地质构造的野外观测与分析

地质构造的野外观测与分析_水文与水资源工程

五、地质构造的野外观测与分析

（一）沉积地层接触关系的野外观察与分析

①整合地层，两套地层间是逐渐过渡，时代上有传递性，没有古风化痕迹，而且上下地层产状一致。

②平行不整合，虽然两套地层产状大体一致，但形成的时代存在很大距离，也就是中间一段时期缺失地层，所以从上下地层含的化石年代上可以判断，此外可以通过寻找古风化壳来确定平行不整合的存在。

③角度不整合，上下产状不一致，并且是下覆地层发生过褶皱变形而上方地层是水平沉积的，在野外主要是寻找古风化壳化石痕迹，还要观察下伏地层是不是褶皱后被剥蚀的面。

（二）褶皱的野外观察与分析

岩层受力的挤压而发生弯曲的现象称为褶皱。褶皱是几乎在任何沉积岩区都能见到的一种极为普通的构造地质现象，只是其规模大小不同而已——大者长达几十千米，甚至几百千米，小者在标本上就能观察到，甚至在显微镜下才可见。不过，在野外视野所及者，几百米、几千米的规模居多。真正特大的褶皱，在距离较短的剖面上是看不出来的，必须通过长距离的剖面穿越，或通过填绘地质图以后才能分析出来。

研究褶皱的基本要点，不外乎褶皱的形态、产状、类型、形成的方式以及分布的特点。

1．褶皱的基本形态

褶皱的基本形态只有两种：背斜和向斜。背斜的标志是岩层向上弯曲，核心部位是老岩层，两侧为新岩层。向斜的标志是岩层向下弯曲，核心部位为新地层，两侧翼部为老地层。如果岩层被侵蚀风化，在地表暴露出来（以平面图形式表示的话）时，从中心到两侧，岩层的排列由老到新，对称出现，是为背斜；相反，从中心向两侧的岩层自新到老，对称出现，则为向斜。

认识背斜和向斜构造以后，就可以按照褶皱要素——核部、翼部、转折端、轴向、倾伏等进行具体的描述了。例如某背斜构造，核部由志留系地层构成，两侧由泥盆系至石炭系地层构成，轴向东北，向西南倾伏。

然后，再将观察的褶皱进行分类，最常用的褶皱分类是根据褶皱轴面的产状分为直立褶皱、斜歪褶皱、倒转褶皱、平卧褶皱、翻卷褶皱。一般说来，这些褶皱的形态都反映了岩层受力程度的不同。或者说，从直立褶皱到翻卷褶皱，受力越来越强，因两侧受力的程度不同，轴面向受力较弱的一侧倾斜。

另一种褶皱形态分类，根据岩层弯曲的形态而定，也是野外观察剖面时常用的，有圆弧褶皱、尖棱褶皱、箱状褶皱、扇形褶皱及挠曲。

以上所说的褶皱形态，可以说是“小型”的褶皱，即站在褶皱岩层的面前，一眼看去，就清晰能辨。而实际上，还有“大型”的褶皱，在野外地质旅行，穿越长剖面时才能辨认的，它们大多是“非单个”褶皱，而是由一系列褶皱复合组成。通过剖面示意图最能说明此种类型——基本上有两类。

①复背斜和复向斜：也就是在它们的两翼被一系列次一级褶皱所复杂化，或者说，大的褶皱轮廓是背斜，但在翼部尚包含若干小的背斜和向斜。反过来，大的褶皱轮廓是向斜，而在其翼部则尚有次级的背斜和向斜。此类复式的背斜和向斜，常见于“地槽区”，如我国的秦岭、天山、内蒙中部、喜马拉雅山等地均有所见。

②隔挡式褶皱和隔槽式褶皱：一个平行褶皱群内，如果背斜呈紧密褶皱，而向斜呈开阔平缓的褶皱，称为隔挡式褶皱，如四川东部的褶皱群。而隔槽式褶皱则是一系列相间排列的开阔背斜褶皱被一系列紧密向斜所隔开。

