构造地质学讲义

1、绪论目的：使学生明确地质构造的概念、构造地质学的研究内容、方法和研究意义重点：对地质构造、原生构造、次生构造概念的理解难点：真正理解地质构造的含义内容：一、构造地质学研究的对象及内容构造地质学的研究对象是地壳中的各种地质构造现象1、地质构造分为原生构造和次生的构造。原生构造,是指沉积物或岩浆在成岩过程形成的构造,如沉积岩中的斜层理、波痕、泥裂等和岩浆岩中的流动构造、原生节理等。而次生构造,是指岩层或岩体形成之后,在力的作用下形成的构造,如褶皱、节理和断层等。构造地质学侧重于研究岩层或岩体在内动力地质作用下形成的次生构造。但是对原生构造也必须涉及,因为原生构造通常可以反映出次生构造形成时的地质背

2、景,某些原生构造又是识别次生构造的形态、产状及其变形特征的重要标志。2、地质构造的规模有大有小：大至岩石圈内部的结构和巨大构造单元,如造山带和盆地的形成和发展;小至岩石内部的组构特征,构造地质学主要研究中小型的地质构造,大地构造学和显微构造学将在后续课程中介绍。3、构造地质学主要的研究内容包括三个方面:(1)岩石圈内各种变形的几何形态、组合特征分布规律;(2)分析构造形成的地质构造背景、力学条件和运动学、动力学机制;(3)研究构造的形成序列及叠复演化的历史。二、构造地质学的研究方法和手段1、岩石圈内的各种地质构造是在漫长的地质历史过程中由构造运动形成的。目前,在野外见到的地质构造是构造运动作用

3、的结果,人们无法直接观察它们形成的过程,也很难在实验室中再造。因此,人们只能通过野外地质调查,研究岩石变形,分析构造力作用的方式,探讨变形过程特点及其反映构造运动的性质。构造地质学的这种研究方法称为“反序法”。2、野外地质调查和地质填图是研究地质构造的重要手段之一。地质构造是三维空间的地质实体,将野外观测到的各种地质现象用一定比例尺反映在平面图和剖面图上,这对于分析构造的几何形态是十分重要的。在地质制图过程中要充分利用航片、卫片及地球物理资料,不仅弥补了地表观察的局限,而且获取了深部构造的信息。3、变形模拟实验是构造研究重要手段,也是构造研究中进展比较显著的一个领域。透射电镜、电子计算机及高温

4、、高压设备的引入,构造模拟以从定性的物理模似到定量的数学模拟;从宏观的岩石矿物的实验到微观的模拟矿物变形实验;从常温、常压条件下的实验到高温、高压条件下的实验。这些模拟手段的更新不但使构造研究深入到超微观的晶体变形中,而且对不同层次构造的形成条件和形成机制提供科学的依据。4、在对野外观测、收集资料进行综合整理和变形模拟实验的基础上,要对地质构造进行全面的综合分析,以便取得对地质构造的几何学特征、变形史和变形机制方面的理论认识。把取得的理性认识,再应用到生产实践中,不断地修正、补充,进一步完善,从而达到对地质构造规律性认识的不断深化。三、构造地质学的研究意义构造地质学的研究意义,可以归纳为理论意

5、义和生产实践意义。1、 理论意义,主要通过野外地质调查收集地质构造资料,阐明地质构造空间分布特征的时间发展规律,探讨构造运动的动力起源问题。2、 实际意义在于运用地质构造的客观规律,解决矿产分布、水文地质、工程地质及地震地质等方面的有关问题。（1）实践证明,地壳中的矿产分布是受一定地质构造控制的,如内生金属矿床的形成与构造有密切关系。地质构造的存在,为矿液的运移和充填创造了有利条件。地质构造也是沉积矿产形成的重要条件,如石油和天然气矿田,除具备生油气地层外,还须一定的储油气的构造。一般有利储油气构造是背斜顶部,或是封闭良好的断层内。（2）地下水的运移和赋集与地质构造有着密切关系,地下水或地下热

6、水往往赋存在向斜构造或断裂带内。（3）工程建筑,要研究地基的稳定性,除分析岩石的力学性质外,地质构造是影响地基稳定性的主要因素。（4）地震是地壳现代活动的表现。地震发生的位置,往往是断裂带活动的部位。大地震多数发生在区域性断裂带内,属于构造地震。因此,进行地震预测,减少地震灾害,离不开对现今活动构造带的研究。第一章地质体的产状及接触关系目的：1、掌握各种地质体产状的描述及表示方法；2、掌握各种接触关系的特征及鉴别标志重点：1、线状构造和面状构造的表示方法；2、“V”字型法则；3、接触关系难点：“V”字型法则内容：第一节地质体及地质体的产状（略讲）一、地质体的概念地质体是指人们观察和研究的任何体

7、积的天然岩石体。地质体的规模有大有小，它可以是一个大型的大地构造单元，如大洋或大陆板块、复式褶皱山系、巨大岩基、岩盆等，也可以是具有填图尺度的一个具体的褶皱、断层、岩体。就地质体的成因而言，它可以是沉积岩层，还可以是岩浆岩体，甚至可以是经历了多次变形和变质作用的变质杂岩体。地质体在组成上和构造上应有一定的独特性，它们的边界具有一定的天然界面，这种区划天然地质体的界面，称为地质面。二、地质体的类型1、根据地质体的地质成因可将地质体划分为沉积的、岩浆的和变形变质的三种类型。前二者又称为原生地质体，后者是沉积的或岩浆的地质体经变形变质作用改造而成的，故称次生地质体。2、根据地质体的变形情况可将地质体

