩； 泥灰岩； 页岩； 石膏、盐岩。 第28页/共45页 在结晶基底，岩石的韧性在很大程度上取决于岩石变形变质过程中矿物成分改变及其内部组构的不断调整。 在剪切带中，深变质或火成的岩石在绿片岩相或低级角闪岩相退变质状态下变形时，其代表性岩石的能干性由强至弱依次为： 超镁铁质岩、麻粒岩和斜长角闪岩； 粗粒花岗岩； 细粒花岗岩； 变粒岩； 富云母片麻岩； 石英岩； 大理岩； 结晶片岩。 但具体到某一地区

25、，由于某一岩类矿物成分及结构的不同，它们的能干性可能发生许多具有地质意义的变化，使它们的排序相互颠倒。 第29页/共45页二、构造变形的物理二、构造变形的物理化学环境化学环境 大量的岩石变形试验及构造变形变质现象的观测表明，岩石的变形习性是一个动态的概念，它随变形时的环境因素和时间因素的变化而改变。 这些因素是地热温度(T)和地热梯度(Ts)、围压(P)或负荷压力(Ph)与流体压力(Pf)的压力差、构造应力()的大小和方向、以H2O或和CO2、O2及其他微量元素和造矿元素组成的活动性地球化学流体(Q)、应变速率(e)和应力持续作用的时间(t)等。就变质构造来说，主要的环境因素有：1地热和地热梯

26、度2地应力 3活动性地球化学流体 第30页/共45页1地热和地热梯度 现代研究表明，地壳内的温度及热流状况是解释地球动力学的主要参数，也是变质构造形成和演化的客观环境，地壳深部温度的提高必然导致岩石蠕变强度的降低，提高岩石的韧性，早在1963年Turner就曾提出过“热蠕变”的概念，并指出当温度提高500时，岩石的蠕变强度会变得极低(40km，收缩体制10-3s)体制下，岩石内几乎找不到塑性变形的证据，往往形成玻化构造岩。在中速应变(e10-4s一10-9s)体制下，塑性变形和脆性变形共存，其中细颗粒以塑性变形为主，粗大颗粒则遭受碎裂和旋转。波状消光虽然发育，但亚颗粒罕见，位错亚构造没有恢复表现。 在低速应变(e=10-9s)体制下，石英发生明显的塑性变形，位错蠕变的结果形成石英质糜棱岩，石英颗粒出现变形带、变