水利水电工程地质2_地质构造及区域构造稳定性

一、剪切节理
如上述，岩石在受压、受拉或剪切（包括力偶作用）时，均可形成剪节理。
剪节理的主要特征如下： 1. 节理面平直光滑且产状稳定，延伸较长（可达数十米），在砾岩中常见 其切割坚硬的砾石（图2—21）。 2. 呈闭合状，裂隙宽度较小，受后期地质作用力的影响，也可裂开并充填 粘土或岩屑。 3. 多成对出现。在同一作用力下形成的两组共轭剪节理，也称X节理。由 于其相互交叉切割，使岩层形成菱形、方形（棋盘格式构造）。（图 2—21、2—22）。 4. 有时主剪裂面由多条互相平行的微小剪裂面组成，这些微小剪裂面呈羽 状排列，称为羽状剪切节理（也可以是共轭的两组）。图2—23。 5. 沿节理面抗剪强度往往较低，在边坡和坝基岩体中易形成滑动破坏面。
图2—25 追踪张节理（北京门头沟）
图2—26 侧列张节理（河南卢氏）
节理被石英脉充填，面不平直，脉的厚度变化较大，向两端很快尖灭，在其旁又出 现另一条相同方向的脉，呈尖灭侧现形式。
图2—27 沿剪切带发 育的雁行式 张节理（北 京周口店， 奥陶系白云 质灰岩）
节理均为白色方解石充填。每个节理末端与整个剪切带相交成450，节理中部在形 成后受到继续变形而发生裂缝方位的旋转和加宽，形成反S形弯曲。节理末端的方 向与剪切带相交的锐角顶以及整个节理呈反S形弯曲都指示剪切带为顺时针的剪切。
图中方形块体ABCD在 力偶作用下变形为菱形 A′B′C′D′，其长对角线 A′ D′方向变成受拉方向， 而短对角线B′C′方向则 为受压方向。因此，节 理面与A′ D′垂直 的那组 剪切节理将被逐个拉开 形成雁列现象。
图2—28 雁列张节理形成机理
第四节
断层构造
岩层或岩体在构造应力的作用下发生破裂，沿破裂面有明显相对位移的构造现象 称为断层，前面已述及，它与节理合称为断裂构造。 一、断层的几何要素（图2—29） ⒈断层面：两部分岩块沿之滑动的破裂面即断层面。其空间位置由该面的走 向，倾向、倾角确定。断层面往往不是一个平面，而是一个曲面。此外，有些断 层并非一个“面”，而是一个“带”，其中或发育有一系列密集的破裂面；或杂 乱堆积着由断层运动而破裂和搓碎的两侧岩石的碎块、碎屑，称为断层破碎带。
背斜谷、向斜脊（广东阳春）
•从地形上看，往往是背斜核部形成河谷低地；向斜核部则可能形成山脊。因此不 要将现代地形与褶皱形态混为一谈，实际上背斜成山、向斜为谷并不是规律。
•由于剥蚀或露头情况不好，野外大部分褶皱都无法直接观察到它的形态，此时应 按下述方法进行观察分析。
褶皱构造立体图
•垂直岩层走向观察，若有岩层重复对称出现时，则可肯定有褶皱。
倾角： 岩层面与水平面的夹角，称为岩层倾角。(dip angle)
岩层产状要素示意图
产状要素表示法：
走向、倾向、倾角合称为产状要素。
记录方法如下：
（1）方位角表示：450 ，1350 ∠400 （2）象限角表示：N450E ，E450S ∠400 （3）简洁方法： 1350 ∠400
图示方法如下：
湖南加禾下三叠系薄层灰岩
外侧为箱状，具平直的 顶部和陡的两翼。两个 箱尖呈尖棱状，向内合 成一个尖棱的内核，轴 面相交合成单一轴面。
平卧褶皱
河北太行山 太古界绿色片岩
层间在弯曲处形成“虚脱”，并被方解石脉充 填。
挠曲
四川广元 三叠系石灰岩
直立褶皱
山东五莲 白垩系砂、页岩
四、褶皱构造的野外识别
轴（线）：轴面与水平面的交线。
褶皱要素
2、 褶皱分类 （1） 按 轴面及两翼 岩层产状分 类
（a）直立褶皱；（b）倾斜褶皱；（c）倒转褶皱；（d）平卧褶皱；（e）翻卷褶皱
（2）按枢 纽产状分类
（a）、（a）水平褶皱；（b）（b）倾伏褶皱
圆弧褶曲
尖棱褶曲
箱形褶曲
扇形褶曲
挠曲
（ 3） 按岩层弯 曲形 态分类
•根据岩层新老组合关系的分析，确定褶皱的基本类型（背斜或向斜）。
•依据两翼岩层产状、轴面产状以及地层层序，分析判断褶皱的剖面类型和平面类型。 •分析褶皱的形成时代和过程，及其与其它地质构造间的关系。
五、褶皱区选址的工程地质问题
• 尽量辟开核部岩层。 • 坝址布置在褶皱的翼部时，选择倾向上游一翼岩层有利。
第二章 地质构造及区域构造稳定性
（tectonic
structure）
武汉大学水利水电学院工程地质教研室
概 述
