第四章地质构造

1、第四章 地质构造已经存在的岩层、岩体，在受到地球内部和外部动力作用时，会产生移位、倾斜、弯曲、断裂等变形、变位现象，这些现象保留下来的形式和状态就称为地质构造，简称为构造。地质构造是地壳中常见的地质现象，煤炭开采中经常遇到，也是影响煤炭开采的主要因素。第一节 岩层的产状一、岩层产状的概念岩石由于岩性、组成和环境的原因，经常形成平行或近于平行的层状岩体，称为岩层。岩层的上下界面叫层面，上层面叫顶面，下层面叫底面。两个岩层的接触面，既是上覆岩层的底面，又是下伏岩层的顶面。岩层顶、底面之间的垂直距离叫岩层的厚度。岩层在空间上的产出状态和方位称为岩层的产状。产状反映了岩层在三维空间的存在方位和延展方向

2、。岩石在成岩时形成的产状称为原始产状。在沉积盆地中形成的沉积岩，其原始产状大都是水平的，仅在盆地边缘等局部地区呈倾斜产状。己形成的岩层，在地壳运动的作用下，其原始产状会发生不同程度的改变，有的保持水平，有的倾斜或弯曲，有的变得直立甚至倒转，但其中最多的还是呈不同程度的倾斜或弯曲。根据产状可将岩层划分为水平岩层、倾斜岩层、直立岩层和倒转岩层（图4-1）。其中，倾斜岩层最为常见，只有构造运动强烈的地区才会产生岩层倒转。图 4-1 不同产状的岩层示意图（P、C、D、S表示地层代号）（a）水平岩层；（b)倾斜岩层；（c）直立岩层；(d）倒转岩层二、岩层产状要素图4-2岩层的产状要素ABCD-水平面；E

3、FGH-岩层层面；AOB-走向线；ON-倾斜线；ON倾向线；-（真）倾角岩层的产状可用其层面在空间的方位及其与水平面的关系来确定。通常以岩层的走向、倾向和倾角这3个参数来衡量和表达岩层产状，称为岩层的产状要素（图4-2）。图4-3真倾角与视倾角的关系ABCD-岩层层面；OECD-水平面；AD-真倾斜线；AC-视倾斜线；-真倾角；-视倾角；-真倾向视与倾向的夹角；-走向线与视倾向间的夹角1. 走向走向表示岩层在三维空间上的水平延展方向。岩层面与水平面的交线称为走向线（图42中的直线AOB）。走向线与规定的北方向（一般以当地的磁北方向）的夹角称为岩层的走向。走向线两端的延伸方向与北方向可以形成两个

4、夹角，二者相差180，通常以NE（北东方位）或NW（北西方位）来表示。2. 倾向倾向表示岩层的倾斜方向。垂直于走向线的平面与岩层面交线称为倾斜线。倾斜线在水平面上的投影称为倾向线（图4-2中的ON），倾向线的延伸方向即为倾向。按照上述定义，水平岩层的走向和倾向自然没有任何意义。当倾斜线与岩层的走向线垂直时，称该倾斜线（图4-2中的ON，图4-3中的AD）为真倾斜线。相应的倾向线（图4-2中的ON，图4-3中的OD）称为真倾向线，相应的倾向也称为真倾向（简称倾向），当倾斜线与岩层的走向线斜交时，称倾斜线（图4-3中的AC）为视（假）倾斜线，相应的倾向线（图4-3中的OC）称为视（假）倾向线，相应

5、的倾向称为视（假）倾向。可见，一点上岩层的真倾向是唯一的，而视（假）倾向则可以有无数个。3. 倾角岩层层面与水平面的锐夹角称为岩层的倾角，也就是倾斜线与相应的倾向线的锐夹角。倾角表示岩层的倾斜程度。真倾斜线与真倾向线的锐夹角（图4-2中的，图4-3中的）称为真倾角。视倾斜线与其相应的视倾向线的锐夹角（图4-3中的）称为视（假或伪）倾角。一点上岩层的真倾角是指该点岩层的最大倾角，其大小值是一定的，也是唯一的。而视倾角的值则随视倾向的改变而发生变化，它可以有无数多个，但都小于真倾角。真倾角和视倾角存在如下关系：式中 视倾角； 真倾角； 视倾角与真倾角之间的夹角；视倾角与岩层走向的夹角。上述关系证明

6、如下：在图4-3中，ABCD代表岩层层面；OECD代表水平面；ADO代表真倾向剖面；ACO代表视倾向剖面。则 在AOD中，AOD=90，故=；在AOC中，AOC=90 ，tg=；在DOC中，ODC=90 ，cos=,sin=；同理 由上式可知，当剖面方向垂直于岩层走向时，=0，=90，cos=sin=1,则tg=tg，=；当剖面方向平行于岩层走向时，=90，=0，cos=sin=0,则tg=0, =0。也就是说，剖面方向越靠近岩层的真倾向，其视倾角越大；反之，剖面方向偏离真倾向越远，其相应的视倾角越小。真倾角与视倾角的换算关系在煤矿生产设计中经常会用到。由于岩层出露地表程度的限制，有些时候无法

7、直接测得真倾角，就必须先测视倾角，然后换算成真倾角。在实际工作中，为了便于工作和提高工作效率，可从倾角换算表中直接查取。三、产状的测定和表示方法（一）地质罗盘目前，在野外和井下测量岩（煤）层产状要素普遍使用的仪器仍然是地质罗盘（也叫矿山罗盘）。地质罗盘的种类很多，构造各异（图4-4），但它们都是以底盘、磁针和倾斜仪为主要部件而构成的。可用来测定岩层的走向和倾向。磁针静止时所指的方向为磁北和磁南。磁北和磁南与地理上的北、南方向不完全一致，它们之间有一个偏离角，称为磁偏角。各地区的磁偏角不同，需要根据当地磁偏角进行校正。如我国西部地区磁偏角偏东，校正时应加上磁偏角度数。为了校正磁倾角，常在磁针的一