8、划分为变形地质体和未变形地质体两种类型。3、根据地质体的形状、内部结构和产状可将地质体划分为层状、块状和脉状三种类型。层状地质体一般又可划分原生成层构造和次生成层构造两类，前者是指原生沉积岩中的层理，后者是指次生的变质岩中的构造面理。块状地质体在地壳中多呈等轴状，如花岗岩体或变质混合杂岩等。脉状地质体总体形态呈板状，但其内部结构不具有层状地质体那样的成层性。根据以上地质体的分类原则，将地质体分类如下表(表1-1)。三、地质体的产状(一)面状构造的产状及表示方法1产状要素的概念面状构造的产状是用产状要素来表示的。产状要素包括走向、倾向和倾角。走向：某一倾斜构造面和任一水平面的交线称为走向线，走向

9、线所指的地理方位角，称为走向。倾向：在构造面上，沿倾斜面引出垂直走向线的直线，称倾斜线，倾斜线在水平面上的投影线向下倾斜一端的方位角，称为倾向。倾角：构造面上的倾斜线与其在水平面上投影线之间的夹角，称倾角或真倾角。2、视倾向的概念在倾斜的构造面上，斜交走向线所引的任一直线均为视倾斜线，其在水平面上投影线所指的倾斜方位，称视倾向或假倾向。视倾斜线与其水平投影线的夹角，称视倾角或假倾角。视倾角永远小于真倾角，二者的换算可由下列公式表示：tg=tg·cos式中：为视倾角，为真倾角，为倾斜面的倾向线和视倾向线之间的夹角。3、面状构造产状的表示方法面状构造产状的表示方法有数字法和图示法两种。数

10、字表示又有象限角和方位角两种表示。象限角表示：以北或南(0°)为准，记走向、倾角和倾斜象限，如N45°W,30°NE，即走向北偏西45°，倾角30°，向北东倾斜。方位角表示：只记倾向和倾角，如45°30°表示构造面的倾向是北东45，倾角是30°。用符号表示产状要素一般是在绘制地质图时表示面状构造的产状。不同性质的面状构造所采用的符号是不同的，今后在分析地质图时可逐步了解。(二)线状构造的产状及表示方法线状构造的产状要素一般用倾伏或侧伏来表示。倾伏产状是在直立面上测量的，它包括倾伏向和倾伏角两个要素：倾伏向是指构造线

11、在水平面上的投影线向下倾伏一端的方位。倾伏角是指构造线与其水平面上投影线之间的夹角。倾伏产状用数字表示，如20°,N30°W，是指倾伏向北偏西30°，倾伏角为20°。侧伏产状是线在所在的构造面上测量的，它包括侧伏向和侧伏角两个要素。侧伏向是指构造线与所在构造面走向线之间所夹锐角一端的方位。侧伏角是构造线和所在面走向所夹的锐角。侧伏产状用数字表示，如20°S，是指线在面上的侧伏角为20°，侧伏向南。第二节层状地质体的产状及其露头界线层状地质体是构成表层地壳的主要组成部分，而沉积岩又是层状地质体中成层构造发育最好、分布最广的地质体，因此，

12、我们以沉积岩为代表来讨论层状地质体的产状及露头界线。沉积岩层的产状有水平、直立和倾斜的三种。一、水平岩层(一)岩层原始产状沉积岩层和火山岩层，由于发育不同程度的层理构造，可以反应沉积物在沉积过程中的构造环境。把那些还保持着沉积作用时形成的岩层产状叫原始产状。原始产状多呈水平或近水平的，只有在沉积盆地边缘、岛屿周围、水下隆起或火山锥附近等局部地区，才会出现原始倾斜产状。(二)水平岩层的特征一般把岩层倾角小于5°左右的岩层认为是水平岩层。在岩层没有发生倒转的前题下，水平岩层具有如下特征：1、地质时代较新的岩层位于较老岩层之上。因此，在地形被切割轻微时，地表只出露最新岩层。在地形被切割较深

13、的地区，由山谷至山顶，岩层由老到新依次排列。2、水平岩层的地质界线随着地形等高线的弯曲而弯曲。水平岩层的地质界线与地形等高线平行或重合。3、水平岩层的厚度等于岩层顶面和底面的标高差。4、水平岩层上、下层面出露界线之间的水平距离(露头宽度)的变化受岩层厚度和地面坡度的影响。如果岩层的厚度一致，地形缓则露头宽度大，地形陡则露头宽度就窄小。二、倾斜岩层一个地区，在地壳运动的影响下，水平岩层的产状可发生改变，形成和水平面有一定交角并朝一个方向倾斜的岩层，称倾斜岩层。倾斜岩层是经变形后最简单而最常见的变动踪迹。但更多的不是单独的构造形态，往往是某种构造形态的一部分，例如褶皱的一个翼、断层的一盘、岩层受地

14、壳差异升降运动的影响以及岩浆活动引起上覆岩层倾斜等。倾斜岩层的产状可用面状构造的产状要素表示。(一)倾斜岩层的厚度及埋藏深度1、岩层的厚度岩层的顶面和底面的垂直距离即为岩层的厚度，也是岩层的真厚度。除岩层的真厚度外，还有铅直厚度和视厚度。岩层的铅直厚度是指顶面和底面的铅直距离。真厚度(h)=铅直厚度(H)·cos。当=0°时，真厚度和铅直厚度相等，即为水平岩层。当>0°时，真厚度永远小于铅真厚度。如果岩层的产状不变，在任何剖面上的铅直厚度都是相等的。视厚度是指在不垂直岩层走向的任意剖面上，岩层顶面迹线和底面迹线之间的垂直距离。视厚度(h)=铅直厚度(H)&#