在褶皱形态的观察基础上，进一步就是研究形成褶皱的机理，可在地质旅行告一段落以后作详细的解剖——如纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、柔流褶皱作用、压肩作用等。

2．怎样研究褶皱

在地质调查时，认识褶皱以后，如何进一步作具体的研究是一项重要的课题，基本上可从以下几方面入手。

①对褶皱形态的研究，其中包括查明褶皱的位置、产状、规模、形态和分布特点，探讨褶皱形成的方式和形成的时代，了解褶皱与矿产的关系等。

需要观察的要点有：查明地层的层序并追索标志层；根据地层内所含的化石特征以及岩石性质等标志，确定组成褶皱构造的层序关系；进而查明其层序是正常还是倒转；再观察这些地层的对称排列及其重复关系，确定背斜或向斜的所在位置；在观察地层层序及其排列关系时，必须抓住某个岩性特征显目、厚度不大、展布稳定的岩层作为了解褶皱的标志层；褶皱的产状也可根据标志层予以确定。这些产状，主要是测定褶皱枢纽和轴面的产状，此两者是正确判断褶皱产状和真实形态的前提。

②观察褶皱出露的形态，也就是从褶皱在地面出露的形态作纵横方面的观察，经过多方分析，恢复其真实面貌。

③对褶皱内部的小构造研究也应注意。所谓小构造，指小褶皱、小断裂面、线理等。它们分布于主褶皱的不同部位，各自从一个侧面反映出主褶皱的某些特征，这些内部构造，由于规模较小，易于观察，因此，以小比大，通过对褶皱内部小构造的研究能进一步了解和阐明主褶皱的某些特征。

④褶皱形成后一般遭风化侵蚀作用，背斜核部由于节理发育易于风化破坏，可能形成河谷低地，而向斜核部则可能形成山脊。

（三）断层的野外观测与分析

断层与节理同属断裂构造，而断层往往是节理的进一步发育所致。或者说，当节理发生位移，两壁有所错动时，即称为断层。

1．断层的几何要素观测

断层是野外常见的一种重要地质现象。野外如何研究呢？首先要确定断层的几何要素，其内容包括下列各点。

（1）断层面

所谓断层面，就是两部分岩块沿着滑动方向所产生的破裂面。断层面的空间位置也像地层的层面一样，是由其走向和倾向而确定的。但断层面并非一个平整的面，往往是一个曲面，特别是向地下沿伸的那一部分，产状可以有较大的变化。此外，断层面不是单独存在的，往往是有好几个平行地排列着，构成所谓断层带，又由于断层带上两壁岩层的位移错动，使岩石发生破碎，因此又称为断层破碎带。其宽度达几米、甚至几十米。一般情况下，断层的规模愈大，断层带的宽度也愈大。

（2）断盘

断层面两侧相对移动的岩块称为断盘。由于断层面两壁发生相对移动，所以断盘就有上升盘和下降盘之分。在野外识别时，按其位于断层面之上者称上盘；位于断层面之下者称下盘。当断层面垂直时，就无上盘或下盘之分。

（3）断层线

断层面与地面相交之线，称断层线。

（4）位移

这是断层面两侧岩块相对移动的泛称。在野外观察断层时，位移的方向是必须当场解决的问题之一。特别遇到开矿时，一旦遇到矿脉（或矿层）中断，往往是断层位移所致，需要立即追查。追查的办法是运用两侧岩层的层序关系来判断或抚摸断层面上的擦痕等来确定。

2．断层的标志及相对位移观测

在地质调查时，如何注意断层？怎样研究断层？观察什么内容？此类问题必须熟练掌握。先讨论断层的标志及两盘相对位移问题。

（1）构造（线）不连续

各种地质体，诸如地层、矿层、矿脉、侵入体与围岩的接触界线等都有一定的形状和分布方向。一旦断层发生，它们就会突然中断、错开，即造成构造（线）的不连续现象，这是判断断层现象的直接标志。

（2）地层的重复或缺失

这是很重要的断层证据。虽然褶皱构造也有地层的重复现象，但它是对称性的重复，而断层的地层重复却是单向性的。至于地层的缺失，凡沉积间断或不整合构造也可造成，但这两类地层缺失都是区域性的，而断层造成的地层缺失则是局部性的。关键的问题，调查者应对区域内的地层系统及其分布情况有一个较为全面的了解（可以在旅行准备时查阅地层表、剖面图、地层柱状图之类）。