8、端缠扎有细铜丝圈以使磁针两端保持平衡。如我国地处北半球，磁针会向北倾，因此在磁针指南一端缠扎有细铜丝圈。底盘是一个平面，当水准器气泡居中时，底盘处于水平状态，其长边或标有南（S）、北（N）字样的连线与磁北的夹角，称为磁方位角，它可用磁北针在方位角刻度盘上所指的刻度值来表示。方位角刻度盘上标有东 ( E）、西（W）、南（S）、北（N）并刻有度数，大部分罗盘以北为0，逆时针方向一周为360。倾斜仪用来测定岩层的倾角，另一种是手动倾斜仪，当把罗盘垂直侧放时，用手拨动罗盘背后的金属片使倾斜仪水准气泡居中，在倾角度盘上可读出罗盘倾斜角。图 4-4 地质罗盘构造l-底盘；2-磁针；3-圆盘校正螺丝；4-倾

9、斜仪；5-圆盘；6-磁针制动器及倾斜仪制动器；7-水准气泡；8-方位角刻度；9-倾斜角刻度；10-倾斜仪上水准气泡；1-折叠式瞄准器；l2-玻璃镜；13-观测孔（二）岩层产状要素的测定方法使用地质罗盘测定岩（煤）层产状要素的方法可以分为直接测定法和间接测定法两类。 1. 直接测定法在测量岩层产状之前，首先要找一个能代表周围一定范围内岩层产状的较为平整的岩层面，然后再用罗盘测量其产状要素。当岩层不平整时，测得的误差会较大，这时可以在岩层面上放一本书或平整的薄板，将罗盘放在上面进行测量，以减小误差。具体测量方法和步骤（图4- 5）如下：图4-6 巷道中间接测定法示意图图4-5 地质罗盘测量产状示意

10、图 （1）测岩层走向将罗盘的长边紧贴岩层面，轻轻调整罗盘（长边必须始终紧贴于岩层面），使罗盘上的水准气泡居中，待磁针静止后，读磁北（或南）针所指度盘上的刻度即得岩层的走向。因走向是向两个方向延长的，故可测得两个相反的方向，二者相差180。（2）测岩层倾向将罗盘的短边紧贴于岩层面，并使罗盘瞄准器大致指向岩层倾斜方向，轻轻调整罗盘（短边必须始终紧贴于岩层面），使罗盘上的水准气泡居中，待磁针静止后，读磁北针所指度盘上的刻度即得岩层倾向。因走向和倾向互相垂直，故二者读数相差90。（3）测岩层倾角 将罗盘长边沿倾斜线方向紧贴岩层面上，直立放置，用手轻轻拨动调整底盘背面的半圆形金属片，使倾斜仪上的柱状水准

11、气泡居中，读倾斜仪中间线所指的倾斜角度盘刻度数即得岩层倾角。 2. 间接测定法当找不到理想的岩层面，难以直接测定岩层产状，这时可采用间接测定法。如图4-6所示，BD、CD为巷道掘进过程中实际见到的同一岩层层面。测量时，在B、D连线上任意找一点E，并在C、D连线上找一点F，用测绳连接E、F。将罗盘长边紧贴测绳上，调整E、F的位置和罗盘，使罗盘上的水准气泡居中（此时E、F在同一水平面上），待磁针静止后，读磁北（或南）针所指度盘上的刻度（测绳EF的方向）即得岩层的走向。岩层的倾向可根据岩层实际倾斜的方向利用岩层走向（即EF方向）加（或减）90求得。倾角可利用下式计算得出：式中 -岩层倾角；2-巷道迎

12、头上岩层的视倾角，可用罗盘直接测得；-巷道迎头岩壁方向与岩层倾向的夹角，巷道迎头岩壁方向可用罗盘测得。用罗盘测定岩层产状时，应注意不要靠近带有磁性的金属物件和电缆等，以免因其吸引磁针而造成测量不准确。在实际工作中，有时因地形和岩层揭露情况等条件的限制或测点附近有含磁性矿物的矿床，而不能用罗盘直接测定岩层产状，这时可以采用经纬仪、全站仪等测量设备测得层面的3个以上点的高程，通过计算来确定岩层产状。（三）岩层产状要素的表示方法岩层产状要素的表示方法没有统一的规定，可采用简单图示加文字标注表示的方法，常用的有象限角表示法和方位角表示法。 1. 象限角表示法以地球子午线为基准线，南、北两端记为0，东西

13、两端记为90，用锐角记录走向和倾角（图4-7a）。因为倾向可以通过走向计算出来，所以不记录或作为验证走向的参考。如岩层走向为北偏东30或南偏西，向南东倾斜，倾角为15，记录为N30E15SE或S30W15SE。(a)900900S00N00300300MNOP9002700S1800N001200MNOP(b)图4-7 岩层产状要素的表示方法示意图（a）象限角法；（b）方位角法；MN为走向线；OP为倾向线2. 方位角表示法方位角表示法是以地理正北（N）为起点（0），顺时针旋转一周为360 。岩层走向线或倾向线与正北方向的顺时针夹角即为走向或倾向的方位角（图4-7b）。上述岩层产状为例，则全面记

14、述岩层走向、倾向和倾角的方式有N30SE15、N30SE15等。只记录倾向和倾角的方式有12015、SE12015等。第二节 褶皱构造岩石在受地球构造运动的作用下，会发生变形和变位。变形分可以为弹性变形、塑性变形、断裂三类。弹性变形的特点是在弹性限度内，变形在外力解除后，恢复原状。塑性变形 的特点是受力超出弹性极限时，柔性较大的物体，发生永久性变形。断裂的特点是受力超出强度极限，脆性物体几乎无塑性变形，很快断裂。由于弹性变形不被保留，对研究地质构造没有意义，因此地质构造中保留的是岩石塑性变形和断裂的结果，其中塑性变形产生岩层褶皱，断裂产生断层、节理和裂隙。而且岩石的变形状态与岩石本身的性质和岩

