斷裂構(gòu)造野外觀測(cè)與研究

1、斷裂構(gòu)造野外觀測(cè)與研究,,吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,廣泛發(fā)育在不同構(gòu)造環(huán)境中、類型多、形成機(jī)制各異，研究方法、內(nèi)容各不相同；存在問題多；變形機(jī)制、構(gòu)造巖、斷層分帶、成礦熱液活動(dòng)特征等問題沒有很好解決研究具有實(shí)際意義：如何進(jìn)行斷裂帶野外觀測(cè)、研究和分析?,一、斷層分類 —依據(jù)斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式,逆斷層,正斷層,走滑斷層,走滑斷層的主要特點(diǎn),左行與右行,根據(jù)兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)正、逆（逆沖）、平移組合：平移－正斷層；逆－平移

2、斷層,—力學(xué)性質(zhì)分類,壓性斷裂－張性斷裂－扭（剪）性斷裂－　　　此分類，在工程地質(zhì)，礦田構(gòu)造及地震地質(zhì)等方面被廣泛應(yīng)用！,二、 斷層的識(shí)別地形地貌標(biāo)志 （小尺度上） 斷層崖、斷層三角面、地形錯(cuò)開等巖石標(biāo)志體的錯(cuò)開（大尺度上）構(gòu)造標(biāo)志（野外露頭） 斷層破碎帶、面理化帶、斷層構(gòu)造巖、構(gòu)造突變帶等,斷層崖,斷層三角面,,,地形錯(cuò)開,,,,,巖石標(biāo)志體的錯(cuò)開,斷層破碎帶,斷層破碎帶,構(gòu)

3、造透鏡體,面理化帶,斷層構(gòu)造巖,斷層構(gòu)造巖、構(gòu)造突變帶等,三、脆性破碎帶變形機(jī)制和 構(gòu)造巖類型,Griggs1960,巖石變形實(shí)驗(yàn),1. 破裂作用：發(fā)生在巖石、礦物晶體規(guī)模上破裂作用。從應(yīng)力—應(yīng)變的角度上看，巖石或礦物在應(yīng)力作用下，超過強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂。巖石的抗剪強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度弱，易于產(chǎn)生這兩種裂隙。宏觀上的脆性變形為脆性破裂，從微觀角度看主要是微破裂的產(chǎn)生和擴(kuò)展及有關(guān)的碎裂作用,2.碎裂流動(dòng)a.定義：

4、碎裂作用使巖石破碎呈細(xì)小的碎塊，隨后這些細(xì)小碎塊發(fā)生了滑移和旋轉(zhuǎn)、產(chǎn)生了連續(xù)流動(dòng)。b.產(chǎn)物：斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥c.碎裂流動(dòng)特征（1）在碎裂流動(dòng)過程中，裂隙和孔隙被從流體中沉淀物質(zhì)充填，隨后充填物發(fā)生破碎，造成了角礫成分復(fù)雜。（2）碎裂流動(dòng)發(fā)生在地殼淺部層次上，溫度低、應(yīng)變速率高條件下。（3）流體促進(jìn)了巖石破裂。,太行山北段中新生代斷層巖碳酸鹽巖區(qū)碎裂巖系列斷層巖典型顯微構(gòu)造特征,碎裂流動(dòng)帶,,,,,脆性斷層構(gòu)造巖類

5、型及其特征,概念： 斷層巖或碎裂巖：在斷層發(fā)育過程中因破裂、摩擦、碾磨、流動(dòng)和新礦物化等作用而形成的具有特殊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征的新生巖石。目前沒有統(tǒng)一的分類方案，目前的分類主要為結(jié)構(gòu)分類和成因分類方案,,1、結(jié)構(gòu)分類,2、成因分類：Wise (1984)以應(yīng)變速率和恢復(fù)速率分別為縱、橫坐標(biāo)的分類圖(圖6-2)也常常被引用。,未固結(jié),,,（1）斷層角礫巖（2）斷層泥(碎塊含量＜30％）,固結(jié),,,（1）碎裂巖（2）

6、斷層角礫巖（＞1mm）（3）微角礫巖（碎塊＜1mm)（4）斷層泥(<0.02mm)（5）地震巖（6）構(gòu)造片巖,脆性斷層帶內(nèi)構(gòu)造巖分類,人們?cè)谀Σ翆?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)斷層泥的存在對(duì)斷層的粘滑特征有很大的影響，斷層泥在斷層運(yùn)動(dòng)中起著重要的作用。斷層泥是斷層反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩側(cè)巖石破碎形成的，斷層泥中粘土的含量與生成時(shí)間有關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)，粘土含量越多。斷層泥的成分主要為粘土礦物，如蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等混合物，以及一些石英、長(zhǎng)石、方解