利用地层的重复或缺失不仅是判断断层的重要手段，而且是判断断层两盘相对动向的重要方法，借此还可以确定断层的性质——正断层，还是逆断层。

（3）断层面（带）上的构造特征

这是识别断层的直观证据，即在眼前“方寸”之地内所能见到的若干构造现象，最常见的有以下几种。

①断层擦痕：即断层两侧岩块相互滑动和磨擦时留下的痕迹，由一系列彼此平行而且较为均匀的细密线条组成，或为一系列相间排列的擦脊与擦槽构成。在坚脆岩石的断层擦痕的表面，往往平滑明亮，发光如镜。并常覆以炭质、硅质、铁质或碳酸盐质的薄膜。有时，也在断层的擦面上见到不规则的阶梯状断口，其上覆以纤维状的矿物（如方解石之类）晶体。

断层擦痕对于决定两盘位移方向颇有用处，如用手抚摸时，感到光滑的方向乃是对盘活动位移的方向。或自粗而细，自深而浅的方向乃是对盘活动位移的方向。或者利用阶梯状断口，阶梯形陡坡之倾向指示对盘相对滑动的动向。

②构造岩：当断层两壁相对移动之时，岩石发生破碎，在强大的压力下，矿物出现定向排列，并有重结晶作用。也就是说，由于动力作用而发生变质，形成一系列新的岩石，即称为构造岩。

构造岩的种类很多，如构造角砾石（角砾形状不规则，大小不一）、碎裂岩（破碎的程度比前者更高，主要是原岩中的矿物颗粒的破碎，常见于逆断层或平移断层的断裂带中）、糜棱岩（破碎极细，用显微镜观察），更进一步的破碎即片理化岩（具有片状构造的构造岩）。

③牵引构造：是断层带中的一种伴生构造，它是由于断层两壁发生位移时使地层造成弧形的弯曲现象，可以指示断层的位移方向。

与断层带有关的，还有一种断层的伴生构造，主要是断层旁侧的节理及拖曳褶皱。这些节理常与断层斜交，其锐角所指的方向指示本盘滑动的动向。

④其他标志：主要是指地貌或水文上的一些特征，不过，此种地质现象只能说明有断层存在，不易说明其两盘的运动方向，诸如三角面山，河流的突然改向，山脊的突然中断，众多的温泉或泉水的定向分布，小型的火成岩体的入侵及其伴生的变质作用、矿化现象及矿脉的定向分布等均指示断层的存在，特别是从较大的地貌现象所反映的断层特征，有时在航空照片甚至卫星照片上都能看到。

3．断层的分类

认识断层的证据、判断断层的存在以后，就可以进一步将断层进行分类，这也是野外观察断层时必须解决的问题。一般最常用的断层分类法，是根据两盘岩块相对移动的性质而定，分为3种：正断层、逆断层和平移断层。如果断层面的倾角小于30°，则又称为逆掩断层。若规模很大的逆断层（推移数千米以至数十千米者），又称为推覆体。这是“地槽区”常见的一种构造现象，如阿尔卑斯地区是世界上最闻名的推覆体所在地。不过，野外所见到的断层，往往并非单个出现，而是以组合的形态出现居多，下列各类最为普通。

（1）阶梯断层

此类组合由一系列正断层构成，多见于地壳块断运动上升地块的边缘，地貌上的表现，是山脊与山谷的相间排列。

（2）地堑与地垒

两条大致平行的断层，其间有一共同的下降盘，称为地堑；其中如有一共同的上升盘，则为地垒。一般形成地堑与地垒的断层多为正断层，也有逆断层，或为正、逆断层的结合。许多由新生代地层组成的盆地，多被地堑构造所控制，例如我国的汾河、渭河地堑盆地。当然，也有视野所能及的小型地堑与地垒构造。后者在地质调查路线上亦有机会相遇。

