第四节 断裂构造

第四节断裂构造

岩石承受变形的能力是有限的，当变形超过岩石的变形极限(受力超过岩石的强度)，岩石的连续性和完整性遭到破坏，产生破裂和位移。岩层或岩体在构造应力作用下发生破裂，沿破裂面两侧有明显相对位移的构造现象称为断层。在地貌上，大的断层常常形成裂谷和陡崖，如著名的东非大裂谷、中国华山北坡大断崖。破裂面两侧无明显位移的称为节理。它与构造节理合称为断裂构造。第四节断裂构造断层的规模大小相差悬殊，小的在岩石手标本上即可见到，大者可延伸数十公里以上。有时还有多条大致平行延伸，性质相近的大断层组成一个断裂带，它们长可达数百甚至上千公里，宽可达几公里。

一.节理的类型及特征

断裂两侧岩石仅因开裂而分离，并未发生明显相对位移的断裂构造称裂隙(或节理)。它往往是褶皱和断层的伴生产物，然而自然界中岩石的裂隙，并非都是由于地质构造运动所造成的，根据裂隙的成因，可将其分为原生(成岩)裂隙、次生裂隙和构造裂隙三种类型。

1.原生(成岩)裂隙

原生裂隙是岩石在成岩过程中形成的裂隙。

2．次生裂隙

次生裂隙是由于岩石风化、岩坡变形破坏、河谷边坡卸荷作用及人工爆破等外力而形成的裂隙。

3．构造裂隙(节理)

构造裂隙是由地壳运动产生的构造应力作用而形成的裂隙。在岩石中分布广泛，延伸较深，方向较稳定，可切穿不同的岩层。按其力学性质可分为张裂隙和剪裂隙两种。

按力学成因分类

节理按其形成时的力学性质，主要分为由张应力形成的张节理和由剪切应力形成的剪节理。

1.张节理

张节理具有以下主要特征：

（1）产状不稳定，在平面上沿走向延伸不远，在剖面上延展不深。单个节理短而弯曲。

（2）节理面粗糙不平，擦痕不发育，节理两壁裂开距离较大，有些张节理呈开口状或楔形，常被脉岩充填。

1.张节理

张节理具有以下主要特征：

（3）当张节理发育在碎屑岩中时，它经常绕过较大的碎屑颗粒或砾石，形成一壁凸出一壁凹进的现象，因而节理呈现弯曲的形态。

（4）张节理一般发育稀疏，节理之间的距离较大，分布不均匀，即使局部地段发育较多，也很少密集成带。

（5）张节理常呈平行或斜裂式（雁行状）出现，也往往追踪已形成的两组共轭剪切面而发育成锯齿状，后者称为追踪张节理.

2.剪节理

剪节理具有以下特征：

（1）产状稳定，在平面上沿走向延伸较远，在剖面上延展较深。

（2）节理面平直而光滑，常具擦痕、镜面等现象。节理两壁之间闭合紧密。

（3）当剪节理发育在碎屑岩中时，常切割较大的碎屑颗粒或砾石。

（4）一般发育较密，相邻两节理之间的间距较小，常具有等间距分布的特点，密集成带。

2.剪节理

剪节理具有以下特征：

（5）往往成对出现，沿两组剪切面形成，叫“X”节理或共轭剪节理，经常一组发育较好，另一组发育较差

（6）常呈羽列现象。往往一条剪节理由若干条方向相同、首尾相接的小节理呈羽状排列而成。沿小节理走向向前观察，后一条小节理重叠在前面一条小节理的左侧，称为左行；反之为右行。利用剪节理的这种羽列现象可以判断岩石相对运动方向.