15、石所处的环境有关。在地表常温、常压条件下，泥岩、页岩容易产生塑性变形，形成褶皱；粗砂岩、石灰岩的脆性大，容易形成断裂。但在地下高温、高压条件下，各类岩石都具有一定塑性（柔性）均可发生塑性变形。这就是为什么我们在野外能够看到砾岩、灰岩、石英砂岩等通常认为脆性很大的岩层同样有褶皱弯曲现象。一、褶皱构造的基本概念（一）褶皱与褶曲岩层受力后，发生塑性变形，改变了原有的空间位置和形态，但其连续性未受到破坏，形成一系列连续的波状弯曲构造，称为褶皱构造（图4-8 )，简称为褶皱。褶皱构造中的一个弯曲称为褶曲，因此褶曲是褶皱的基本单位，而褶皱则是由一系列褶曲组合而成的。图 4-8 褶皱与褶曲剖面示意图褶皱构造

16、在地壳中分布广泛，形态多样，规模大小相差十分悬殊。大者可达数十公里乃至数百公里，小者可显露于手标本上，有的甚至需要借助于显微镜才能观察得到。褶皱的规模在一定程度上反映了褶皱形成时的地质作用的方式和强弱。（二）褶曲的要素自然界中褶曲的形态多种多样，为了正确地描述和研究褶曲，通常把褶曲的各个组成部分及其几何关系分别命名，并统称为褶曲要素（图4-9）。褶曲要素主要有以下几个：（1）核部 泛指褶皱岩层的中心部位。（2）翼部 褶曲核部两侧的岩层。（3）翼角 指两翼岩层与水平面的夹角，即翼部岩层的倾角。（4）轴面 平分褶曲两翼的假想面（近于对称面），可以是平面也可以是曲面。（5）顶角 也称翼间角，是指褶曲

17、两翼同一岩层之间的夹角。（6）枢纽 轴面与岩层面的交线。（7）轴线 也称轴，是指轴面与水平面的交线，它永远是一条水平线。如果轴面是一个简单的平面，则它是一条水平直线；如果轴面是一个复杂的曲面，则它是一条水平的曲线。轴的延长方向称为轴向，代表褶曲的延展方向。（8）轴迹 轴面与地表面的交线称为轴迹。轴迹的形状不仅与轴面形状有关，而且也受地形控制，其延伸方向表示褶曲的延展方向。（9）脊线和槽线 在横剖面上褶曲面的最高点称为脊，同一褶曲面上脊的连线称为脊线；反之，褶曲面在横剖面上的最低点称为槽，同一褶曲面上槽的连线称为槽线。图4-9 褶曲的要素图4-10 向斜和背斜（三）褶曲的分类褶曲的基本形式可分为

18、背斜和向斜两种（图4-8、图4-10）。背斜是指褶曲的核部岩层较老，向两侧逐渐对称出现较新的岩层，形态上一般是核部向上弯曲；向斜是指核部岩层较新，向两侧逐渐对称出现较老的岩层，形态上是一般核部向下弯曲。在岩层新、老顺序不不明的情况下，把向上弯曲的岩层称为背形，把向下弯曲的岩层称为向形。正常情况下，背斜呈背形，向斜呈向形。若地层发生倒转，造成背形的核心部位是新岩层时，则称 为背形向斜；向形的核心部位是老岩层时，则称为向形背斜。虽然褶曲的基本形式可分为背斜和向斜两种基本形式，但是在自然界中，背斜和向斜的形态又是千姿百态的，采用单一一种形态分类方案很难包容褶曲的所有产出形态。因此，经常从不同的方面和

19、角度来描述和表达褶曲，构造分析中多采用褶曲的横剖面、纵剖面和平面的形态进行分类。1. 褶曲的横剖面形态分类（图4-11）根据褶曲的轴面产状和两翼岩层产状， 褶曲可以描述为: (1)直立褶曲: 褶曲轴面直立或近于直立，两翼岩层层序正常，产状倾向相反，倾角大小近于相等。(2)斜歪褶皱：褶曲轴面倾斜，两翼岩层倾向相反，但倾角大小不等。(3)倒转褶曲：褶曲轴面倾斜，两翼岩层向同一方向倾斜，其中一翼岩层层序正常，另一翼岩层层序倒转。(4)平卧褶曲：褶曲轴面及两翼岩层均近于水平，两翼岩层产状平缓，一翼岩层层序正常，另一翼岩层层序倒转。(5)翻卷褶曲：轴面弯曲的平卧褶曲。直立褶曲 倾斜褶皱 倒转褶曲 平卧褶

20、曲图4-11 褶曲的横剖面形态分类2. 褶曲的纵剖面形态分类在纵剖面上，可根据褶曲枢纽的产状将其分为： (1)水平褶曲：褶曲枢纽产状水平，整个褶曲沿着水平方向延伸，两翼岩层的走向大致平行（图4-12a）。 (2)倾伏褶曲：也称倾斜褶曲，褶曲枢纽产状倾斜，两翼岩层的走向线不平行，而是在延伸一定距离后相交于一点，甚至形成岩层走向线圈闭（图4-12b、图4-13）。图4-13 倾伏褶曲的立体剖面图图4-12 褶曲在纵剖面上的形态分类（a）水平褶曲； （b）倾伏褶曲3.褶曲的平面形态分类根据褶曲的某一岩层面在平面上出露的纵向长度和横向长度之比，褶曲分为: （1）线状褶曲: 褶曲的纵向和横向长度之比为1