（3）叠瓦状构造

由若干条平行排列的逆断层构成，其上盘在剖面上构成一个接一个的叠瓦状（或称覆瓦状）构造，我国四川龙门山地区有此种构造存在。

除以上三者比较常见外，在某些特殊场合还能见到以下几种类型：环型断层及放射状断层，多见于火山活动区的火山锥附近或穹隆构造的周围，也见于侵入体的周围；旋扭断层，多见于较大的断裂之旁，是一种规模小的弧形断层，好似主断层派生出来。

在野外调查时，除了认识和判断断层的存在、类型、性质等外，还要进一步查清断层发生（或形成）的时间，其方法是根据地层的年代。总的来说，凡被断层切断的地层，这些断层的发生年代应在被切断的最新地层之后，在未被切割的最老地层之前。例如某断层切穿三叠纪地层，而未断及侏罗纪地层，则此断层形成的时间应在三叠纪末较妥。

断层年代的确定，对于研究区域地质发展史、成矿作用的时期等都十分重要。而年代问题的确定，主要是在野外解决。

（四）节理的野外观测与分析

1．节理的测量

一般野外调查应选择节理比较密集（数十条在一起）的地方作为观察点。而对节理的记录要求，大致有下列各项内容：①节理群所在地的地理位置；②节理与褶皱或断层的关系，如在褶皱的轴部、翼部、断层的上盘或下盘等；③节理所在的岩层时代或层位、岩石的性质、岩层的产状要素；④节理的产状要素；⑤节理面及充填物的特征；⑥节理的力学性质及旋向；⑦节理组、系归属及相互关系；⑧节理密度统计（条/m）；⑨备注（表1－28）。

为了达到统计目的，测量面积的大小视节理的密度而定。一般情况下，一组节理能测到50～60条产状，就有较好的统计效果。

表1－28　节理野外测量记录表

2．节理玫瑰花图编制

以最常见的“走向玫瑰花图”的编制为例。

首先，进行资料整理。将测点上所测的节理走向全部换算成NE和NW向，按走向方位大小，采用10°为一间隔分组，分成1°～10°，11°～20°……统计每组节理条数及算出平均走向。

其次，确定作图比例尺。按作图大小和最多那一组节理的条数，选取一定长度的线段作为一条节理的线条比例尺，然后以等长或稍长于按线条比例尺表示最多那一组节理条数的线段长度为半径，作一个上半圆，通过圆心画出E、W、N三个方向，并标出方位角。

再次，定点连线。从1°～10°第一组开始，从半径方向按该组节理条数线段比例找出对应走向方位角中间值之点，此点即表示该组节理平均走向和条数。待各组的点确定之后，依次将相邻组的点折线连接。当其中某一组无节理时，应将连线折回圆心，然后再从圆心往下一组的点相连（最好边找点边连线）。

最后，写上图名，标出线段比例尺。必要时画出河流流向和主要建筑物（如坝轴线等）方位，以便分析评价节理对水工建筑物等的影响。线、产状及其他观测点等一一标绘到相应的位置上，构成平面路线图。

选择剖面方位，一般情况，选择与岩层倾向一致的方向作为剖面方向，或连接基线的起点和终点作为剖面线。投绘剖面地形轮廓线：在导线平面图的下方，平行于剖面线作一与之等长的基线，在基线两端点树起高程标尺（若未知基点高程，可按相对高差计），并将左端定为起点，再将各导线点按累积高差投影在基线上方，连接各点即得剖面地形轮廓线。投绘剖面中的地质内容：将导线上各岩层分界点、各种地质构造及地质现象投影到地形线上，按产状和规定的图例符号表示出地层（若剖面方向与岩层走向垂直时，按真倾角表示，否则按视倾角表示）岩性和其他地质条件。

（五）岩体接触关系与形成时代的野外观测与确定

1．岩体的接触关系

（1）侵入接触

反映岩体侵入时代晚于围岩。侵入标志主要有：①岩体切穿围岩，在主要岩体附近有岩枝伸入围岩之中；②岩体边部常有较细粒的冷凝边（或边缘带）；③岩体边部原生流动构造比较发育；④岩体中有大量的围岩捕虏体和同化混染现象；⑤围岩受岩体的影响出现变质矿物，发现在接触变质晕（带），常伴随有矿化或矿体出现，变质晕的宽窄主要与岩体的成分、大小、侵入深度、接触面的陡缓和围岩成分有关。

