《工程地质》课件-第三章-地质构造

第三章地质构造工程地质123岩层褶皱构造断裂构造CONTENTS岩层PART011.1岩层的根本概念岩层是指被两个平行或近于平行的界面所限制的、同一岩性组成的层状岩石。岩层的上下界面称为层面，上层面又称顶面，下层面又称底面。岩层顶面、底面之间的垂直距离是岩层的厚度。有的岩层厚度比较稳定，在一定范围内变化不大；有的岩层受形成环境和形成方式的影响，岩层厚度变化较大，向一个方向变薄以致尖灭，形成楔形体，如向两个方向尖灭，那么成为透镜体。如图3-1所示为岩层的厚度及其形态。〔a〕厚度稳定岩层〔b〕厚度变化岩层〔c〕尖灭岩层〔d〕透镜状岩层图3-1岩层的厚度及其形态1.2岩层产状--〔1〕岩层的分类1〕水平岩层水平岩层是指岩层倾角为0°的岩层。绝对水平的岩层很少见，习惯上将倾角小于5°的岩层都称为水平岩层，又称水平构造，如图3-2所示。岩层沉积之初岩层顶面总是保持水平或近水平，所以水平岩层一般出现在构造运动轻微的地区或大范围内均匀抬升、下降的地区，一般分布在平原、盆地中部或局部高原地区。水平岩层中新岩层总是位于老岩层之上，当岩层受切割时，老岩层出露在河谷低洼区，新岩层出露于高岗上。在同一高程的不同地点，出露的是同一岩层。图3-2水平岩层1.2岩层产状--〔1〕岩层的分类2〕倾斜岩层倾斜岩层是指岩层面与水平面有一定夹角的岩层。自然界绝大多数岩层是倾斜岩层。倾斜岩层是构造挤压或大区域内不均匀抬升、下降，使岩层向某个方向倾斜而形成的，如图3-3所示。一般情况下，倾斜岩层假设仍然保持顶面在上、底面在下，新岩层在上、老岩层在下的产出状态，那么称其为正常倾斜岩层；当构造运动强烈，使岩层发生倒转，出现底面在上、顶面在下，老岩层在上、新岩层在下的产出状态时，称其为倒转倾斜岩层，如图3-4所示。图3-3倾斜岩层图3-4倒转岩层Ⅰ—正常层序，波峰朝上；Ⅱ—倒转层序，波峰朝下1.2岩层产状--〔1〕岩层的分类3〕直立岩层直立岩层是指岩层倾角等于90°时的岩层。绝对直立的岩层也较少见，习惯上将岩层倾角大于85°的岩层都称为直立岩层，如图3-5所示。直立岩层一般出现在构造强烈、紧密挤压的地区。图3-5直立岩层1.2岩层产状--〔2〕岩层产状要素岩层产状是根据其层面在三维空间中的延伸方向和与大地水准面〔水平面〕的交角关系来确定的，即用层面的走向、倾向和倾角三个变量来度量岩层产状。这三个变量称为岩层产状三要素，如图3-6所示。图3-6岩层产状要素AB—走向；DC—倾向；

a—倾角1.2岩层产状--〔3〕岩层产状的测量岩层层面的产状须在野外的岩石露头上用地质罗盘直接测量，如图3-7所示。所测量的层面应具有代表性，即要求其能代表露头上显现的层面总的方位。图3-7岩层产状测量示意图1.2岩层产状--〔4〕岩层产状的表达形式在表达一组走向为北西320°，倾向南西230°，倾角35°的岩层产状时，一般写成“NW320°，SW230°，∠35°〞的形式。由于岩层的走向与倾向相差90°，所以在野外测量岩层产状时，往往只记录倾向和倾角。例如，上述岩层的产状可记录为SW230°∠35°的形式，如需知道岩层的走向，只需将倾向加减90°即可。在地质图上，岩层的产状用如图3-8所示的符号表示。其中，长线表示岩层的走向，与长线垂直的短线表示岩层的倾向〔长短线所示的均为实测方位〕，数字表示岩层的倾角。