7、石碎屑等，其組成與斷層母巖有關(guān)。此外，炭質(zhì)成分增加，其顏色發(fā)暗。利用斷層泥中礦物組合來推測(cè)斷層形成時(shí)的溫度、壓力狀態(tài)。,斷層泥,,碎裂巖特征,構(gòu)造角礫巖類一般是指斷裂帶中的巖石，由于斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或引張、擠壓和扭錯(cuò)過程中，發(fā)生脆性變形而使巖塊墜碎、擠碎或搓碎發(fā)生位移后，又被膠結(jié)所形成的具角礫狀構(gòu)造的巖石。也稱斷裂角礫巖。 這類巖石在野外就可以正確的定名，因?yàn)槠渲械摹敖堑[”是肉眼能夠分辨清楚的。目前多采用斯普瑞((Sp

8、ry, 1969)的規(guī)定。＞5mm為礫級(jí)，5-1mm為細(xì)礫級(jí)，< 1mm為顯微礫級(jí)，＞ l0cm的礫徑，可稱為巨礫。,,構(gòu)造角礫巖,,構(gòu)造片巖,,微角礫巖（micro－breccia）變形強(qiáng)度大，破碎強(qiáng)烈，碎塊粒度更細(xì)＜１mm，發(fā)育斷層帶核部。,顏色呈灰黃色、巖石結(jié)構(gòu)質(zhì)密，但發(fā)育密集破劈理構(gòu)造,地震巖（?；瘞r、假玄武玻璃）?；瘞r(pseudotachylyte)最早由Shand(1916)提出，用于描述南非Pailis地區(qū)一種

9、由沖擊作用形成的呈脈狀的暗色隱晶質(zhì)巖石。這種巖石一般顏色較深，常呈黑色或黑綠色，外貌很像玄武玻璃，故又稱假玄武玻璃，也有人稱構(gòu)造熔巖(何紹勛等，1996)。?；瘞r是巖石在高應(yīng)變速率(由地震或沖擊作用引起)下，沿?cái)嗝婵焖倩瑒?dòng)所形成的一種特殊的構(gòu)造巖。,pseudotachytite,,它們以形狀不規(guī)則的單脈或網(wǎng)狀及多期穿插分布于斷層帶中，與圍巖呈侵入關(guān)系并有明確的邊界。脈體主要由暗色非晶質(zhì)或隱晶質(zhì)玻璃基質(zhì)組成，內(nèi)有樹枝狀或球狀微晶結(jié)構(gòu)?；?/p>

10、質(zhì)中含有大量母巖的巖屑和晶屑，主要為石英，其次是少量長(zhǎng)石;碎屑有熔蝕現(xiàn)象。另外還有氣孔、杏仁、球粒、冷凝邊和流動(dòng)等構(gòu)造。,pseudotachytite,,熔蝕長(zhǎng)石碎斑,,構(gòu)造片巖,,,判別標(biāo)志：標(biāo)志體的被錯(cuò)開牽引構(gòu)造擦痕和階步伴生小構(gòu)造: 張裂脈、張節(jié)理（張裂隙）、羽狀剪節(jié)理（剪裂隙）、構(gòu)造透鏡體、小褶皺和劈理（或片理）等,四、斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的確定,1．根據(jù)兩盤地層的新老關(guān)系2．牽引褶皺：巖層彎曲

11、的突出方向指示本盤的運(yùn)動(dòng)方向平面上：,,斷層兩盤運(yùn)動(dòng)方向的確定,剖面上：?。保龜鄬訝恳龢?gòu)造　　?。ǎ保┱隣恳　　。ǎ玻┓礌恳。玻鏀鄬訝恳龢?gòu)造,剖面上—牽引構(gòu)造,擦痕：由粗而深到細(xì)而淺的方向指示對(duì)盤運(yùn)動(dòng)方向,,,,,階步：與擦痕直交的陡坎 正階步：陡坎指示對(duì)盤運(yùn)動(dòng)方向 反階步：陡坎指示本盤運(yùn)動(dòng)方向,派生構(gòu)造,,,,,,X,Z,,,張剪裂脈或張剪節(jié)理,