15、183;cos。由于视倾角永远小于真倾角，所以真厚度总是小于视厚度。2、岩层的埋藏深度岩层的埋藏深度是指从地表的某一点到埋深在地下的某一岩层的铅直距离。已知A、B两点的标高和两点间的水平距离及岩层倾角，就可求得A点到地下的某岩层的埋深。根据岩层已知点到所测埋深点的距离、两点高差及岩层产状，可以在地形地质图上求得岩层的埋深。(二)倾斜岩层的露头界线1、倾斜岩层的露头宽度在垂直岩层走向的剖面上，岩层出露地表的水平投影宽度，叫做露头宽度。倾角相同、坡角一致，露头宽度取决于岩层厚度，岩层厚则宽，岩层薄则窄如果岩层的倾角和地面的坡度角一定，岩层的露头宽度与其厚度有关，岩层的厚度愈大，露头宽度也大，反之，

16、厚度小(图1-9)。如果岩层的厚度和岩层的倾角一定，岩层的露头宽度取决于地面坡度角和岩层的倾向与地面坡向的关系。当岩层的倾向与地面坡向相反时，地面坡度角越缓，露头宽度越大，反之，则越小)。当岩层的倾向与地面坡向相同时，地面坡度角越接近岩层的倾角，露头宽度越大，反之，则越小。如果岩层的厚度和地面坡度角一定，岩层的露头宽度取于岩层倾角的大小，以及地面坡向和岩层倾向之间的关系。当岩层的倾向与地面坡向相反时，岩层的层面与地面的夹角越小，露头宽度越大，直交时，露头宽度最小。当岩层的倾向与地面坡向相同时，岩层的倾角越接近地面坡度角，露头宽度越大，反之，则越小。2、倾斜岩层的露头界线(“V”字型法则)岩层的

17、露头界线是指岩层露头在空间上的分布形态。岩层的露头分布形态受岩层的产状和地形两者关系的影响，也就是倾斜岩层地质界线与地形等高线相交处展现“V”字形，故又称“V”字形法则。根据倾斜岩层的产状与地形的关系所表现出的岩层界线与地形等高线弯曲情况，有如下几种型式：（1）当岩层的倾向与地面的坡向相反时，岩层的界线与地形等高线的弯曲方向相同，即“相反相同”，但是岩层界线弯曲的曲率比地形等高线的弯曲曲率要小。岩层界线表现出的“V”字形尖端在沟谷处指向上坡，而在山梁处则指向下坡。（2）当岩层的倾向与地面的坡向相同而岩层的倾角大于地面坡度角时，岩层的露头界线与地形等高线呈相反方向弯曲，即“相同相反”。岩层界线表

18、现出的“V”字形尖端在沟谷中指向下坡，而在山梁处则指向上坡；（3）当岩层的倾向与地面的坡向相同而岩层倾角小于地面坡度角时，岩层界线与地形等高线的弯曲方向相同，即“相同相同”，岩层界线弯曲的曲率大于地形等高线的弯曲曲率。岩层界线表现的“V”字形尖端在沟谷处指向上坡，在山梁处指向下坡。3、倾斜岩层的特征倾斜岩层在野外的出露情况和地形地质图上可表现如下特征：(1)倾斜岩层在野外和地形地质图上呈条带状分布，切割地形等高线。(2)在没有发生倒转的前提下，顺着岩层的倾向，岩层的时代由老到新排列。(3)横穿沟谷的岩层倾角越大，岩层的条带越接近直线状，若岩层的倾角越小，则岩层越弯曲。第三节岩层岩体的接触关系岩

19、层的接触关系可划分为整合接触、平行不整合接触和角度不整合接触；岩体和围岩的接触关系可划分侵入接触关系和沉积接触关系。一、岩层的接触关系(一)整合接触关系及其特征当某一地区在某一地质历史时期内是处于连续沉降的地壳运动作用下，或虽处于上升，但未超过水下侵蚀基准面，或地壳升降与沉积作用处于相对平衡时，这个地区的沉积作用是连续进行的，这种环境下形成的地层接触关系为整合接触。整合接触整合接触关系有如下特征：1、 岩层层面相互平行排列；2、 上、下岩层的时代是连续的；3、 在海相沉积中，上、下岩层的岩性往往是递变的，例如华北地区的寒武系及奥陶系地层，均以灰岩为主的连续沉积，两者间为整合接触关系。(二)假整

20、合(平行不整合)接触关系及其特点若两套地层外表虽呈平行排列，貌似整合，但实际上两者并不是在同一环境下连续沉积的，它们之间显示一个较长时期的沉积间断，这种地层之间的接触关系称为假整合接触关系。假整合形成过程可简单表示为：下降接受沉积上升遭受剥蚀再下降接受新的沉积。假整合接触关系有如下特征：1、 假整合面上、下两套岩层的产状，在大范围内彼此平行排列；2、 缺失部分地层有两种情况，其一是缺失地层根本就没有沉积，其二是缺失的地层沉积了，后经地壳上升被剥蚀掉了；3、 不整合面上、下地层之间有古生物间断；4、 在不整合面之上地层的底部常存在有由下部老地层成分组成的底砾岩；5、在起伏不5、 平的风化壳上，往

21、往有特殊的风化残余矿产。我国华北地台奥陶系与中石炭系之间是一个典型的假整合接触关系。(三)角度不整合接触关系及其特征角度不整合接触关系简称不整合，又叫斜交不整合。一组较新地层呈角度接触覆盖在不同时代较老地层之上，它们之间有明显的古风化剥蚀面，这种地层接触关系称角度不整合。角度不整合可简单表示为：沉积盆地下降接受沉积在地壳运动的影响下发生褶皱、断裂，往往有岩浆作用和变质作用相伴生，同时隆起上升遭受风化剥蚀再下降接受新的沉积。角度不整合有如下特征：1、 不整合面上、下新老岩层之间的产状明显不同，两者呈角度接触；2、 不整合面上、下新老岩层之间缺失某一时代的地层，存在明显的沉积间断；3、 在不整合面