地质作用：引起地壳物质组成、地壳结构和地表形态不断发生变化的作用。 内力地质作用 外力地质作用 地壳运动：由内力地质作用造成的地壳组成物质和结构发生变形和变位。 地壳运动又称为构造运动。 地质构造：组成地壳的岩层或岩石发生变形或变位的现象。 地壳运动类型 水平运动：地壳块体在水平方向上的移动，主要表现为水平 挤压和引张， 因而引起岩层发生褶皱和断裂，加大了地表的 起伏。 升降运动：地壳运动方向垂直于地表，即沿地球半径方向。 其速度非常缓慢。它主要引起地壳的隆起和凹陷、海陆变迁， 造成海进、海退。
地质年代表
时间单位
地层单位
岩石地层单位
最大的单位， 相当于系或统
代
界
群
纪
系
岩性均一或两种以上岩性 有规律的组合，并在一定 区域范围内有代表意义。
组
世
统
小于组，按岩性划分
段
这种地层单位是国际上 统一规定的，其代号也 是国际统一使用的代号。
地方性或区域性地层的 划分
三、地层年代的确定
地层年代
相对年代
界接触面则是起伏不平的，其间缺失一段时间的沉积岩层。有 时下部岩层的顶部还保存有古风化岩石，而上部岩层的底部常 保留一层底砾岩。平行不整合代表着两套岩层之间曾有过一次 地壳升降运动和沉积间断
角度不整合：指上下岩层产状不同，彼此呈角度接触，其间缺失某时间段落
的岩层，接触面多起伏不平，也常有底砾岩和古风化壳。角度不 整合代表着两套岩层之间曾发生过剧烈构造运动和海陆变迁。
岩浆岩与围岩间接触关系 沉积接触：先形成的岩浆岩，遭受风化剥蚀，然后在其上又沉积了新的沉积岩。
后期形成的沉积岩底部常形成一层含岩浆岩砾石的底砾岩。
侵入接触：后期岩浆岩侵入早期沉积岩的一种接触关系。接触带附近常形成一蚀
变带，岩浆岩中可见围岩的碎块，围岩因岩浆岩的侵入而分布零乱。
沉积岩接触关系
岩浆岩与围岩接触关系
老
新
新
地层层序法示意图
老
常见的几种古生物图版
第二节 褶皱构造(folding tectonics)
一、岩层产状及其接触关系
1、岩层产状：岩层在空间中的方位。通常用走向、倾向、倾角表示。 走向：岩层面与水平面相交的线称为走向线。走向线两端的延伸方向即岩层 走向。(strike)
倾向：垂直走向线，沿岩层面倾斜向下所引直线称为倾斜线，它在水平面上的投 影线即岩层的倾向。(dip)
二、褶皱的基本类型 岩层在构造运动中受力形成连续弯曲的永久变形称为褶皱。多数褶 皱是在水平挤压作用下形成的，少数则在垂直力或力偶作用下形成。
褶皱的力学成因
背斜：(anticline)
特征：中部岩层向上弯曲，两侧岩层相背向外倾斜。 规律：中间岩层时代老，两侧岩层依次变新且对称出现。
向斜：(syncline)
第一节
地史概要
地层：在一定的地质时期内所形成的具有一定层位的层状和 非层状岩石的总称。 一、地质年代 利用地质学的方法，对全世界的地层进行对比，综合考 虑地层形成的顺序和其中所含的化石，以及地质构造和古地 理环境，并据此把地壳的全部历史划分为许多自然阶段或时 期，称为地质年代。
二、地层单位 地层学中规定：与个地质年代相对应的地层单位，叫做界、 系、统。
穹隆
构造盆地
穹隆及构造盆地
复式褶皱
复背斜。在一个大的背斜构造的两翼，是由若干个较小的褶皱组成。 复向斜。在一个大的向斜构造的两翼，是由若干个较小的褶皱组成。
复背斜和复向斜也称复式褶皱，它是由强烈的构造运动挤压形成，
通常规模很大。
野外褶皱
标本上的小褶皱
内蒙古 云母石英片岩 （标本长15cm）
箱形褶皱
特征：中部岩层向下弯曲，两侧岩层相向向内倾斜。 规律：中间岩层时代新，两侧岩层依次变老且对称出现。
褶皱的基本形态
三、褶皱要素及形态分类
1、 褶皱要素
核部：褶皱弯曲的核心部位。 翼部：褶皱核部两侧的岩层。
轴面：平分两翼的假设面。 转折端：褶皱两翼岩层过渡的部位。
枢纽：褶皱的同一岩层上各弯曲最大点的连线。
图2—19 岩石的破裂方式
•受压时，理论上最大剪应力与主压应力的交角为450，但实际上大致等于450 –φ/2。两组剪 节理的锐角等分线指向主压应力方向。
•受拉时，剪切破坏面与主拉应力的交角常为450 +φ/2。即两组剪破裂面的钝角等分线指向 拉应力方向。 •受剪或力偶作用时，方块变为菱形，剪应力平行于菱形四个边。短对角线为受压方向， 长对角线为受拉方向。此时产生的两组剪破裂面，分别大致平行于菱形的四个边。
4. 5.