二.断层

1、断层的几何要素

断层的几何要素包括断层的基本组成部分以及与阐明其错动性质有关的几何因素断层面。岩层发生错动位移的破裂面称断层面，它可以是平面或是弯曲面。小断层或大断层的局部地段常是平直的，有时较大的断层可呈舒缓波状的曲面。断层面的产状也是用走向、倾向、倾角来测定。

(1)断层面和断层破碎带：岩层断裂后沿其位移的破裂面称为断层面。它可以是平面、曲面，也可以是波状起伏的面。实际上，多数岩层中发生的断裂位移，并不是沿着一个简单的面，而往往是沿着一个由许多密集的破裂面组成的错动带进行的，这个错动带称为断层破碎带，其宽度取决于断层规模，一般为数厘米至数十米，少数的大断裂有更宽的。断层带是由被挤压、错动形成的大小不一、粗细不等的岩石碎块、岩粉等组成，但它们常被胶结或在强烈的挤压力作用下发生动力变质，某些矿物

重新结晶，定向排列或产生一些新的变质矿物，如叶蜡石、绿帘石、绿泥石、绢云母等。这种断层破碎带中所特有的岩石称为构造岩。根据破碎程度、重结晶及结构特征，构造岩又可分为下列几种。

1）断层角砾岩。主是由＞2mm被搓碎的棱角状碎块及岩粉等经胶结形成，角砾仍保持原岩的矿物成分和结构。

2）碎裂岩。主要由＜2mm的原岩碎粒并杂以岩粉经胶结形成。能用放大镜分辨原岩成分。

3）糜棱岩。由被碾碎成均匀细小的粉末碎屑胶结而成，以<0.05mm的颗粒为主，只有在显微镜下才能看出颗粒的成分和结构特征，外观致密，类似硅质岩。矿物有重结晶、重组合现象。除含有石英、长石等原岩矿物外，常含有一些变质矿物。风化后常呈岩粉或泥状。（2）断层线：断层面与地面的交线称为断层线。其方向表示断层的延伸方向，断层线的形状决定于断层面的形状和地表的起伏。

(3)上盘和下盘：断层面两侧被断层面分开的岩体称为断块。若断层面是倾斜的，位于断层面以上的岩体为上盘，位于断层面以下的岩体为下盘。

(4)断距：断层两盘相对位移的距离和为断距。岩层上的A点，断裂后滑移到C点，则AC之间的距离称为总断距。总断距的水平分量DC为水平断距；总断距的铅直分旦AD为铅直断距。

Ⅱ．断层的类型（一）断层可根据形态和成因进行分类。如根据断层两盘的相对位移，可划分为如下几类。

(1)正断层：上盘相对下降，下盘相对上升的断层称为正断层。正断层的断层线一般较为平直，断层面的倾角通常多大于45°。图3-14地垒、地堑及阶梯式断层

正断层往往成组出现，共同组合成一定的形态：由两条以上互相平行、倾向一致(或相近)的正断层可组合成上盘依次下降的阶梯式断层。若两条以上的正断层，断层面相向倾斜，两断层面间的岩体相对下降，两边岩体相对上升组合成“地堑”；相反，若断层面相背倾斜，两断层面中间岩体相对上升，两边相对下降。则组合成“地垒”。在地形上，地堑常形成狭长的凹陷地带，地堑则多构成块状山地。

(2)逆断层：上盘相对上升、下盘相对下降的断层称为逆断层，逆断层的规模一般较大，断层面较为弯曲或呈波状形态。按断层面倾角大小，可将逆断层分为：

1)冲断层：断层面倾角大于45°2)逆掩断层：断层面倾角在45°-25°之间。

3)辗掩断层：断层面倾角小于25°。逆断层也往往成组出现。几条相互平行的逆掩断层或冲断层可以组合成为叠瓦式构造。

（3）平移断层：这是断层两盘产生相对水平位移的断层多系受剪（扭）应力形成，因此大多数与褶皱轴斜交，与“X”节理平行或沿该节理形成，断层的倾角常常是近于直立的。这种断层的破碎带一般较窄，沿断层面常有近水平的擦痕。

有时断层错动方向兼有平移和上下的相对位移，这时如以平移为主，则称正平移断层或逆平移断层。若以上下错动为主，则称平移正断层或平移逆断层。

（二）按断层力学成因性质分类断层是在地壳运动构造应力作用下，岩体内部相应产生的压应力、张应力和扭应力（剪应力）的作用所形成的。因此，断层按力学性质可分为以下五种类型。1.压性断层由压应力派生的剪力作用形成，也称压性结构面。