12、,,,,羽狀剪切裂隙,,羽狀張節(jié)理,,,,,構(gòu)造透鏡體,劈理,,五、斷層帶分帶性,由于斷層帶內(nèi)部變形強(qiáng)度、變形機(jī)制的不均勻性，造成了斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)分帶性。,部分研究者根據(jù)變形強(qiáng)度,可將斷裂帶細(xì)分為核部(fault core)、破裂帶(damage zone)及圍巖三個(gè)部分。核部可能表現(xiàn)為一個(gè)滑動(dòng)面,也可能由富粘土的斷層泥組成,甚或形成高度固結(jié)的角礫巖帶。核部寬度很窄,小斷層可能僅有2~3mm寬,大的斷層也就10~20cm寬。盡管斷裂帶

13、核部寬度普遍很窄,但卻吸收了該斷裂帶的大部分變形。,圖1　大型走滑斷裂帶結(jié)構(gòu)示意圖,破裂帶規(guī)模比起核部來相對(duì)較大,寬度約數(shù)百米左右,但變形程度卻相對(duì)要弱。在破裂帶中小斷層、裂隙以及小褶皺等比較發(fā)育。圍巖基本不發(fā)生變形。,,斷層核－由斷層泥組成,,斷層核部－斷層角礫巖帶,,主滑移面分布在靠近上盤接觸帶附近,,斷層上盤,斷層上盤,斷層分帶,,（1）片理化帶斷層滑移帶（2）構(gòu)造角礫巖帶（加上蝕 變類型）（3）碎裂巖帶（4）圍巖,大

14、多數(shù)斷層帶內(nèi)部分帶不是對(duì)稱分布，要根據(jù)具體情況而定。分帶依據(jù)：變形強(qiáng)度、構(gòu)造巖類型、次生構(gòu)造、蝕變類型、脈巖特征、蝕變礦化特點(diǎn)等因素。,膠東地區(qū)構(gòu)造礦化帶分帶與蝕變礦化分帶,,,,,六、構(gòu)造帶流體研究主要內(nèi)容,1.斷裂帶流體來源包括：（1）巖石孔隙水和巖石成巖、變質(zhì)過程中礦物脫 水，如蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化中脫水，沸石脫水；（2）地下水循環(huán)中帶入的天水；（3）巖漿中排出流體或幔源流體；（4）有機(jī)質(zhì)成熟過程中產(chǎn)生的流體和碳?xì)浠衔?/p>

15、。斷裂帶流體的成分變化較大，它與流體來源、水巖相互作用、斷裂分支方向及數(shù)量有關(guān)。,2. 流體在斷裂帶中分布斷裂帶中流體的分布具有明顯分帶性。并根據(jù)流體在斷層帶運(yùn)移情況，將斷層帶分為：局部導(dǎo)水?dāng)鄬訋?SSF)、導(dǎo)水?dāng)鄬訋?DDZ)、局部隔水?dāng)鄬訋?LDZ)和導(dǎo)水-隔水復(fù)合斷層帶(CDZ),,斷裂帶分類根據(jù)斷裂帶核部在流體運(yùn)移中所起的作用(導(dǎo)管或隔水層),斷裂帶可以分為四類:局部導(dǎo)水?dāng)鄬訋?SSF)、導(dǎo)水?dāng)鄬訋?DDZ)、局部隔水?dāng)鄬訋?/p>

16、(LDZ)和導(dǎo)水-隔水復(fù)合斷層帶(CDZ),分別代表了斷層演化過程中的流體運(yùn)移的幾個(gè)理想階段。新形成的斷層可能只有一個(gè)破裂面,位移距離也很小,因此流體沿著該破裂面的滲透率將增大,從而形成了局部導(dǎo)水?dāng)鄬訋? 隨著斷層的擴(kuò)展,沿著主破裂面兩側(cè)可能形成了格網(wǎng)狀的破裂帶,使得該斷層帶的滲透率增高,形成導(dǎo)水?dāng)鄬訋?,3. 斷裂帶中流體成脈模式斷裂帶脈體的形成是流體活動(dòng)的主要產(chǎn)物，斷裂脈體及其流體包裹體中都存在多期流體作用和活動(dòng)的痕跡。斷

17、裂帶脈的充填一般包含兩種類型，即斷裂充填脈和邊緣伸展脈。脈的形態(tài)、分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)與剪切應(yīng)力的變化、流體壓力和近地表主應(yīng)力方向有關(guān)。,周期性脈的形成與地震旋回相關(guān)，即所謂斷裂閥模式(fault valve model)。Robert等詳細(xì)地將這一模式劃分為四個(gè)階段，即地震前階段、地震破裂階段、緊鄰破裂后階段和斷裂封閉階段。,地震前階段　以剪切應(yīng)力的增加為特征，σ1為水平方向，σ3為垂直方向。此時(shí)以水平擠壓力為主，導(dǎo)致各向同性的巖石中形