（2）沉积接触

岩体遭受风化剥蚀后，为沉积岩层所覆盖的接触关系。主要识别标志有：①在侵入体的顶部与其接触的沉积岩中，没有发现任何变质现象；②在上覆沉积岩底部的沉积物中，常有被剥蚀的侵入体砾石或砂砾；③在接触面上，岩体表面发育有不平整的侵蚀面或风化壳；④岩体顶部的岩脉或矿体有被切断现象。

呈沉积接触关系的岩体，其形成时代早于上覆沉积岩层的时代。

（3）断层接触

侵入体与围岩之间呈断层关系，在接触带上有断裂现象，如擦痕、碎裂岩甚至糜棱岩带等。

（4）接触面产状野外观测与分析

接触面可分为平整接触、波状接触、疙瘩状接触、锯齿状接触、枝杈状接触、顺层注入接触等。平整的和波状的接触说明岩浆活动性不大，多为急变接触。疙瘩状接触则表明岩浆的静压力是十分强大的，以致冲碎围岩。锯齿状与疙瘩状接触相似，不过其化学活动性更强烈，枝杈状接触与顺层注入接触都是在岩浆静压力大和化学活动性很强的情况下形成的，不过后者又与围岩的构造有关。

在野外必须弄清它们的接触关系，是渐变的还是急变的；接触面是陡的还是平缓的，它的宽度多大；接触线是弯曲的还是平直的等。详细记录下来，并描绘素描图。

还应着重研究它与围岩的关系，了解围岩是何种岩性，由近而远仔细观察变质矿物的出现情况，注意有否交代现象，在此基础上，根据岩石的矿物共生组合，标型矿物和结构构造特征，按变质程度进行分带。外接触带一般可分为内、中、外或高、中、低（级）三带。分带的标准应依当地岩石特征进行具体分析，确定标准矿物然后进行。

另外也要特别注意内接触带的变化情况。为此在工作中，结合具体情况进行内外接触带的划分；而大比例尺地质图（或略图），则应结合具体特征予以划分，并在图上表示。

2．岩体形成时代的确定

确定岩体时代的主要方法有以下几种。

（1）根据接触关系

当岩体与围岩呈侵入接触时，则岩体形成于被岩体侵入的整套地层中最新地层之后。如果岩体与围岩为沉积接触，即被角度不整合覆盖，则岩体形成时代早于被侵入的不整合下伏地层中最新地层之后，上覆地层中最老地层之前。

（2）根据岩体特性对比

当无法根据接触关系确定岩体的形成时代时，可以与邻区已知时代的岩体进行对比来推断岩体时代。对比的内容包括岩体的构造型式、侵位机制、岩石的结构构造、矿物成分、化学成分和微量元素等。一般来说，同期同源的岩体具有许多共性。

（3）根据与区域构造的关系

岩浆活动总是与某一构造运动幕相关。如果岩体侵入于燕山期褶皱之中，则表明岩体与褶皱同时形成或在褶皱作用晚期形成。如果查明了岩体与区域构造的时空关系，就可以基本确定岩体形成的相对时代。

（4）利用岩体相互穿插关系确定复式岩体内多期侵入的顺序

在岩浆岩广泛发育的地区，往往有多期侵入形成的复式杂岩体。在杂岩体内各岩体之间存在侵入接触关系以及穿插和切割。据此，可确定复式岩体的多期侵入顺序。其判别标志有：①具冷凝边的岩体为晚期岩体，具烘烤边或接触变质晕的岩体为早期岩体；②定向组构被切割的岩体为早期岩体，定向组构平行于两岩体接触面的岩体为晚期岩体；③如果一岩体中包含有相邻岩体岩石的捕虏体，则为晚期岩体；④一岩脉穿插到一个岩体内而被相邻岩体截切，截切岩脉的岩体形成时代较晚。