22、上常发育有底砾岩和古风化残余矿产，如褐铁矿、铝土矿和磷矿等；4、 由于长期的沉积间断，不整合面上、下新老岩层的沉积条件发生变化，造成两套地层的岩性和岩相明显差异；5、 不整合面以下的老岩层的变形要比上覆的年轻地层相对强烈复杂，两套岩层中的岩浆活动和变质作用往往明显不同。我国华北地台的震旦系与前震旦的变质岩系之间存在一个明显的不整合面，这是前震旦纪末期吕梁运动造成的结果。(四)岩层接触关系的研究1、不整合的研究意义（1）通过岩层的接触关系的研究，不但能反映出地壳运动的性质、发生时期，而且对研究地质发展历史具有重要的意义。（2）岩层接触关系是划分地层单位的依据，也是地质填图的重要地质界线。对不整合

23、面的研究，可了解一个地区古地理和古构造环境。（3）由于不整合面是构造上的薄弱带，岩浆及其含矿溶液沿此带可形成一些内生矿床；同时，在不整合面上有古风化壳的存在，因此，还常有铁、磷、锰、铝土矿等外生矿床。同时，不整合也是地下水、石油和天然气赋集和储存的良好构造部位。2、岩层接触关系的研究方法(1)不整合的鉴定标志根据地层之间不整合的特点，鉴定不整合的存在可有如下标志：上、下两套岩层中所含的古生物化石反映出古生物的演化不是连续的或古生物群截然突变的，说明可能存在不整合；两套地层之间如果存在古剥蚀面、古土壤层、风化剥蚀矿产、底砾岩等，说明下覆地层曾在上覆地层沉积之前隆起，遭受风化剥蚀；如果上、下两套地

24、层的变形出现明显差异，如岩层的产状不同、构造线不同，褶皱样式和变形强度各异，而且下伏地层中的断层被上覆地层截切，说明可能存在角度不整合；如果上、下两套岩层在岩浆作用和变质作用方面有明显差异，以及与岩浆作用和变质作用有关的内生矿产方面的差异，也可确定不整合存在。(2)确定平行不整合和角度不整合的形成时期不整合的形成时期通常相当于不整合接触的上、下两套地层之间缺失的那部分地层的时代。一般以下伏地层最年轻的地层的时代做为下限；上覆地层最老地层沉积之前做为上限。当缺失地层较少时，确定不整合形成的时代较为准确；若上、下两套地层的时代间隔很大，不整合的形成时代的准确判定就有一定困难。要正确地鉴定不整合所代

25、表的地壳运动的时期，还必须进行区域地层对比和区域地质构造发展史的综合研究，以便确定地层是“缺”(即当时就没有沉积)，还是“失”(即原有的地层被剥蚀掉了)。(3)研究不整合的空间展布及其变化由于不同地区构造运动的强度和性质的变化，往往不整合在不同地段的表现也不同，所以，不整合在空间上常常是变化的。在较大的范围内,有时会由一个地段的角度不整合接触过渡到平行不整合，甚至是整合接触。二、岩体与围岩的接触关系岩体与围岩的接触关系分两种类型：一是侵入接触关系；二是沉积接触关系。侵入接触关系表明侵入事件发生时代晚于围岩的形成时代；沉积接触关系表明侵入事件发生时代早于围岩的形成时代。(一)侵入接触关系岩浆侵入

26、到围岩之中，岩体和围岩的关系称为侵入接触关系。在侵入接触关系中，在接触面以内岩体的边缘部分称为内接触带；接触面以外的围岩部分称为外接触带。侵入接触关系主要表现在内、外接触带上。其特征是：(1)岩体穿切围岩；沿内接触带可见有冷凝边，外接触带可见有烘烤边和接触变质带或矿化蚀变现象；(2)岩体内往往有围岩的碎块落入捕虏体；(3)与侵入体有关的岩墙和岩脉插入到围岩中。(二)沉积接触关系岩体形成后经地壳运动出露地表，再经风化剥蚀作用后，又被新的沉积物所覆盖，这种接触关系称沉积接触关系。其特点是：1、 岩体与上覆围岩的接触带没有冷凝边、烘烤边和接触变质或矿化蚀变现象；2、 岩体内的定向排列的原生构造或岩脉

27、、矿脉被截切；3、 在岩体顶部有风化剥蚀面和古风化壳，同时，在上覆岩层的底部含有岩体成分的碎屑和砾石。其它特征与角度不整合关系相似。根据岩体与围岩的接触关系可确定岩体形成的相对时代。岩体侵入的最新地层时代为岩体形成的下限；而上覆岩层的最老地层时代为岩体形成的上限。第二章沉积岩和火山岩的原生构造目的：掌握火山岩和沉积岩的原生构造的特点重点：利用原生构造确定岩层的层序难点：确定岩层新老关系的方法及构造意义内容：由成岩过程中所形成的构造称为原生构造。原生构造是在一定构造环境下形成的，并且与变形构造（次生构造）有着内在的联系。原生构造是确定岩石变形和恢复构造形态的重要标志。因此，研究原生构造是构造地质

28、学的重要内容之一。第一节 沉积岩层的原生构造一、层理构造及其识别沉积岩层是指被两个平行或近于平行的界面所限定的同一岩性的层状地质体。限定同一岩性层状地质体的界面叫岩层面。层面可分上层面(顶面)和下层面(底面)，它们反映出岩层由老到新的顺序。两个岩层的接触面即是下伏岩层的顶面，又是上覆岩层的底面,每个岩层代表了一种相对稳定的沉积条件和构造环境。层理是沉积岩中最普遍的原生构造，是由岩层内部的成分、粒度、结构、胶结物和颜色等特征在垂直层面的方向上的突变或渐变所显示出来的一种成层性。根据层理的形态及其结构，将其分为平行层理、波状层理、斜层理和交错斜层理等。层理的识别可根据岩石成分、结构、颜色的变化以及