压性断层的走向与压应力方向垂直，在断层面两侧，主要是上盘岩体受挤压相对向上位移，如逆断层等。压性断层常与褶皱轴平行，并可成群出现而构成挤压构造带。断层带往往有断层角砾岩、糜棱岩和断层泥，形成软弱破碎带。破碎带中常有挤压形成的透镜状、扁豆状或菱形块体及劈理裂隙。在较脆弱的岩石中，断层面上常有反映错动方向的擦痕。2.张性断层由张（拉）应力派生的剪力作用形成，也称张性结构面。张性断层的走向是垂直于张应力方向，常为正断层形式，断层面粗糙，多呈锯齿状。

3.扭性断层由扭（剪）应力作用形成，也称扭性结构面。与主压应力方向的交角小于45°，并常成对出现。断层平直光滑，常有大量擦痕。扭性断层一般是两组共生，呈“X”型交叉分布，但往往是一组发育，而另一组不发育，如平移断层等。图3-16构造应力场与断裂关系示意图

4.压扭性断层具有压性断层兼扭性断层的力学特性，如部分平移逆断层。

5.张扭性断层具有张性断层兼扭性断层的力学特性，如部分平移正断层。（三）按断层产状与岩层产状的关系分类

1.走向断层。断层走向与岩层走向平行。

2.倾向断层。断层走向与岩层走向垂直。

3.斜交断层。断层走向与岩层走向斜交。此外，也可根据断层走向与褶曲轴线方向的关系进行分类：纵断层、横断层、斜断层。

Ⅲ.断层的识别在野外调查断层时，首先要确定断层的存在，然后才能对断层进行进一步的研究。调查时可利用如下特征作为识别断层的标志。

(1)沿岩层走向追索，若发现岩层突然中断，而和另一岩层相接触，则说明有横穿岩层走向的断层或与岩层走向斜交的断层存在，如果断层横切褶皱轴表现为断层两侧核部岩层的宽度突然变化，在背斜核部相对变宽的一侧为上升盘，而向斜核部相对变宽的一侧为下降盘。(2)沿垂直于岩层走向的方向进行观察，若岩层存在不对称的重复式缺失，则说明有平行于岩层走向的断层存在。图3-17断层横切褶皱核部立体示意图（a）背斜核部下降盘变窄；（b）向斜核部下降盘变宽图3-18纵断层造成的地层重复或缺失a正断层（重复）b正断层（缺失）c逆断层（重复）d逆断层（缺失）

(3)由于构造应力的作用，沿断层面或断层破碎带及其两侧，常常出现一些伴随的构造变动现象，如：①断层两盘相对错动时，在断层面上留下的摩擦痕迹称为“擦痕”。有时在断层面上：存在有垂直于擦痕方向的小台阶，或称为“阶步”。②断层角砾岩、断层泥、糜棱岩等构造岩的分布。③断层两盘相对错动时，沿断层面产生巨大的摩擦力，邻近断层的两侧地层因受摩接力的牵引，发生塑性的拖拽和拉伸而形成的弧形弯曲现象，称为断层牵引褶皱。在野外工作中，如发现上述现象，即应进一步研究是否有断层存在。图3-19断层擦痕和阶步图3-20断层牵引褶皱

(a)正断层，(b)逆断层

(4)在地貌上，断层常形成断层崖、三角面山、山脉的中断或错开，平原相接触等现象。

(5)沿断层带常形成沟谷、洼地，或出现线状分布的湖泊、泉水等。

(6)某些喜湿性植物呈带状分布。断层与裂隙对山体或岩体的完整性、稳定性、渗透性影响极大，在水工建筑中持别重视。本课程将在野外地质实习中进行专门的讲述与观察。

三.活断层活断层或称活动断裂是指现今仍在活动，或者近期曾有过活动，不久的将来还可能活动的断层。后一种情况也称为潜在活断层。活断层可使岩层错动位移或发生地震，对工程建筑造成很大的、甚至是无法抗拒的危害。因此，查明建筑地区有没有活断层及其对工程建设的影响是一个很重要的问题。