当岩层直立时，箭头指向较新岩层；当岩层倒转时，箭头指向倒转后的倾向，即指向较老岩层。图3-8岩层产状的符号褶皱构造PART022.1褶曲--〔1〕褶曲的要素组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，称为褶皱构造。褶曲是褶皱构造中的弯曲，是褶皱构造的组成单位。褶曲的各个组成局部称为褶曲要素，如图3-9所示。各褶曲要素及其特点如表3-1所示。图3-9褶曲要素ABC所包围的内部岩层—核；ABH，CBH—翼；DEFH—轴面；DH—轴；BH—枢纽2.1褶曲--〔1〕褶曲的要素表3-1褶曲要素及其特点2.1褶曲--〔2〕褶曲的分类1〕按根本形态分类按褶曲根本形态的不同，褶曲可分为背斜和向斜两种。如图3-10所示为未剥蚀和剥蚀两种情形下的背斜与向斜褶曲。〔a〕未剥蚀〔b〕剥蚀图3-10背斜与向斜2.1褶曲--〔2〕褶曲的分类2〕按轴面产状分类按轴面产状的不同，褶曲可分为直立褶曲、倾斜褶曲、倒转褶曲和平卧褶曲四种，如图3-11所示。〔a〕直立褶曲〔b〕倾斜褶曲〔c〕倒转褶曲〔d〕平卧褶曲图3-11褶曲按轴面产状分类2.1褶曲--〔2〕褶曲的分类3〕按枢纽产状分类按枢纽产状的不同，褶曲可分为水平褶曲和倾伏褶曲两种。水平褶曲：褶曲的枢纽水平展布，两翼岩层平行延伸，如图3-12所示。倾伏褶曲：褶曲的枢纽向一端倾伏，两翼岩层在转折端闭合，如图3-13所示。图3-12水平褶曲〔a〕倾伏背斜〔b〕倾伏向斜图3-13倾伏褶曲2.2褶皱构造的成因和识别--〔1〕褶曲构造的成因010203水平挤压作用水平扭动作用垂直运动2.2褶皱构造的成因和识别--〔2〕褶曲构造的识别野外观察时，首先应判断岩层是否存在褶皱并区别其是背斜还是向斜，然后确定它的形态特征。依据岩石地层和生物地层特征，查明和确立调查区地质年代自老至新的地层层序也是首要的工作。为对褶曲形态作出正确鉴定，主要根据地外表出露岩层的分布特征进行判别。岩层受力挤压弯曲后，形成向上隆起的背斜和向下凹陷的向斜，但经地表营力的长期改造，或地壳运动的重新作用，原有的隆起和凹陷在地外表有时可能看不出来。对于大型褶皱构造，在野外就需采用穿越法和追索法进行观察。1〕穿越法穿越法就是沿着选定的调查路线，垂直岩层走向进行观察。穿越法有利于了解岩层的产状、层序及其新老关系。2〕追索法追索法就是平行岩层走向进行观察，以便于查明褶皱延伸的方向及其构造变化的情况。2.3褶皱构造的工程地质评价褶皱构造的工程地质评价主要是倾斜岩层的产状与路线或隧道轴线走向的关系问题。倾斜岩层对建筑物的地基一般来说没有特殊的不良影响，但对于深路堑、高边坡及隧道工程等，那么需要根据具体情况作具体分析。对于深路堑和高边坡来说，倾斜岩层对地质的影响存在以下三种情况。2.3褶皱构造的工程地质评价010203有利情况不利情况最不利情况路线垂直岩层走向，或路线与岩层走向平行但岩层倾向与边坡倾向相反时，只就岩层产状与路线走向的关系而言，对路基边坡的稳定性是有利的。路线走向与岩层的走向平行，边坡与岩层的倾向一致时，坡面容易发生风化剥蚀，产生严重碎落坍塌，对路基边坡及路基排水系统会造成经常性的危害。路线与岩层走向平行，岩层倾向与路基边坡一致，而边坡的坡角大于岩层的倾角，都容易引起斜坡岩层发生大规模的顺层滑动，破坏路基稳定。断裂构造PART033.1节理节理也称裂隙，是指岩层受力断开后，裂面两侧岩层沿断裂面没有明显相对位移时的断裂构造。