29、层面的原生构造等。在地壳运动的影响下，原始沉积岩层可发生变形和变位，有些岩层虽然发生倾斜，但仍然保持沉积岩层的正常层序，也有些岩层则层序发生倒转，如褶皱倒转翼或断层的一盘都可以使正常层序发生变化,因此，在研究地质构造时就应首先搞清岩层的层序。确定岩层层序最主要的方法是根据岩层中含有的古生物化石来确定岩层的形成时代,但在缺少古生物化石的岩层，可利用沉积岩层的原生构造和变形后产生的次生构造来确定岩层层序。有关利用次生构造确定岩层层序的方法将在以后有关章节中述及,本节只介绍一些利用沉积岩的原生构造确定层序的方法。1、斜层理它是沉积岩层的细层与层系界面相交而表现出来的层理构造。斜层理在水成和风成的碎屑

30、沉积中都可以形成。斜层理表现形式较多，如单向斜层理和交错斜层理等。可利用细层上部与层系界面相交、下部收敛变缓而与层系界面相切来鉴别岩层的顶、底面。2、粒级层理粒级层理又叫递变层理，是碎屑物在沉积过程中由于流体动力的逐渐减弱而成的一种沉积结构。其特征是在一个单层中，由底面到顶面粒度由粗到细。在自然界中，还可以出现少数反向粒级层理，即在一个单层内，由底到顶碎屑颗粒逐渐变粗，这是由于古水动力逐渐加强等原因造成的，与正向粒级层理的区别在于它的顶界是逐渐过渡的3、波痕波痕有两种类型：一种是流动波痕；另一种是浪成波痕。流动波痕在剖面上表现为不对称的波形曲线,浪成波痕是对称型的。波痕是由波峰和波谷组成的,浪

31、成波痕的波峰和波谷有如下特点：(1)波峰一般呈尖棱状，波谷呈园弧状；(2)波峰的碎屑颗粒的粒度较粗、重矿物的含量相对较高，而波谷颗粒的粒度相对较细、重矿物的含量相对较低。不论是岩层的顶面的波痕原型或是底面的铸型，其波峰尖端指向岩层顶面，波谷的圆弧凸向底面。4、泥裂泥裂又叫干裂,是未固结的沉积物露出水面后，经曝晒干固时收缩形成的与层面大致垂直的楔形裂隙。泥裂多分布于粘土岩、泥质粉砂岩、泥灰岩等细粒的沉积岩中。泥裂在层面上呈多边形不规则状，在剖面上呈上宽下窄的“V”形。泥裂向下变窄的尖端指向岩层的底面，开口端指向顶面。5、雨痕、冰雹印痕雨痕和冰雹印痕是较少见的层面构造。这种印痕是雨点或冰雹落在松软

32、的泥质沉积物上，冲击出近圆形的凹坑，后被沉积物充填并呈半圆形的突起。根据雨痕和雹痕印痕所保存下来的凹坑和半圆形的凸起确定岩层的底面和顶面。6、冲刷印痕这种原生构造是指在泥质岩石的顶面，由于水流的冲刷，使层面产生各种形状的凹槽，这种凹槽又印在上覆岩层的底面，形成舌状、带状凸起,凸起所在的面为上覆岩层的底面，凹槽所在的面为下伏岩层的顶面。7、生物化石标志古生物的生长状态及死亡后被保存在岩石中具有一定的规律。例如叠层石，无论是柱状、分枝状或锥状体，它们都是由一些圆锥形或圆拱形的薄层-基本层叠置而成的。这种层在纵断面上呈锥形或圆拱形，在横剖面上呈圆形或椭圆形。基本层的锥形或圆拱形向上指向岩层的顶面。瓣

33、鳃类和腕足类化石的外壳，在古水流的作用下造成凸出外壳朝上状态，这种状态在水流中最稳定。可以根据凸形外壳朝上为顶面的这种规律判定岩层的顶面和底面。8、软沉积变形软沉积变形是指在未固结的沉积层中发生的变形。软沉积变形的原因较复杂，一般认为是在重力失稳和孔隙液压等因素控制下产生的。这种变形的种类较多，常用于确定岩层顶、底面的是褶皱和断层。当松散沉积物在斜坡上重力失稳时，就会产生向下滑动，并形成褶皱和断层，这种变形又被水流冲刷剥蚀所切割，以后的沉积物又覆盖其上，形成截顶现象,变形被截顶的一面代表下伏岩层的顶面，向下变形逐渐变弱的一面为底面。软沉积变形已成为构造地质学家关注的课题之一。其中问题之一是如何

34、鉴别软沉积变形。下面提供几点鉴别和分析软沉积变形的方法：(1)软沉积变形常局限于一定层位或一定岩层中，如果整套岩系变形轻微，更说明个别层的变形是软沉积变形的结果；(2)软沉积变形常局限于一定地段，如沉积盆地边缘，大陆隆起的边缘等；(3)由于软沉积变形主要是重力作用的结果，一般不显示区域构造力造成的定向性。所以，在研究软沉积变形中，应把沉积作用、沉积环境与构造变形结合起来综合分析，才能得出正确的结论。第二节火山岩的原生构造从岩浆喷出地表到岩浆冷凝成岩所形成的各种构造叫火山岩的原生构造。火山岩的原生构造是识别火山岩层顶、底面，确定火山岩层层序的重要地质依据。一、火山岩的原生流动构造1、流线和流面流