21、0:1，这是一种狭长形的褶曲。（2）短轴褶曲: 褶曲的纵向和横向长度之比在3:110:1之间（图4-14）。（3）穹窿构造和构造盆地:纵向和横向长度之比小于3:1，背斜称为穹窿（图4-15a）；向斜称为构造盆地（图4-15b）。图4-15 穹窿与构造盆地示意图（a）穹窿；（b）构造盆地图4-14 短轴褶曲（a）短轴背斜；（b）短轴向斜三、褶皱构造的观测与研究褶皱构造研究的基本任务是，通过野外观察和填图，并结合各种地质勘探(如物探、钻探等)手段等所取得的地质资料的综合研究，查明褶皱的形态、产状、规模和组合分布特点。进而研究褶皱形成机制和形成时代，为地质、采矿、建筑、水文、环境等行业提供基础资料。

22、褶皱形态是用褶曲要素加以描述和确定的，因此，褶皱形态的研究实质上是对各褶曲要素的分析研究，以确定褶曲存在位置和基本型式，进而绘制各种地质图，描述和表达褶皱构造。研究时，需要在研究区选择露头良好的地带，按照进行横穿区域构造线的路线进行地质构造观察。 首先根据已查明的地层层序和岩层产状及其变化确定褶曲存在位置和基本型式；然后系统测定褶曲的枢纽、两翼和轴面等要素的产状。在此基础上根据有关褶曲要素的特征和空间分布特征确定褶曲的类型及其组合类型。对于规模不大、保存较为完好且出露充分的褶曲，可在野外或井下直接测量其有关要素的产状，实地观测其形态特征。但对于规模较大、保存或出露不完全的褶曲来说，则往往需要系

23、统测量岩层和枢纽的产状，根据地层露头分布规律、岩层产状变化规律、褶曲内部小构造的发育特征等综合分析确定褶皱构造的要素及产状。（一）褶皱的野外识别1.褶皱存在的识别自然界中有一部分褶皱，可以在有限的地段内（如地表露头和矿井巷道或工作面上）直接看到。但更多的褶皱由于揭露不完全、组合型式多样、地层层序不明确及其它地质构造的干扰等原因，因而很多情况下很难简单的确定褶皱的类型和产状，这就需要根据地层产状和分布规律来进行研究。一般来说，褶皱存在的最基本标志是新老地层对称重复出露。可以选择在地表露头、断裂面或其它工程施工挖开处进行观察，若发现地层有对称重复现象，就需要仔细研究是否有褶皱的存在。由于水平岩层和

24、倾斜岩层相切割在地表上有时也会形成新老岩层对称重复出露现象，因此必须结合岩层产状及地形起伏状况加以综合分析来区别，比较有效的办法是画几个不同方向的剖面图加以对比，一般就可以区分出是褶皱还是岩层切割。2.褶皱基本类型的确定对比褶皱核部和翼部岩层排列次序和新老关系，如果核部岩层较老，两翼岩层较新，则可确定为背斜；如果核部岩层较新而翼部岩层变老，则可确定为向斜。3.褶皱形态的识别在确定褶皱的基本类型之后，可根据两侧岩层的产状特征，进一步确定褶皱的形态。如果两翼岩层倾角相近而倾向相反，则其为直立褶皱；如两翼岩层倾向相反而倾角差别较大，则为斜歪褶皱；若两翼岩层朝同一方向倾斜或倾向相同，则应为倒转褶皱，其

25、倾向反转的一翼应为褶皱的倒转翼；平卧褶皱如果揭露不完全识别就会比较困难，需要充分了解其顶部和岩层的排列顺序后才能确定。因此，褶皱基本类型的确定如是背斜还是向斜，必须结合相邻褶皱的形态和类型综合分析确定。4.褶皱的平面展布状况在确定了褶皱的类型及形态之后，还应进一步了解褶皱的平面展布情况。如果褶皱两翼的岩层走向基本一致或平行，表明枢纽近于水平，应为水平褶皱；如果两翼岩层走向不同且两翼间的出露宽度沿轴向变宽或变窄，则应为倾斜（伏）褶皱，出露宽度变窄的端则为背斜的倾伏端，而出露宽度变宽的一端则为向斜的倾伏端。在研究地质构造形态的过程中，作图推测法是一种简单而又行之有效的方法，实践工作中经常用到。其基

26、本思路就是根据某一揭露面的信息画出草图，然后根据地质构造的基本理论和实践经验，推测在现有信息基础上可能出现的地质构造类型和形态，再根据其它信息确定或排除某一（些）可能，逐步确定地质构造的真实形态。如图4-16所示，在巷道掘进中，如果发现近似平行对称重复排列的地层，则可以推断为图4-16a或4-16b两种可能，一种是背斜，一种是向斜。这种情况下，就必须再根据其它信息来确定到底是哪一种。如果发现图4-16c所示的对称重复排列的地层，则可以推断为背斜。这里需要指出的是，最后一定要根据地层年代的新老顺序及其它信息综合分析进行确定。（a） （b） （c）图4-16 根据剖面地层排列推断褶皱类型（二）褶曲

27、内部小构造的观测研究在褶曲形成过程中，岩层受力变形会伴生或派生出许多次级小构造，如小褶皱、小断层、层面擦痕、劈理、层间破碎带等。这些小构造都有规律地发育于主褶曲的一定部位，与主褶曲存在一定的力学和几何关系，从不同侧面反映着主褶曲的某些特征。通过对褶曲内部小褶皱的观测，分析它们所反映的岩石物质的运动特征和应力应变分布情况，并结合褶曲的形态产状以及组成褶曲的岩层力学性质和岩层厚度变化等，有助于探讨褶皱成因机制和变形过程。1. 层面擦痕层面擦痕是岩层受力弯曲变形过程中岩层之间相对滑动、摩擦在层面上留下的痕迹。它可以发育在褶曲的两翼或转折端等处。当褶曲枢纽水平时，翼部的擦痕方向与枢纽（或岩层走向）近于