节理的断裂面称为节理面。节理分布普遍，几乎所有岩层中都有节理发育。节理的延伸范围变化较大，由几厘米到几十米不等。节理在空间的状态称为节理产状，其定义和测量方法与岩层产状类似。节理常把岩层分割成形状不同、大小不等的岩块，没有节理的岩石强度与包含节理的岩石强度明显不同。3.1节理--〔1〕节理的分类010203原生节理构造节理表生节理指岩石形成过程中形成的节理，如玄武岩在冷却凝固时体积收缩形成的柱状节理。指在构造运动产生的构造应力作用下所形成的节理。构造节理常常成组出现，可将其中一个方向的平行节理称为一组节理。由卸荷、风化、爆破、溶蚀等作用形成的节理，分别称为卸荷节理、风化节理、爆破节理、溶蚀节理等。这种节理也称为裂隙，属非构造的次生节理。1〕按成因分类3.1节理--〔1〕节理的分类2〕按力学性质分类剪节理剪节理是岩石受剪〔扭〕应力作用而形成的破裂面，其两组剪切面一般形成“X〞形的节理，故又称X节理。张节理张节理是岩层受张力作用而形成的破裂面。当岩层受挤压时，初期在岩层面上沿形成的剪切节理会发育形成锯齿状张节理。3.1节理--〔2〕节理的调查、统计和表示0103050204节理的张开度、长度和节理壁面的粗糙度。节理的成因类型、力学性质。节理发育程度分级。节理的组数、密度和产状。节理的充填物质及其厚度、含水情况。1〕节理的调查3.1节理--〔2〕节理的调查、统计和表示2〕节理的统计和表示统计节理，有各种不同的图式。节理玫瑰花图是其中比较常用的一种。节理玫瑰花图可分为节理走向玫瑰花图、节理倾向玫瑰花图和节理倾角玫瑰花图三种。节理走向玫瑰花图如图3-14所示。图3-14节理走向玫瑰花图3.1节理--〔2〕节理的调查、统计和表示按上述步骤就能绘制出节理走向玫瑰花图。玫瑰花瓣愈长，说明此方位角范围内出现的节理数目愈多；玫瑰花瓣愈宽，说明节理方向的变化范围愈广。节理倾向玫瑰花图、节理倾角玫瑰花图的绘制方法与节理走向玫瑰花图大同小异，只不过因为每条节理的倾向、倾角只有一个数值，因此作图时，要用整个圆，如图3-15所示。节理倾角玫瑰花图可和节理倾向玫瑰花图绘在一个图内，用不同的颜色加以区分。图3-15节理倾向玫瑰花图和节理倾角玫瑰花图3.1节理--〔2〕节理的调查、统计和表示3〕节理的发育程度节理的发育程度可以按其组数、密度、长度、张开度及充填情况的不同进行分级。节理的等级及各级特征如表3-2所示。表3-2节理发育程度分级表3.1节理--〔3〕节理的工程地质评价节理与地面和地下工程的关系都很密切，主要表现在以下几个方面。①节理破坏了岩石的整体性，增大了地下硐室和坑道顶板岩石垮塌的可能性，同时也增加了施工的难度。因此，设计和施工中应考虑避开节理特别发育的地段。②节理可能成为地下水运移的通道，导致矿井、地下建筑施工过程中发生突水事故。同时，节理裂隙还可能作为煤矿中瓦斯运移的重要通道，带来平安隐患。③假设节理缝隙被黏土等物质所充填而润滑，节理面成为软弱结构面，会导致斜坡体易沿节理面产生滑动，工程施工中对此须予以高度重视。④在挖方和采石时，可以利用节理面，以提高工效。⑤在节理发育的岩石中，有可能找到裂隙地下水作为供水资源。⑥直接坐落在岩石上的高层建筑的浅根底需要凿除裂隙发育面。⑦高荷载水平的桩基持力层入岩深度，宜选在裂隙相对不发育的中风化或微风化基岩中。3.2断层断层是指岩体在构造应力的作用下发生断裂，且断裂面两侧岩石有显著相对位移的断裂构造。