35、面是熔岩在流动过程中片状、板状矿物以及扁平状火山岩屑定向平行排列而形成的,流面大致与火山熔岩流底面平行。流线是熔岩在流动过程中，针状、柱状矿物及长条状火山碎屑定向平行排列形成的,它可以指示熔岩流相对流动的方向。2、流纹构造流纹构造是由于熔浆流动形成的,它是由不同颜色的条带或矿物以及拉长的气孔等呈平行排列的一种构造。流纹构造可以指示熔岩流动面的产状，它主要发育在流纹岩以及其它酸性或碱性火山熔岩中。3、绳状构造熔岩流的表面迅速冷凝的外壳受其下流动着的熔岩流的影响而形成的绳状卷曲构造叫绳状构造,它代表了熔岩层的顶面。4、气孔构造和杏仁构造当岩浆从火山口溢出时，由于温度和压力降低，其中所含气体向外逃逸

36、，冷凝后没有逃逸的气体保存在火山岩中，形成蝌蚪状、云彩状、管状和不规则状孔洞，叫气孔构造。当气孔被其它矿物充填时，则称为杏仁构造。气孔构造在浮岩、玄武岩中最为多见,它相对集中分布于各层熔岩的顶部和底部，并大致平行于熔岩层面。二、火山岩的原生破裂构造熔岩流在冷凝收缩过程中形成垂直于熔岩流表面的破裂构造，并把熔岩分割成多边形柱状体称为柱状节理。柱状节理常见于玄武岩、安山玄武岩中，还可以发育在火山凝灰岩中，甚至在超浅成岩体中也可以见到。近年来，由于对火山岩柱状节理的深入研究，一些学者认为，单纯冷缩很难形成数米至十余米长的节理。康瑟(L H Kantha,1981)提出，高度规则的玄武岩柱状节理是熔浆

37、在冷凝期间双扩散对流作用引起的。火山岩的破裂构造还发育有横节理、纵节理和层节理，在火山岩体的前缘部位发育有放射状节理和前缘扇形节理。三、利用火山岩的原生构造确定火山岩层的顶、底面在某一构造运动时期内，同一次或相同方式的几次火山作用旋回所形成的一套成分有规律变化、厚度较大的火山岩层和相关的火山碎屑岩层总称为火山岩系。火山岩层是火山岩系的基本单位，它代表了火山岩喷发的一次间歇。划分火山岩层并确定其顶面和底面可利用火山岩的原生构造来鉴定。1、气孔构造和杏仁构造的分布变化熔岩顶部的气孔和杏仁构造大而多，呈不规则的云朵状；底部则少而小。如果是管状气孔，其分枝指示底面。2、熔岩玻璃和熔岩渣的存在中酸性岩浆

38、喷到地表急剧冷凝形成外壳为玻璃质；岩浆中含大量挥发性气体，在熔岩表壳急速逸出，形成表层粗糙的熔渣壳。玻璃质壳和熔渣壳指示火山岩层顶面。3、熔岩层氧化壳和还原边的存在岩浆溢出地表与空气直接接触，熔岩表面含铁物质被氧化成红色晕膜(红顶)或氧化壳；熔岩底面则处于还原条件，形成暗绿色底边(绿底)。4、熔岩流使下部岩石烘烤或变质烘热的岩浆与下部围岩接触，使受到烘烤的围岩发生褪色现象或出现接触变质现象，以此可确定熔岩层的顶、底面。5、利用火山岩层中的特征结构和构造的存在火山岩层的结构的变化，一般下面粗上面细，即集块岩火山角砾岩火山凝灰岩；利用枕状构造顶面上凸，底面平坦的特点以及绳状构造现象等确定火山岩层的

39、顶面和底面。6、利用喷发间歇阶段形成的风化壳的存在如果两次火山喷发间隔时间较长，则可造成第一次喷发的熔岩层表面被风化剥蚀，形成风化剥蚀面,风化剥蚀面为下伏岩层的顶面。第三章地质构造分析的力学基础目的：使学生掌握地质构造分析的基本力学原理重点：应力与变形的关系难点：应力分析内容：次生地质构造是在力的作用下组成地壳的岩层或岩体发生的变形。研究地质构造,除了观察和描述地质构造的几何特征外,还必须探讨地质构造的形成过程和形成机制。这必然涉及到变形体的力学问题。这里仅介绍与构造分析有关的力学基础及简单的应力和应变分析。第一节应力和应力状态一、外力、内力和应力力是物体间的相互作用,其结果使物体发生运动状态

40、的改变。力是矢量,基本要素是大小、方向和作用点。在力的图示中用带箭头的线段代表力:线段的长度按一定比例尺表示力的大小;线段一端的箭头表示力的作用方向;线段的一个端点表示力的作用点。对一个具体物体来说,力又可以分为内力和外力。外力是指其它物体作用于所研究的物体上的力。外力又可进一步分为面力和体力。面力是指作用在物体表面上的力,如围岩的压力,流体压力,风力及固体间接触面的作用力。体力是分布在物体内各质点上的力,如重力,惯性力和电磁力等。内力是物体内质点间的相互作用力。内力又可分为固有内力和附加内力。固有内力是指没有外力作用时物体内质点间的相互作用力,正是固有内力使物体保持其形状和特有的力学性质。附

41、加内力是在外力的作用下固有内力的改变量。显然,附加内力引起物体变形。因此固体力学中所说的内力就是指附加内力。内力和外力是相对的,它视研究尺度不同而有所不同。例如,地心引力对地壳而言是外力但对整个地球而言则是内力。在外力作用下,岩块内将产生内力。为确定岩块内某一截面上的内力,通常用截面法。设岩块在若干外力作用下处于平衡状态,沿M-N截面将物体分为A、B两部分。取A部分为分离体。若使A部分保持平衡,截面M-N上必有连续分布的内力与A部分的外力构成平衡力系,这些作用于A部分M-N截面上的内力实际上是B部分对A部分的作用力,其合力称为M-N截面上的内力。为确定内力在M-N截面上的分布,在截面M-N上O