28、垂直；当枢纽倾斜时，擦痕方向则与枢纽斜交或近于平行。2. 小褶皱小褶皱亦称为拖拉褶皱。它是一种不对称的层间小褶皱，多发育于两层坚硬岩层之间的软岩层中，是在主褶曲形成过程中，由于上部岩层相对向上滑动，而下部岩层相对向下滑动所产生的力偶作用而形成的（图4-17 ）。主要发育于主褶曲的翼部，其轴线与主褶曲轴线近于平行；轴面与岩层面斜交，二者的锐夹角指向相邻岩层相对滑动方向。由此可见，相对向上滑动的是新岩层，向下滑动的是老岩层，新岩层的滑动方向常指向背斜的转折端，老岩层的滑动方向则常指向向斜的轴部。如果小褶曲轴面倾角大于岩层倾角，则岩层层序止常；如果小褶曲轴面倾角小于岩层倾角，则岩层倒转。根据上述规律

29、即可判定背斜和向斜的位置，恢复褶皱形态（图4-18）。图4-17 层间小褶皱示意图（图中箭头表示顺层滑动方向）图4-18 利用层间小褶皱确定主褶曲形态示意图 3.劈理岩石受力后，在最大剪切面方向产生的微细面密集的裂缝叫劈理。一般情况下，褶曲两翼的劈理面与褶曲轴面平行，或以轴面为对称面对称分布；劈理面与岩层面所夹锐角指向相邻岩层的运动方向。一般来说，向上滑动的是岩层的顶面，向下滑动的是岩层的底面。因此劈理与岩层向上的锐夹角指示相邻岩层向背斜顶部运动；若岩层倾向与劈理倾向相反或二者倾向相同但岩层倾角小于劈理倾角，则岩层层序正常。若二者倾向一致而岩层倾角大于劈理倾角时，则岩层层序应是倒转的。据此可判

30、定背斜和向斜的相应位置及某些形态特征，（三）褶皱的形成机制研究地质构造的形成机制，可以推断构造形成的环境、力的作用方式、周围岩层构造的分布特点及其相互关系，对生产具有预判和指导的作用，因此工作中应该加以重视。褶皱的形成一般都经历了长期而复杂的变形过程，受到多种因素的影响。根据观察和实验式的模拟实验研究，一般认为，褶皱的形成主要与力的作用方式、变形环境、岩石力学性质及岩层厚度等因素有关。在不同的条件和环境下，形成的褶皱的类型、形态、样式是不同的。根据褶皱的形成条件、褶皱类型及形态，可将褶皱的形成机制分为纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、剪切褶皱作用、柔流褶皱作用等。纵弯褶皱作用是水平状态的岩层受到侧向

31、的顺层挤压力的作用后发生弯曲而形成褶皱。纵弯褶皱作用是形成褶皱的主要力学作用形式。纵弯褶皱作用按变形方式又可分为弯滑褶皱和弯流褶皱作用。弯滑褶皱作用是指岩层在水平挤压力作用下，通过层间滑动而发生的弯曲变形（图4-19)，弯滑作用往往形成平行褶皱。弯流褶皱作用是指岩层发生弯曲变形时，不仅有层间滑动，而且还有显著的顺层物质流动。流动方向通常从挤压力较大的翼部流向挤压力小的转折端，塑性岩层在翼部变薄，在转折端加厚，容易形成顶厚褶皱（图4-20）。煤系地层在形成褶皱时，煤层容易产生塑性流动，形成顶部厚翼部薄的褶皱。由于纵弯褶皱作用容易在层间发生剪切滑动，因此在坚硬岩层的翼部可能见到旋转剪节理和同心节理

32、。图4-20 弯流褶皱作用形成顶厚褶皱图 4-19弯滑褶皱作用（a）弯曲前；（b）弯曲后横弯褶皱作用是岩层受到与层面垂直的作用力后发生弯曲而形成褶皱。这类褶皱主要是由于地壳的局部升降运动、基底断块的垂直运动、岩浆侵入顶托和盐岩的底辟作用形成的（图4-21）。横弯褶皱作用引起的弯流作用是使岩层物质从褶皱弯曲的顶部向翼部流动， 从而形成顶部岩层薄，翼部岩层相对厚的顶薄褶皱。 图4-21 横弯褶皱的几种模式(a）地壳局部升降；(b）基底断块的垂直运动；(c）岩浆侵入顶托； (d）岩盐底辟剪切褶皱作用是指岩层沿着一系列与岩层不平行的密集劈理面(破裂面)发生差异滑动而形成褶皱的作用（图4-22）。剪切褶

33、皱作用又称滑褶皱作用。在这种褶皱作用中原始的岩层面已经不起控制作用，而只是作为滑动结果的标志或参照系。在变质岩中劈理和片理特别发育，因此，剪切褶皱作用多发生在变质岩区。剪切褶皱作用所形成的褶皱并非岩层面发生了弯曲变形，而是层面沿密集的平行劈理或片理面发生差异滑动而显现出弯曲的外貌图4-22 剪切褶皱作用的作用模式图图4-23 膝褶作用形成的尖棱褶皱 柔流褶皱作用是指高韧性岩石(如岩盐、石膏、或煤层等)或者是岩石处于高温高压环境下变成高韧性体，受到外力的作用，发生类似粘稠的流体那样的流动变形，从而形成形态复杂多变的褶皱。膝褶作用主要发生在岩性较均一的脆性薄岩层或面理化岩石中，脆性薄岩层受到与层理