断层的规模有大有小，大的可达上千千米，小的只有几米，相对位移也可从几厘米到几百千米变化。断层不仅对岩体的稳定性和渗透性、地震活动和区域稳定有重大的影响，而且是地下水运动的良好通道和会聚的场所。在规模较大的断层附近或断层发育地区，常赋存有丰富的地下水资源，这些地区同时也是地层不稳定的地带以及地震多发的地带。3.2断层--〔1〕断层的要素断层具有断层面和破碎带、断层线、断盘和断距等要素。各要素及其特点如表3-3所示。表3-3断层要素及其特点3.2断层--〔2〕断层的分类1〕按断层两盘的相对运动分类按断层两盘相对运动的不同，断层可分为正断层、逆断层和平移断层。〔1〕正断层正断层的上盘沿断层面相对向下滑动，下盘相对向上滑动，如图3-16〔a〕所示。〔2〕逆断层逆断层的上盘沿断层面相对向上滑动，下盘相对向下滑动，如图3-16〔b〕所示。〔3〕平移断层平移断层是断层两盘沿断层面走向相对移动的断层，如图3-16〔c〕所示。〔a〕正断层〔b〕逆断层〔c〕平移断层图3-16断层按两盘的相对运动分类3.2断层--〔2〕断层的分类010203压性断层张性断层扭性断层由压应力作用形成的断层称为压性断层。由张应力作用形成的断层称为张性断层。扭性断层又称为剪性断层，是由剪应力作用形成的。2〕按断层力学性质分类3.2断层--〔2〕断层的分类3〕按断层面产状与岩层产状的关系分类按断层面产状与岩层产状关系的不同，断层可分为走向断层、倾向断层和斜向断层。走向断层：是指断层走向与岩层走向一致的断层，如图3-18〔a〕所示。倾向断层：是指断层走向与岩层走向垂直的断层，如图3-18〔b〕所示。斜向断层：是指断层走向与岩层走向斜交的断层，如图3-18〔c〕所示。〔a〕走向断层〔b〕倾向断层〔c〕斜交断层图3-18断层按断层走向与两盘岩层走向的关系分类3.2断层--〔2〕断层的分类4〕按断层面产状与褶曲轴线的关系分类按断层面产状与褶曲轴线关系的不同，断层可分为纵断层、横断层和斜断层。断层走向与褶曲轴线的关系如图3-19所示。纵断层：是指断层走向与褶曲轴线平行的断层。横断层：是指断层走向与褶曲轴线垂直的断层。斜断层：是指断层走向与褶曲轴线斜交的断层。图3-19断层走向与褶曲轴线的关系3.2断层--〔3〕断层的组合形式断层的形成和分布不是孤立的现象，它受区域性或地区性地应力场的控制，并经常与相关构造伴生，很少孤立出现。在各构造之间，断层总是依一定的力学性质，以一定的排列方式有规律地组合在一起，形成不同形式的断层带。断层带也称断裂带，是局限于一定地带内的一系列走向大致平行的断层组合。分布比较广泛的几种断层的组合形式有阶梯状断层、地堑和地垒、环状断层和放射状断层、叠瓦式逆冲断层、对冲式断层和背冲式断层等。3.2断层--〔3〕断层的组合形式1〕阶梯状断层阶梯状断层由假设干条产状根本一致的正断层组成，各条断层上盘依次向同一方向下降，构成阶梯状，如图3-20〔a〕所示。阶梯状断层在区域性抬斜过程中，断盘常沿弧形的断层面发生一定的旋转而构成阶梯状抬斜断块，如图3-20〔b〕所示。它在地形上表现为单面山或山谷间列的景观。〔a〕阶梯状断层〔b〕抬斜断块图3-20阶梯状断层示意图3.2断层--〔3〕断层的组合形式2〕地堑和地垒地堑主要由两条走向根本一致、相向倾斜的正断层组成，两条正断层之间有一个共同的下降盘，如图3-21〔a〕所示。