42、点附近取一微小面积A,在面积A上作用内力P,则:Pm=p/A称为该面积上的平均应力。显然,平均应力Pm并不能真正反映P在A上的真正分布状态,其近似程度与A的大小有关。为求得应力在O点附近的真正分布状态,将A取极限值,则:P=limp/A=dp/dAAO称为截面M-N上点O处的全应力。根据力的分解法则,可将全应力P分解为垂直M-N截面的应力正应力和平行M-N截面的应力剪应力。通常正应力用表示,剪应力用表示。根据力的合成原理,则有:P2=2+2应力的单位是：力/(长度)2,通常用牛顿/米2(N/m2)表示,称帕斯卡(Pasca)或简称帕(Pa)。正应力可使岩石受到压缩,称压应力,用正值表示(0);

43、也可以使岩石受到拉伸,称张应力,用负值表示0。固体力学和部分构造地质学教科书中,正应力的符号规定与此相反。剪应力有使岩石发生剪切滑移的趋势。使岩石有顺钟向剪切滑动趋势的剪应力为负值(0),反之为正值(0)。二、应力状态通过受力岩块中一点P可截取无数个不同方位的截面,每个截面上正应力()和剪应力()的大小和方向均不相同。为了分析过P点不同截面上应力的大小和方向,以P点为几何中心截取一微分六面体称为单元体,六面体的各棱边分别平行直角坐标系的坐标轴,边长分别为dx、dy和dz。每一面上的应力可分为一个正应力和两个剪应力。正应力用和一个脚标表示,如x表示该正应力作用在垂直x轴平面上并平行x轴,同理,y

44、和z表示作用在垂直y轴和z轴平面上并平行该坐标轴的正应力。剪应力用和两个脚标表示,第一个脚标代表所在平面所垂直的坐标轴,第二个脚标代表该剪应力所平行的坐标轴。如xy表示作用于垂直x轴平面上并平行y轴的剪应力。剪应力共有六个,即xy、yx、xz、zx、yz和zy。因此在微分六面体上共作用有九个应力分量:x、y、z、xy、yx、xz、zx、zy、yz。根据静力学力的平衡条件,六个剪应力分量有下述关系:-xy=yx；-xz=zx;-yz=zy即互相垂直平面上作用的相互垂直的一对剪应力大小相等,符号相反,称为剪应力互等定律。因此九个应力分量可简化为六个:x、y、z、xy、xz、yz。若一点的六个应力分

45、量已知,通过该点的任何截面上的应力均可求得,所以这六个应力分量可确定该点的应力状态。事实上,以P点为几何中心可截取无数个微分六面体,每个微分六面体的表面均作用有正应力和剪应力。但总可找出这样一个微分六面体:该六面体的六个面上只作用有正应力而没有剪应力。单元体上剪应力为零的平面称为主平面,主平面上作用的正应力称为主应力,主应力的方向线叫主应力轴。因此,这个微分六面体将有三个主应力,1、2和3,并规定123,分别称为最大主应力、中间主应力和最小主应力。最大主应力与最小主应力之差(1-3)称为应力差,应力差越大,变形越强烈。如果P点主应力的大小和方向已知,可求得过P点任意截面上的正应力和剪应力。所以

46、三个主应力可确定一点的应力状态。根据三个主应力,可将点的应力状态分成三种类型:单轴应力状态:一个主应力(1或3)不为零,另外两个主应力为零。双轴应力状态：两个主应力不为零,另外一个主应力为零。三轴应力状态:三个主应力均不为零。三、应力椭球体根据P点主应力的大小和方向,按一定比例可以作一个三轴椭球体。椭球体的长轴、中间轴和短轴分别平行1、2和3,并与1、2和3值成比例。该椭球称为应力椭球。P点位于椭球体的几何中心,因此应力椭球可以直观地表示一点的应力状态。应力椭球的三个轴即为主应力轴。根据任意两个主应力轴可以确定一个椭圆,称为应力椭圆。三个主应力轴以不同方式组合可确定三个应力椭圆。地质上许多三维

47、问题可简化为二维问题,这时应力椭圆是实用的。第二节应力分析一、二维应力分析尽管构造地质学研究的对象是三维的,但在有特殊边界形状及特殊分布力的情况下,许多三维问题可简化为二维问题进行分析。例如,如果褶皱构造所有横截面的形态保持不变,则可以认为外力沿褶皱枢纽方向分布是处处相同的,因此可以将某一横截面上应力分析结果推广到任一横截面,从而将三维应力分析简化为二维问题。在二维应力分析中,多将所分析的平面作为x-y面。(一) 单轴应力状态分析1、单轴应力状态解析在受单向拉伸或压缩的地质体中取一微分单元体,厚度取一个单位。该单元体x面（垂直X轴的面）上作用1,该面剪应力为零,y面（垂直Y轴的面）上正应力和剪

48、应力均为零。为求任意截面上的正应力和剪应力,在单元体上截取一平面AB,AB外法线n与1夹角为。一般规定,从1轴到截面法线按顺时针方向量取角为负值,逆时针方向为正值。将AB左侧作为分离体。在三角形AOB中,AO面上作用1,AB面上作用正应力和剪应力。设AB的面积为a,则AO面积为a·cos,AO面上的内力P=1·a·cos,根据平衡条件,AB面上必有大小相等方向相反的内力P,而P=P=1·a·cos。将P分解成垂直AB面的内力N和平行AB面的内力T,显然,N=·a,T=·a。根据力的分解法则可作出内力三角形。在内力三角形中:c