34、或面理近于平行的压力作用，使岩层发生层间滑动，同时又出现应力受限或应力集中，而使滑动面在轴面处发生急剧转折（类似人的膝关节）而形成尖棱褶皱（图4-23）。（四）褶皱形成时代的确定褶皱是构造运动的结果，所以褶皱形成时代与同期构造运动是相联系的。一般通过区域性角度不整合来确定褶皱形成的时间范围。原始水平岩层在构造应力的作用下发生弯曲，形成褶皱。然后由于地壳的上升运动，褶皱地层上升后遭受风化剥蚀，形成风化剥蚀面。若地壳重新下降，就会在风化剥蚀面上沉积新的水平岩层，这样就在新岩层面和褶皱剥蚀面之间形成角度不整合。由此可以推断，褶皱的形成时代是在不整合面下伏最新褶皱岩层形成之后，上覆最老岩层形成之前，即

35、用角度不整合的形成时代作为褶皱的形成时代。此外，还可以通过褶皱地层的岩性厚度分析或测定与褶皱相接触的岩浆岩体的同位素年龄来推断褶皱的形成时代。第三节 断裂构造岩层或岩体受力后发生塑性形变形成褶皱构造，当受应力达到或超过岩石的强度极限时，就会发生脆性形变，形成大小不一的破裂和错动，统称为断裂构造。断裂构造使岩石的连续完整性遭到破坏。根据断裂面两侧的岩块是否产生明显的相对位移，可将断裂构造分为节理和断层两种类型。一、节理断裂面两侧岩块没有明显相对位移的断裂构造称为节理，又叫裂隙。节理的破裂面称为节理面。节理面的产状有直立的、倾斜的或水平的，可以用走向、倾向和倾角进行描述。节理的规模大小不等，小者数

36、厘米，大者几十米甚至更长。节理构造是地壳上部岩石中发育最广的一种地质构造，常成群出现，表现为一定的组合规律，因此节理的研究在理论上和实践上都具有重要意义。一些矿区矿床中的矿体的形状、产状和分布与该区节理的性质、产状和分布有密切关系。节理与地下水和瓦斯的运移和储集有一定的关系。巷道施工之前也需要了解节理构造的规模、特点和分布状况。因此研究矿区的节理分布及其特性对煤炭开采具有重要意义。（一）节理的分类 1.节理的成因分类（1）原生节理 各类岩石在其最初形成过程中形成的节理，如沉积岩层面构造中的泥裂及煤层中的内生裂隙，侵入岩体因冷凝收缩形成的冷凝节理，玄武岩熔岩层中垂直于流面的六边形柱状节理等。（2

37、）次生节理 指岩层形成后在风化、重力、边坡卸荷、人为因素等作用下形成的节理。根据作用力的来源和作用性质不同，又可分为构造节理和非构造节理。构造节理 是由地壳构造运动使岩石产生破裂形成的节理。这种节理分布十分广泛，在各种煤、岩层中都能经常见到，且具有明显的规律性，与褶皱、断层等构造具有密切的成因联系和空间组合关系（图4-24）。非构造节理 指由外力地质作用或人为因素形成的节理。如风化、滑坡、崩塌，岩溶塌陷、冰川活动及人工爆破等所形成的节理。其中最常见和分布最为广泛的是风化节理。风化节理的特点是排列不规则，常发育于地表附近，随深度增加发育程度减弱，节理密度减小，到一定深度后即完全消失。图4-24

38、断层旁侧的节理l.羽状张节理；2、3. 羽状剪节理图4-25 节理的产状分类示意图1.走向节理；2.倾向节理；3、4.斜向节理 2.节理的产状分类根据节理产状与岩层产状的关系，可将节理分为四种（图4-25)： （1）走向节理 节理走向与岩层走向大致平行。（2）倾向节理 节理走向与岩层走向大致垂直。 （3）斜向节理 节理走向与岩层走向斜交。 （4）顺层节理 节理面与所在的岩层层面大致平行。 3.节理的力学性质分类根据节理的力学成因可把节理分为剪节理和张节理两种。图4-27 褶皱产生的张节理示意图l.纵张节理；2.横张节理12（1）剪节理 由剪切应力作用而形成，节理面与最大剪应力方向一致。典型的剪

39、节理往往组成由两组不同走向的剪节理构成的共轭“X”型节理系,这种节理系发育较好时,则将岩石切割成菱形或棋盘格状（图4-26）。如果一组方向的节理发育而另一组方向的节理不发育,则形成一组平行延伸的节理,岩石切割成板状。剪节理产状较稳定,平面上沿走向延伸较远,剖面上切割较深，发育于砾岩和砂岩中的剪节理, 一般都会穿切砾石和沙粒等粒状物体。节理的剪裂面较平直、光滑,有时在剪切面上有因剪切滑动产生的擦痕。剪节理广泛发育于褶皱岩层中。图4-26 剪节理将岩石切割成棋盘格状（2）张节理 张节理是由张应力作用而形成的，节理面大致垂直于最大张应力方向。这类节理可以大面积发育，也可以局部分布。区域性的张节理通常

40、是直立的或近于直立，规模较大；局部性张节理则分布于其它地质构造类型的一定部位，规模较小。与剪节理相比，张节理相对规模较小，剖面上切割浅，产状不稳定，延伸不远，分枝合并现象较为常见。张节理面一般粗糙不平，节理面上无擦痕。在砾岩和砂岩中发育的张节理，不穿切砾石和砂粒， 而是绕过砾石和砂粒弯折延伸。张节理往往呈开启张口状态, 可被岩脉、矿脉充填。如在褶曲核部坚硬岩层的转折端和枢纽急剧倾伏部位张应力集中，常常形成楔形张节理，这些张节理往往呈两组出现，一组与褶曲轴平行或近于平行，称为纵张节理；另一组与褶曲轴垂直或近于垂直，称之为横张节理（图4-27)。在断层附近，也会因力偶作用形成羽状张节理（图4-24