18、成近水平伸展的脈體。斷裂帶中封閉部分的存在將阻止這些流體域的增大，并可能導(dǎo)致流體沿?cái)嗔褍蓚?cè)的近水平應(yīng)力破裂擴(kuò)散或貯存。,地震破裂階段　地震破裂的結(jié)果是壓力封閉體的裂開和流體壓力的下降，并推動(dòng)超流體壓力沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移，同時(shí)產(chǎn)生斷裂角礫。此外，流體壓力下降的另一原因是原有水—二氧化碳—鹽流體與富水和二氧化碳流體分離在不同部位和微裂隙中。,緊鄰破裂后階段　該階段以局部的垂向和水平主應(yīng)力軸的反轉(zhuǎn)為特征，如伸展脈中垂向縮短，垂直微裂隙和水平

19、的石香腸構(gòu)造,斷裂封閉階段　在局部瞬時(shí)應(yīng)力反轉(zhuǎn)之后，水平方向主應(yīng)力σ1將再作用于斷裂，裂后流體壓力的下降和更深源流體的上升將有助于石英沉淀，同樣，由于流體壓力下降而不能混合的流體將有助于碳酸鹽沉淀這些礦物沉淀將導(dǎo)致斷裂帶滲率降低和封閉，從而進(jìn)一步有利于重結(jié)晶過程。,4 斷裂帶對(duì)流體形成和運(yùn)移的控制 在斷裂變形中,流體在斷層中流動(dòng)和運(yùn)移是受斷層活動(dòng)控制。Sibson(1994)提出地震泵吸作用（seismic pumping）和斷層

20、閥（fault valve）機(jī)制來解釋斷層帶中流體的脈沖式流動(dòng)特征。斷層活動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造變形能夠驅(qū)使流體的大規(guī)模遷移，使得流體在巖石中重新分布，流體壓力也能夠通過降低斷層面的磨察阻力和減小巖石減切強(qiáng)度，來激發(fā)斷層活動(dòng),七、斷裂構(gòu)造帶動(dòng)力學(xué)分析,動(dòng)力學(xué)分析,推測(cè)主應(yīng)力方位：1.利用石英變形紋確定主應(yīng)力方位,a銳角法,b. c1-c2法,c.箭號(hào)法的圖解箭頭為變形紋極點(diǎn)，箭尾為光軸方位,,,c1-c2法圖解空心點(diǎn)為c1 ，小圓點(diǎn)為c2

21、,σ1,σ3,2.利用云母扭折帶確定主應(yīng)力方位因?yàn)榕ふ蹘н吔绲臉O點(diǎn)方位與與主應(yīng)力方位近似。,3.利用雙晶紋確定主應(yīng)力方位如方解石的雙晶紋與應(yīng)力方位有一定的關(guān)系，e雙晶紋滑移最有利的應(yīng)力方位是壓縮軸C和拉伸軸T都在雙晶紋和光軸組成的平面內(nèi)，與e雙晶面成45°角。因?yàn)榉浇馐廨S與e雙晶面法線為26 °角，壓縮軸C與光軸之間的夾角為71 ° ，壓縮軸C和拉伸軸T之間夾角為90 ° 。,古應(yīng)力值的計(jì)

22、算1.位錯(cuò)密度法,2.亞晶粒法,3.動(dòng)態(tài)重結(jié)晶新顆粒,三、應(yīng)變分析,定量計(jì)算巖石變形后應(yīng)變量的大小，以及由此進(jìn)一步計(jì)算剪切帶的體積變化和位移量，是顯微構(gòu)造研究的重要內(nèi)容之一。1.Flinn圖解，主要用來表示無體積變化的平面應(yīng)變。Flinn參數(shù)k=(a-1)/(b-1)其中a=(1+e1)/(1+e2), b=(1+e2)/(1+e3).a,b≧1,而(1+e1)=x, (1+e2)=y, (1+e3)=z，分別代表應(yīng)變橢球體的長(zhǎng)

23、軸，中間軸和短軸。(1).k=0時(shí),x=y,應(yīng)變橢球體的形態(tài)為單軸旋轉(zhuǎn)的扁球體.純壓扁 變形(2).0<k<1時(shí),應(yīng)變橢球體為扁球體,應(yīng)變?yōu)閴罕庑?(3). k=1時(shí),a=b,即x/y=y/z,代表平面應(yīng)變.(4). 1<k<∞時(shí),應(yīng)變橢球體為長(zhǎng)橢球體,應(yīng)變?yōu)樯煺剐?5). k=∞時(shí),應(yīng)變橢球體的中間軸與短軸相等,為單軸旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)橢球體.純拉伸變形.,(1+e1)=x,(1+e2)=y,(1+e3)=z,