断层应力分析若干问题探讨

第17卷　第2期山 西 煤 炭V o l117　N o12 1997年4月SHAN X I COAL A p r11997
断层应力分析若干问题探讨
周宁丰① 卫　宏
(山西大学师范学院地理系) (山西矿业学院地质系)　
摘　要　断层应力分析是断裂研究的一个重要方面。

本文讨论了断层应力分析方法在应用上的局限性,指出了应用断层应力分析方法时应注意的事项。

关键词　断层;构造形迹;应力分析
0　引言
为了反演古构造应力场,需要大量的、易观测的、有效的古应力标志——构造形迹。

轴面直立的纵弯褶皱、早期平面X节理、应力矿物等都是古构造应力分析的得力工具。

在脆性变形地区,由于断层普遍发育,且易于观测,一些学者提出了利用断层进行古应力分析的方法,并编入了大学教科书。

笔者在实际工作中,发现利用断层进行古构造应力分析有些缺陷,现提出不同见解。

1　用断层进行古构造应力分析的基本方法
断层可划分为地震断层与地质断层。

本文仅就地质断层的应力分析进行探讨。

利用断层确定古构造应力状态的方法有两种,分述如下。

111　利用共轭断层确定点主应力轴
这种方法同利用共轭节理确定点主应力轴的方法基本相同。

首先,在野外根据各种配套标志(如滑移方向、剪切角等特征)确定两条断层的共轭属性,同时依据各种滑移标志(如擦痕、阶步等)确定断层位移方向,然后,利用赤平报影的方法,确定点主应力轴产状。

112　用断层面产状及擦痕确定点主应力轴通过野外详细观测,可以确定断层面的产状及其擦痕侧伏角与位移方向。

在此基础上,借助于赤平投影的方法,可以确定应力状态。

2用断层进行古构造应力分析应注意的问题
利用断层进行古构造应力分析是一种简捷的方法,但断层的共轭属性及位移方向的确定比较困难,且用之求得的点应力状态的意义不确定。

211　断层的形成与区域平面X节理的关系自然界中所见的断层,除平移断层外,大多与岩层层面斜交。

原苏联著名地质学家格尔比耳提出了利用11节理(或小断层)预测未知断层的理论(图1)。

据统计,在大断层附近的节理组数有时可多达12组～14组,派生、伴生与区域背景节理相互混杂,难以区分。

但所有节理在赤平投影图上的反映却泾渭分明。

区域背景节
①本文第一作者:周宁丰,女,1958年生,学士,山西大学师范学院,讲师,030012收稿日期:1996-11-25
图1　断层附近伴生、派生节理与
区域背景节理的关系图
理的极点极密,均位于岩层层面的赤平投影大圆弧上,而断层的派生、伴生节理的极点极密,分别位于两相交大圆弧上,且在其交点即11节理极点。

按照格尔比耳的观点,11节理的产状和性质与大断层完全相同。

这反映出断层与岩层层面斜交。

这一事实说明,断层并非与早期平面X 节理同时形成,也并非是早期平面X节理发展的产物。

它可能是平面X节理形成后,岩层开始发生弯曲时区域应力场的产物(图2);也可能是褶曲发展到一定阶段,局部应力场形成了剖面X节理,剖面X节理继续发展成为断层;或者是褶曲发展到后期阶段形成倒转褶曲,倒转翼被逐渐拉薄,直至拉断形成断层。

总之,断层的形成时期可能稍晚于早期平面X节理,可能为区域应力场产物,也可能是局部应力场的产物。

因此,据断层求得的点古构造应力状态常与据平面X节理求得的不同。

临汾河底镇是禹门口——靳家川断裂带通过处。

断裂附近二叠系砂岩中发育一套网格状平面X节理,其代表性产状为40°<51°, 158°<73°,岩层产状为260°<60°,据之求得的古构造应力状态为:Ρ199°<11°,Ρ2252°< 80°,Ρ39°<6°.同时,在逆断层层面上测得断层产状与擦痕侧伏角为:135°<62°和N E75°。

据之求得的古构造应力状态为Ρ1118°<30°,Ρ2214°<14°,Ρ3326°<56°。

两者相差较大,说明早期平面X节理与断层的古构造应力场不同。

断层形成时期可能晚于平面X节理。

212　与褶曲有关的断层所反映的古构造应力场
21211　与倒转褶曲有关的断层所反映的古构造应力场
倒转褶曲发展到一定阶段,其倒转翼会逐渐变薄,直至拉断形成逆冲断层。

由此种断层求得的古构造应力状态反映局部派生应力场的特征(图2),其最大主压应力轴Ρ1与区域最大主压应力轴Ρ1差别甚大。

图2　倒转褶曲倒转翼上断层的形成
21212　纵弯直立褶曲两翼断层所反映的古构造应力状态
在最大主压应力Ρ1水平的构造应力场作用下,岩层发生纵向弯曲,形成直立褶曲。