1.活断层的分类（1）按两盘相对错动方向分类活断层按两盘错动方向也可分为平移断层、正断层和逆断层，但对平移断层通常称为走向滑动型断层，而对正、逆断层则称倾向滑动型断层。走向滑动型断层是最多见的一种，断层面陡倾或直立，平直延伸，有的规模很大。这类断层往往能积蓄较高的能量，发生高震级的强烈地震。倾向滑动型的逆断层也较常见，多是由水平挤压形成，断层倾角较缓，通常小于45°。错动时多为上盘上升，所以上盘地表变形开裂现象较多、较严重，岩体也较下盘破碎，对建筑物危害较大。

（2）按活动性质分类活断层按其活动性可分为蠕变型和突发型两类。

1）蠕变型活断层指只有长期缓慢的相对位移变形，而不发生地震或只有少数微弱地震的活断层，也有人称为动而不震型。

2）突发型活断层指断层错动位移是突然发生的，并同时发生较强烈的地震，有人称为震中有断型。这可分为两种情况：一是地震就是该断层错动所引起的，即所谓的发震断层。另一种情况是因地震而引起老断层错动，也称断层复活，或产生新的断层。如1976年唐山地震时，发生一条长8km的地表错断，以NE30°的方向穿过市区，最大水平断距达1.63m，垂直断距达0.7m，错开了楼房、错开了道路等一切建筑。据历史地震伴生的地表断裂最大位移值统计，大多数不超过10m，一些统计数据见表所列。图3-21唐山地震地面断层错动层图

2.活断层的特征（1）活断层的继承性活断层有明显的继承性，即绝大多数的活断层都是沿已有的老断层发生新的错动位移。尤其是区域性的深大断裂更为多见。但新活动的部位通常只是沿老断裂的某个段落发生，或是某个段落强烈，另一些不强烈。也有的大断裂带一些段落是蠕变型活动，另一些段落是突发型活动。（2）活断层的长度和断距活断层的长度可由几公里到几百公里，如郯庐断裂、云南小江断裂等。活断层的断

中国地震断层长度及位移值统计表距，据历史地震伴生的地表断裂最大位移值统计，大多数不超过10m，一些统计数据见表所列。

（3）活断层的错动速率突发型活断层在突然错动时速率很快，是在很短时间内完成的。蠕变型活断层的错动速率大多在年平均零点几至几十毫米之间。如，新疆克孜尔水库坝址区活断层水平位移速率为12-13mm／a。活断层的变形速率是不均匀的，有时差别甚大。尤其发震断层临震前可成倍增速，而震后又变缓，所以活断层变形速率的变化对预报地震是很重要的。

3.活断层的判别标志（1）直接标志有下列现象之一的断层，即可判定为活断层。

1）错断晚更新世以来的地层者。2）断裂带中的构造岩或被错动的脉体，经绝对年龄测定，距今不足12万年者。3）根据仪器观测，沿断层有大于0.1mm／a的相对位移或地形变者。4）沿断层有历史和现代中、强震震中分布或晚更新世以来的古地震遗迹，或密集而频繁的近期微震活动。5）在构造上证实与已知活动断层有共生或同生关系的断层。

（2）间接标志具有下列现象之一者，可能为活断层，但需结合其它证据综合分析才能判定。

1）沿断层晚更新世以来形成的阶地发生错位，在跨越断层处，水系有明显的与断层同步转折现象，或断层两侧晚更新世以来的沉积层厚度有明显差异。

2）沿断层地貌突然发生大范围的变化，如山区突然转为平原，且有平直新鲜的断层陡崖、断层三角面，山前有崩塌、滑坡。

3）沿断层线有串珠状的泉水、沼泽分布，有地热、水化学异常带，或水温、水量

水质有异常变化。

4）古建筑、古陵墓等被断层错断，如宁夏石嘴山红果子沟明代长城有两处被错断，分别为0.35m和0.95m。后经开挖探槽查明在基础下面有晚更新世地层被错断，断距分别为1.95m和2.0m。

5）沿断层带有重力或磁力异常现象。在确定是否为活