41、）。（二）节理的观测与研究研究节理，首先要在野外或井下进行直接观测和收集资料，在此基础上，再在室内进行资料的整理和综合分析，编制有关图件，分析、解决有关生产实际的问题。在野外或井下对节理进行现场观测时，要选择适当的构造部位，建立观测点，对节理发育状况及其特征参数进行详细的观测与记录。同时应详细观测节理面的光滑平整程度、擦痕发育情况、节理的张开与闭合程度、充填特征、节理长度、分布特征等。绘制相关草图，认真填写节理观测记录表（表4-1）。可以辅助进行拍照、录像等，便于室内整理和分析资料。表4-1 节理观测记录表观测点号及位置岩层岩性及产状节理产状节理密集程度节理面特征节理的形态特征及伴生构造特征所

42、在构造部位矿物现象及充填物备注现场观测记录完成后，根据观测的资料结合研究的目的和要求编制出相应的节理图件，简明、清晰地反映节理的发育状况规律，阐明节理与其它地质构造的关系，从而进一步分析、解决实际问题。二、断层断层是岩石受力发生破裂，断裂面两侧岩块存在明显的相对位移的断裂构造。断层在自然界里发育广泛，是岩石圈中最重要的地质构造类型。其规模变化很大，小的断层延伸仅有几米，相对位移不过几厘米；大的断层可延伸数百公里至数千公里，相对位移可达几十公里；有的大断层甚至跨越洲际，切穿地壳硅铝层，深至地慢岩石圈。断层的形成时代有早有晚，可以是一期也可以是多期地壳运动的产物，有些古断层已经趋于稳定，有些至今仍

43、在活动。它往往构成区域地质构架，控制区域地质结构及其演化，影响区域成矿作用和矿产资源的开发。对矿井生产、水利工程的影响更大，甚至还可能引发地震、滑坡等地质灾害。因此断层的研究具有重要的理论意义和实际意义。断层和节理同属断裂构造，就其力学成因而言，两者不存在本质差别，只是规模大小不同，而且断层往往是由节理发展而成。（一）断层要素断层要素是断层基本组成部分的总称，是用以描述断层空间形态特征的几何要素。主要包括断层面、断层线、交面线、断盘、断距等（图4-48）。1.断层面断层两侧岩块总是沿着一定的破裂面发生相对位移，这个破裂面称为断层面。断层面的空间位置由其走向、倾向和倾角确定。断层面往往不是一个简

44、单平直的面，而是在走向、倾向、倾角都会发生变化的曲面，或者形成一系列断裂面和次级破裂面组成的(断层) 破碎带，破碎带的宽度一般为数十厘米到数十米。图4-49 断煤交线示意图 (a）正断层；(b）逆断层 l-上盘断煤交线；2-下盘断煤交线；3-煤层底板等高线图4-48 断层要素示意图2.断盘断层面两侧沿断层面发生相对位移的岩块称为断盘。相对向上移动的岩块称为上升盘；相对向下移动的岩块称为下降盘。当断层面倾斜时，位于断层面土方的岩块称为上盘，位于断层两下方的岩块称为下盘；当断层面直立时，则无上、下盘之分，可根据断盘走向和两盘的相对位置关系命名，如东盘和西盘或北盘和南盘。3.断层线断层线是指断层面与

45、地面的交线，也就是断层面在地面上的出露线。通常用断层线来表示断层分布的平面位置，断层线的方向反映断层的延伸方向，其形状由断层产状和地形决定，可能是直线，也可能是曲线。4.交面线断层面与岩层面（一般取岩层底面）的交线称为交面线。煤炭开采中，习惯把断层面与煤层面的交线，称为断煤交线；断层面与上盘煤层面的交线，称为上盘断煤交线；断层面与下盘煤层面的交线称为下盘断煤交线（图4-49）。可以是两条直线或曲线，可以是平行或者交叉，也可以向一端撒开而向另一端收敛合并消失或向两端收敛消头。在煤层底板等高线图上，当断层上、下断煤交线之间是无煤带时，断层是正断层；当上、下断煤交线之间有煤层重叠时，断层是逆断层。5

46、.断距断层两盘对应(标志)层之间位移的距离称为断距。断距是反映断层规模大小的重要参数，也是煤炭开采中非常关注的一项参数，因为断距达到一定程度的断层会影响煤矿的开采设计和开采工艺。目前，地质界使用的断距的名称很多，内涵也尚不统一，这里只介绍几个常用的断距术语。在垂直于岩层走向的剖面上可测得的断距有：真断距：断层面上的某一点，随着上下盘的相对位移而分裂为两个点，这两个点之间的距离称为真断距，也叫总断距。但在实际工作中，测量真断距是很困难的。地层断距：指断层两盘上同一岩层面被错开的垂直距离（图4-50中的H0）。水平地层断距：指断层两盘上同一岩层面被错开的水平距离（图4-50中的Hf）。铅直地层断距

47、：指断层两盘上同一岩层面被错开的铅直距离（图4-50中的Hg）。在矿山开采中，为设计竖井和平巷的长度，还常常采用落差和平错这类断距术语落差：指垂直于断层走向的剖面上断层两盘同一煤层或岩层面对应点的标高差（图4-51中的ab）。平错：指垂直于断层走向的剖面上断层两盘同一煤层或岩层面对应点的水平距离（图4-51中的bc）。图4-50 断距示意图H0一地层断距；Hf水平地层断距；Hg一铅直地层断距图 4-51 落差、平错示意图ab一落差；bc一平错（二）断层分类断层的分类方案很多，这里仅介绍几种常用的分类方案。1.根据断层两盘相对位移的方向分类 （1）正断层（a） （b） （c）图4-52 断层位移