49、os=a·/1·a·cos=1cos2=1/2*(1+cos2)sin=a·/1·a·cos=1·sin·cos=1/2*sin2上式表达了单轴应力状态下外法线与主应力轴夹角的截面上正应力和剪应力与1的关系。从式中可以得出如下结论：(1)正应力值的变化令一阶导数为0,求得的极值。=-1sin2=0解得:1=0°；2=90°当=0°时,截面垂直1,cos2=1,=1取极大值。当=90°时,截面平行1,cos2=-1,=0取得极小值。当0°90°时,cos21

50、,1。因此,在与1垂直的截面上,正应力最大,且等于主应力;在与1平行的截面上,正应力值最小,为0;在其它截面上。1。(2)剪应力值的变化令=1/2*sin2的一阶导数为零,可求得的极值。=1cos2=0解得:1=0°；2=90°；3=45°当=0°时,截面垂直1,sin2=0,=0,取极小值。当=90°时,截面平行1,sin2=0,=0,取极小值。当=45°时,sin2=1,=1/2,取极大值。当0°45°和当45°90°时,sin21,1/2。因此,在与主应力平行和垂直的截面上,剪应力最小,为

51、0;在与主应力轴呈45°夹角的截面上,剪应力值最大,为1/2;在其它截面上剪应力值介于0-1/2之间。与1轴呈45°夹角的截面有两个,它们互相垂直,1位于一角平分线上。这两个平面称为最大剪应力作用面。2、单轴应力状态莫尔圆（1）.单轴应力状态莫尔圆画法首先建立以为横坐标以为纵坐标的直角坐标系,按一定比例在横轴上自原点O起截取OA=1,以(1/2,0)点为圆心,以1/2为半径画圆,此圆即为单轴应力状态的应力莫尔圆。显然,该圆的方程是:(-1/2)2+2=(1/2)2（2）.单轴应力状态莫尔圆的物理意义在莫尔圆上作一直径交圆周于D和D点。设CD与轴夹角为2。自D点向横轴引垂线D

52、E和弦OD。在ODE中,OC=1/2OE=OC+CECE=CD·cos2=1/2cos2=1/2(1+cos2)=ED=CD·sin2=1/2*sin2因此,莫尔圆上任意点的坐标(,)的物理意义是:如果过莫尔圆上任意一点所作的半径与横轴夹角为2,则该点的坐标(,)分别代表外法线与1夹角截面上的正应力和剪应力。如果已知一点1的大小和方向,就可以通过莫尔圆求出外法线与1轴夹角截面上的正应力和剪应力。具体作法是:首先以（1/2,0）为圆心,以1/2为半径画应力莫尔圆;然后自横坐标与莫尔圆交点A按角的方向量取对应圆心角为2的圆弧,得到圆上一点D。D点的横坐标和纵坐标代表该截面上的正

53、应力和剪应力。通过分析莫尔圆,可以得出与单轴主应力状态数学分析相同结论:（1）在垂直1轴的截面上，=0,正应力取最大值为1,剪应力为0;（2）在平行1轴截面上=90°,正应力为0,剪应力为0;（3）在与1夹角为45°截面上,=45°,剪应力取得最大值,为1/2。另外,从莫尔圆中还可得出另外两个重要结论:i)在两个任意的互相垂直截面上,正应力之和等于主应力;ii)互相垂直截面上,剪应力大小相等,方向相反,此为剪应力互等定律。证明请参考教科书。(二)双轴应力状态分析1、双轴应力状态分析在双轴应力状态下,任意截面上的正应力()和剪应力()与主应力1、3之间的关系可通过叠

54、加法求得。在受力岩体内一点周围取一微分单元体,主应力1和3分别作用在该单元体上一对互相垂直的面上。截面AB外法线与1轴夹角为,与3轴夹角为90°+(图3-6)。首先分别求出1和3单独作用时AB面上的正应力1、3和剪应力1、3与1和3的关系,然后将两项叠加,即:=1+3=1+3当1单独作用时,AB面上作用有正应力1和剪应力1,该面外法线与1轴夹角为。根据上式可得:1=1/2(1+cos2)1=1/2*sin2当3单独作用时,AB面上作用有正应力3和剪应力3,该面外法线与3轴夹角为90°+。根据上述公式可得:3=3/21+cos(180°+2)=3/2(1-cos2)

55、3=3/2sin2(90°+)=-3/2sin2将1和3单独作用结果相叠加得:=1+3=(1+3)/2+(1-3)2*cos2=1+3=(1-3)/2*sin2上式表示双轴应力状态下外法线与1呈角的截面上正应力和剪应力与主应力1、3之间的关系。显然,在已知主应力1和3的情况下,可求得任意截面上正应力和剪应力。从上式中还可得出如下结论。(1)正应力的变化规律令的一阶导数为零求的极大和极小值。=-(1-3)sin2=0解得:1=0°；2=90°当=0°时,截面垂直1轴平行3轴,=1取极大值。当=90°时,截面垂直3轴平行1轴,=3取极小值。当取其它

56、值时,截面与1和3轴斜交,值介于1和3之间。(2)剪应力变化规律令一阶导数为零可求得剪应力极大和极小值。=(1-3)cos2=0解得:1=0°；2=90°；3=45°当=0°时,sin2=0,=0。当=90°时,sin2=0,=0。当=45°时,sin2=1,=1-3/2因此,在平行和垂直1轴截面上,剪应力为0,在与1和3成45°角的截面上,剪应力最大,是主应力差的一半。最大剪应力作用面有两个,互相垂直,1和3分别位于二最大剪应力作用面的角平分线上。2、双轴应力状态莫尔圆同单轴应力状态莫尔圆作法相同。首先建立以为横坐标以为纵坐标的直角坐标系;然后按一定比例在横轴上截取OA=1,OB=3,得A、B两点;以AB/2长为半径,以AB中点为圆心画圆即得到双轴应力状态莫尔圆。该圆的方程为:-（1+3）/22+2=(1-3)/22过莫尔