直立褶曲轴面的法线基本上相当于区域最大主压应力Ρ1的方向。

褶曲形成后,在其两翼,区域最大主压应力可分解为Ρ1′与Ρ1″1其中,Ρ1平行于岩层层面,Ρ1′垂直于岩层层面。

在从Ρ1′或Ρ1″为代表的派生应力场作用下,或者形成a与b,或者形成c与d共轭断裂系(图3)。

其中a、b与岩层层面的夹角为30°左右,c、d与岩层层面的夹角为60°左右。

图3　纵弯直立褶曲两翼断层所反映的应力状态
显然,据a与b或c与d这两套共轭断裂能分别求得两套古应力状态,而哪一套与区域应力状态都不相同。

22山　西　煤　炭第17卷
21213　褶曲演变对断层所反映的应力状态
的影响
褶曲形成后,在同一区域应力场的持续作用下,褶曲两翼产状会发生变化,由平缓而倾斜,进而陡倾,甚至发展为倒转褶皱。

随着褶曲的演化,早期形成于褶曲两翼断层的产状也随之变化(图4)。

图4　褶曲的演化对断层产状的影响
可见,存在于褶曲两翼的断层,其产状很可能已经变化了,而且难以恢复原始产状。

因此,据发育于褶曲两翼的断层求得的古构造应力状态是不大可信的。

213　断层产状变化对断层古应力分析的影响
断层的产状在空间是变化的,除真正的扭性断层外,张性、张扭性、压性、压扭性断层产状都是变化的。

虽然可通过统计的方法求得一条断层的平均产状,从而求得具有代表性的古构造应力场,但对于具有断坡、断坪结构的断层来说,统计分析方法就不太适用了。

由于岩石力学性质的差异,断层在不同岩性的岩层中产状不同。

一般在脆性岩层中倾角较大,在塑性岩层中倾角较小,甚至成为顺层滑动的断层,从而形成断层的断坡、断坪结构。

对具有断坡、断坪结构的断层来说,尽管区域应力状态是统一的,但断层不同部位所反映的古构造应力状态不同(图5)。

由图可见,断坪与断坡处所反映的最大主压应力方向相差悬殊。

214
　平移层与区域应力状态
图5　断坡与断坪处应力状态的差异
平移断层断面直立,其成因相当于早期平面X 节理的成因,因此,据之所求得的古构造应力状态可反映区域古构造应力场的特征。

3　结论
断层的形成是一个复杂的问题,它既可以是区域应力场的产物,也可以是局部应力场的产物;既可以形成于岩层发生褶皱之前,也可形成于岩层发生褶皱之后的不同演化阶段;可能只发生过一次活动,也可能经历过多次活动。

因此,利用断层进行古应力分析,只有在准确确定其形成条件及活动历史的情况下才有意义。

a .据平移断层确定的古构造应力状态是可信的,它反映区域应力场的特征。

b .断层大多与岩层层面斜交,据推测,其可能形成于早期平面X 节理之后。

所反映的古构造应力状态也许与平面X 节理所反映的古构造应力状态相同,也可能不同。

c .发育于褶曲翼部的断层,可能为区域应力场的产物,也可能为局部应力场的产物;其产状可能为原始产状,也可能为改变了的产状。

因此,据之求得的古构造应力方位只能提供参考价值。

d .对产状变化较大的断层,宜采用统计学的方法进行古构造应力分析;对具有断坡、断坪结构的断层,其古构造应力分析结果与区域古应力差别较大,且不同部位古构造应力状态不同。

(下转第41页)
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2第2期周宁丰等:断层应力分析若干问题探讨
The appl ica tion of com peten t bed effectiveness
va lue for foreca sti ng s ma ll structure
Pen Hua
(D a tong M in ing B u reau M eiy ukuo M ine )
Abstract
T he concep t of com peten t bed effectiveness -value ,geo logical m ean s ,calcu lating m ethod and draw ing are in troduced .T he p aram eters are app lied to fo recast and analyze the s m all
structu re at 11#～12#
seam 412panel of M eiyukou M ine .
KEY WOR D S co m peten t bed effectiveness -va lue ;s ma ll structure foreca st ;var i a tion of
l itholog ic co m b i na tion
本文责任编辑　胡广权
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参　考　文　献
1　刘志钢1煤矿构造学.北京:世界图书出版社,19902　龙荣生1矿井地质.北京:煤炭工业出版社,1990
3　格尔比乐,H 1C 1…,刘志钢译1煤层断裂1阜新矿业学院情报室,1987
D iscussion on certa i n issues of fault -stress ana lysis
Zhou N i ngfeng
(D ep a rt m en t of Geog rap hy ,E d uca tion S chool of S hanx i U n iversity )
W e i Hong
(D ep a rt m en t of Geology ,S hanx i M in ing Institu te )
Abstract
To analyze fau lt stress is one i m po rden t field of b reak ing studies .T h is pap er discu ssed the li m it on fau lt -stress analysis in app licati on s and po in ted ou t the m etters needing atten 2ti on fo r u sing th is analysis .
KEY WOED S fault ;stress ana lysis ;structure for ma l ity
本文责任编辑　胡广权
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4第2期彭华:强岩层效应值在矿井小构造预测中的应用。