（翻页）
张节理
地层为寒武系厚层 灰岩。节理面曲折， 缝宽窄变化不大， 反映它是垂直节理 两壁拉伸的结果。
图2—24 张节理（山东安邱）
地层为奥陶系灰岩中的厚 层白云岩。左侧为一对共 轭剪节理，先剪后张被方 解石脉充填。中部向左倾 的节理又被后期向右倾的 剪节理（未充填脉）所错 开，但它们的运动方式都 一致反映岩层受垂直层面 的挤压。 向右倾的裂隙
羽列
图2—23 羽列
（河南登峰，震旦系石英砂岩）
每个节理与节理带方向成150夹角，其排列方式显示为左旋（逆时针）。
二、张节理
张节理是由拉应力所形成的破裂面，破裂面可以来自构造运动的各种力（图2—19） 张节理节理的特征如下： 1. 2. 3. 节理面起伏不平，弯曲粗糙，产状不稳定，延伸较短，在砾岩中不切割砾石。 （图2—24） 多为张开的裂隙，其中常充填有脉状方解石、石英。也可充填有未胶结或胶结 的粘性土或岩屑等。 张节理常沿先期形成的X型节理发育而成，故多呈锯齿状延伸，通常称为追踪 张裂。也有一条张节理由数条小张裂隙大致平行错开排列组成（侧列）。图2— 25、图2—26。 受力偶或剪切作用形成的张节理有时呈雁列状排列。有时雁行张节理是沿剪切 节理发育而成。（图2—27、图2—28） 沿张节理面的内摩擦角较剪切节理高，但若有粘土等物质充填，则抗剪强度受 充填物控制。张节理透水性强，常构成地下水或坝基、库岸的良好渗漏通道。
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剪节理
山东褚城，白垩 系粉砂岩中的剪 节理。节理延伸 较长，为含铅的 重晶石（白色） 充填。露头长约 1米。
图2—20 剪节理
图2—21 共轭剪节理
岩石被切成菱形体，两组节理交线（B轴）垂直于层面，其所夹锐角（650）等分线 为压缩方向（C轴）
图2—22 棋盘格式剪节理
一组走向N3260W，倾向NE，倾角 840；另一组走向N550E，倾向NW， 倾角 840 。两组节理间隔相同， 近于直交，其交线（B轴）近于直 交。并垂直层面。
• 坝肩存在顺层倾斜岩层对稳定不利。
• 布置隧洞时，一般让洞室轴线与最大构造应力方向一致。
第三节
构造节理
岩石在断裂变形阶段产生的构造统称为断裂构造。
节理：断裂两侧的岩石沿断裂面未发生明显位移或仅有微量位移
断裂构造 断层：断裂两侧的岩石沿断裂面发生较大位移。
节理的分类较多，这里主要介绍按力学成因分类的剪节理和张节理。 预备知识：岩石的破裂方式（图2—19）
岩ห้องสมุดไป่ตู้对法
同一时期、 同一地质环境下 形成的岩石，其 成分、结构、构 造以及上下相邻 岩层的特征应该 是相同或相似。 当已知某地层时 代，可通过岩性 对比来确定其他 地层的时代。
同位素法
根据岩石中所 含放射性元素的蜕 变来测定岩石的年 龄，进而确定地层 的年龄，此方法即 为同位素法。如 U238、 C14 ，前者半 衰期45亿年，后者 为5692年
水平岩层 直立岩层
250 250
倾斜岩层 倒转岩层
2、 岩层接触关系
沉积岩间接触关系 整合接触： 指上下两套岩层产状一致，互相平行，连续沉积形成，其间
不缺失某个时代的岩层。它反映岩层形成期间地壳比较稳定， 没有强烈的构造运动，古地理环境变化不大。
平行不整合：也称假整合，指上下两套岩层产状虽大致平行一致，但其分
绝对年代
地层层序法
按照地层的 沉积顺序，先沉 积的地层在下， 后沉积的新地层 在上，以此将一 个地区所有地层 按由下向上的顺 序衔接起来，便 可确定其新老关 系。
古生物法
利用岩石中 埋藏的标准化石 及其种属来确定 地层的新老关系。 根据生物演化规 律，化石结构越 简单，地层年代 越老，反之则越 新。