地垒由两条走向根本一致、倾斜方向相反的正断层组成，两条正断层之间有一个共同的上升盘，如图3-21〔b〕所示。组成地堑和地垒两侧的正断层可以是两条正断层，也可由数条产状相近的正断层组成，形成两个依次降落的阶梯状断层带。〔a〕地堑〔b〕地垒图3-21地堑和地垒示意图3.2断层--〔3〕断层的组合形式3〕环状断层和放射状断层假设干条弧形或半环状断层围绕着一个中心成同心圆状排列的断层带，称为环状断层，如图3-22〔a〕所示。假设干条断层自一个中心成辐射状排列，即构成放射状断层，如图3-22〔b〕所示。两者可以在同一构造上产出，也可以单独发育。〔a〕环状断层〔b〕放射状断层图3-22环状断层和放射状断层示意图3.2断层--〔3〕断层的组合形式4〕叠瓦式逆冲断层叠瓦式逆冲断层是逆冲断层最主要、最常见的组合形式。它由一系列产状相近的逆冲断层上盘依次向上逆冲组成，在剖面上构成叠瓦状，如图3-23所示。叠瓦状构造常表现为前〔上〕陡后〔下〕缓，成凹向上方的弧形。叠瓦式逆冲断层的各条断层向下常汇拢成一条主干断层，总体呈帚状。图3-23叠瓦状构造示意图3.2断层--〔3〕断层的组合形式5〕对冲式断层和背冲式逆断层对冲式断层由两条倾斜相反、相对逆冲的逆断层组成。小型对冲式断层常与背斜构造伴生，称为背斜对冲式断层，如图3-24所示；大型对冲式断层那么产出于拗陷带边缘，自两侧隆起分别向拗陷带内逆冲。背冲式逆断层是由两条或两组相向倾斜的逆断层组成，自一个中心分别向两个相反方向逆冲，一般自背斜核部向外撒开逆冲，如图3-25所示。图3-24背斜对冲式断层图3-25背冲式逆断层3.2断层--〔4〕断层的识别标志1〕地层的重复或缺失在倾斜岩层中地层出现重复或缺失的现象，是断层存在的重要识别标志，如图3-26所示。重复或缺失一般出现在走向断层的断层面两侧。断层造成的地层重复是不对称的，称其为顺序重复；而褶皱两翼地层重复是对称的，称其为对称重复。断层造成的地层缺失局限于断层面两侧，与区域性的不整合接触所造成的地层缺失也不相同。〔a〕正断层一〔地层重复〕〔b〕正断层二〔地层重复〕〔c〕正断层〔地层缺失〕图3-26断层造成的地层重复或缺失3.2断层--〔4〕断层的识别标志图3-26断层造成的地层重复或缺失〔d〕逆断层一〔地层缺失〕〔e〕逆断层二〔地层缺失〕〔f〕逆断层〔地层重复〕3.2断层--〔4〕断层的识别标志2〕构造不连续现象当断层横切岩层走向时，岩层沿走向延伸方向突然错断，岩脉被错断，早期形成的断层被后期断层切断，产生构造不连续现象，如图3-27所示。断层横切褶曲轴时，表现为断层两侧褶曲核部宽度突然变化，背斜核部相对变宽一侧为上升盘，而向斜核部相对变宽一侧为下降盘，如图3-28所示。图3-26断层造成的地层重复或缺失〔a〕岩层错断〔b〕岩脉错断〔c〕早期断层错断3.2断层--〔4〕断层的识别标志图3-28断层造成的褶皱核部宽度变化〔a〕背斜核部上升盘变宽〔b〕向斜核部下降盘变宽3.2断层--〔4〕断层的识别标志3〕断层破碎带及构造岩规模较大的断层常形成断层破碎带，其宽窄可自几厘米至数十米变化，与岩性、断距和断层性质有关。断层两盘岩石相互错动、摩擦、搓碎，使断层带或夹在两盘间的岩石碎成角砾、细粉或泥，这种由断层错动所形成的岩石称为构造岩，如图3-29所示。图3-29构造岩A—碎裂硅质白云岩；B—断层角砾岩和构造岩；Z—震旦系白云岩；C-P—石炭、二叠系地层3.2断层--〔4〕断层的识别标志4〕断层擦痕和阶步