48、分类（a）正断层；（b）逆断层；（c）平移断层指上盘相对下降，下盘相对上升的断层（图4-52a)。一般认为正断层是岩层受到张力作用发生断裂形成的，其特点是断层线比较平直，断层面粗糙且倾角较大（一般大于45），断层中角砾岩胶结较松，棱角明显。（2）逆断层指断层上盘相对上升，下盘相对下降的断层（图4-52b）。一般认为逆断层是岩层受到水平挤压力作用而形成的。习惯上把断层面倾角大于45的逆断层称为逆冲断层；把断层面倾角在25 45之间的逆断层称为逆掩断层；把断层面倾角小于25 的逆断层称为辗掩断层。一般冲断层常在正断层发育区产出，并与其伴生；逆掩断层和辗掩断层的断层面多呈舒缓波状，附近常出现挤压、揉

49、皱现象，常与倒转褶皱、平卧褶皱等伴生，断层带中常形成大量压扁或圆化的构造角砾岩和岩粉，且定向排列。（3）平移断层指断层两盘沿断层面走向相对移动的断层（图4-52c），也称平推断层。规模巨大的平移断层称为走向滑动断层。平移断层一般断层面近于直立，断层线平直。一般认为它是岩层受水平扭动作用力的产物。这类断层在局部剖面上与正断层或逆断层很难区分，因此，在煤矿生产中，多将其作为正断层或逆断层。实际上，断层两盘相对位移并非只是简单的上下移动或水平移动，大多数断层兼有两种或两种以上不同的移动方式，为了比较确切地反映断层两盘相对位移的方向，常采用组合命名方法。即当断层两盘相对位移方向有主次之分时，则将主要相

50、对位移方向定为断层的主要名称，次要相对位移方向定为次要名称，次要名称在前，主要名称在后。如正平移断层、逆平移断层、平移正断层、平移逆断层等（图4-53），此类断层统称为斜移断层。（a） （b）图4-53 平移断层（a）正平移断层；（b）逆平移断层（a） （b） （c）图4-54 断层走向与和岩层走向关系分类图（a）走向断层；（b）倾向断层；（c）斜交断层2.根据断层走向和所切割岩层走向的关系分类（1）走向断层 断层走向与岩层走向基本一致（图4-54a)。（2）倾向断层 断层走向与岩层走向垂直或接近垂直（图4-54b）。（3）斜交断层 断层走间与岩层走向斜交（图4-54c）。（三）断层的组合型式

51、断层可以单独发育，很多的时候是多个断层同时发育，并以一定的形式排列组合在一起，形成断层的某种组合类型。自然界中，常见的断层组合类型有地堑、地垒、阶梯状构造和叠瓦状构造等。1. 地堑和地垒地堑 由两条以上正断层组成的走向大致平行，两侧断盘上升而中间断盘下降所形成的断层组合构造形态（图4-55a）。地垒 由两条以上正断层组成的走向大致平行，两侧断盘下降而中间断盘上升所形成的断层组合构造形态。（图4-55b）图4-55 地堑和地垒示意图(a）地堑；(b）地垒2.阶梯状构造图4-57 叠瓦状构造示意图由一组产状大致相同的正断层排列在一起，在剖面上看，上盘呈阶梯状向同一方向依次下降所形成的断层组合构造形

52、态（图4-56）。图4-56 阶梯状构造示意图3.叠瓦状构造由一组产状大致相同的正断层排列在一起，在剖面上看，上盘呈叠瓦状向同一方向依次上推所形成的断层组合构造形态（图4-57）。（四）断层形成机制断层形成从本质上讲是力学现象（即物体断裂问题），但它要比一般的力学问题复杂得多，涉及岩石的力学性质、岩层产状及构造运动、围岩状况、外界环境等。另外，岩块（岩样）的力学性质及实验室中力的作用方式与自然界中大的岩体的力学性质和力的作用方式都有很大的区别。因此，断层、褶皱等很多现象及其形成过程是在实验室中很难精确模拟的，只能根据力学理论作一些相应的力学分析。当岩石受力超过其强度极限(即应力差超过岩石抗压、

53、抗张或抗剪强度)时，岩石便开始破裂。破裂之初出现微(张)裂隙，微裂隙逐渐发展、相互联合串连成为一条明显的破裂面；再在剪切应力作用下产生相对的滑动而形成断层。随着应力的释放，达到相对稳定状态，一次断裂作用结束。根据自然界绝大多断层存在相互滑动这一特点，因此断层面可以认为是剪切面，它是岩体受力超过其抗剪强度，沿最大剪应力作用面产生的破裂面。如图4-58，设1为形成断层的最大主应力，2为中间主应力，3为最小主应力。水平从应力状态进行分析，形成断层的三轴应力状态中的一个主应力轴趋于垂直水平面，断层面是一对剪切面，最大压应力轴或最小张应力轴1与两剪切面的锐角平分线一致，最小压应力轴或最大张应力轴3与两剪

54、切面的钝角平分线一致，断层两盘垂直于中间主应力轴2方向滑动。不同断层类型的力学成因和特点是不同的。图4-58 形成断层的三种应力状态(a）顺断层；(b）逆断层；(c）平移断层1.正断层应力状态如图4-58a，最大主应力(1)直立，中间主应力(2)和最小主应力(3)水平，2与断层走向一致。断层沿最大剪切面发育。断层(剪切面)滑动方向为上盘顺断层倾向向下滑动。2.逆断层应力状态如图4-58b最小主应力(3)直立，中间主应力(2)和最大主应力(1)水平，2与断层走向一致。断层沿最大剪切面发育。断层(剪切面)滑动方向为上盘顺断层倾向向上滑动。3.平移断层应力状态如图4-58c中间主应力(2)直立，最大主应力(1)和最小主应力(3)水平，2与断层走向垂直。断层沿最大剪切面发育。断层(剪切面)滑动方向为两盘顺断层走向水平滑动。（五）断层的观察与研究断层研究尽管有不同的内容、方法和手段，但野外观测一直是断层研究的基础和主要方式。断层观测主要内容包括：断层的识别、断层要素的测