断层的性质与特征

断层性质与特征

一、问题的提出

生产实践中,经常遇到一些问题与断层的性质有关。如:水文地质中断层的导水性,断层与矿井突水淹井的关系;瓦斯地质中断层的开放性,断层与瓦斯赋存、瓦斯涌出及煤与瓦斯突出的关系等。显然,断层的性质具有致关重要的作用,就是分析问题的基础,没有对断层性质的准确判断,必然导致错误的结论。

正断层就是地台区一种最常见的构造类型。一般认为正断层为张性断层,并具有张性断层的一般特征。如断层面比较粗糙、断层角砾多棱角状、次棱角状、排列杂乱无章、没有强烈积压形成的复杂小褶皱等现象。但大量的实际观测表明,正断层并非主要就是张性,而就是剪性,并具有剪性断层的一般特征。

二、正断层性质

从理论上来说,正断层既可以就是剪应力作用下形成的剪破裂,也可以就是张应力作用下形成的张破裂。在构造应力作用下,岩石的破裂方式主要决定于以下三个因素:

(1)岩石的抗剪强度与抗张强度。由于岩石的抗张强度仅为抗剪强度的1/3,因此,在自然条件下,岩石更容易发生张破裂;

(2)岩石变形的地质环境。断层一般形成在地下围压很大的环境条件下,围压的作用不利于张性破裂的形成,而对剪破裂的发育比较有利。

(3)构造应力场性质。岩石在张应力作用下,超过其抗张强度形成张性破裂;在压应力作用下则形成剪性破裂。可用剪切破裂摩尔圆图解来说明(略)。

从实际来瞧,断层一般形成在地下围压很大的条件下,在压应力作用下,主要形成剪性破裂,只有在张应力作用下才形成张性破裂。因此,尽管岩石的抗张强度远小于抗剪强度,但由于受环境围压条件的作用,岩石中更多形成的就是剪切破裂,而不就是张破裂。如,岩石中的节理主要为剪节理,张节理比较少见。节理的性质尚且如此,由张节理进一步发育所形成的典型张性断层更为少见。

三、正断层特征

断层的特征一般包括断层面特征、构造岩特征、断层两盘伴生构造特征及断层的组合特征等四个方面。断层的特征决定于断层的性质。比较明显反映断层性质的特征就是断层面特征、构造岩特征与断层两盘伴生构造特征。张性正断层的特征如各种教科书描述与人们通常所认识的那样,此不赘述。下面着重论述剪性正断层的一般特征。

根据E、M、Anderson(1951)应力状态分析,剪性正断

层与逆断层、平移断层的形成机制实质上就是一样的,均属

于剪破裂,因此,应当具有类似的压剪性构造特征(略)。但实际

研究表明,断层特征的差别也就是比较明显的:

(1)剪性正断层的压剪性构造特征最弱,平移断层较强,逆

断层最强。形象理解,由剪性正断层——平移断层——逆断

层,其构造特征表现为“张剪性——剪性——压剪性”的递

变序列。

(2)构造岩分带性的差异。剪性正断层分带性最明显,其

次就是平移断层,逆断层最弱。野外观测表明,如果断层带内

各种构造岩均较发育的话,紧靠断层面的就是断层泥,然后,

离开断层面依次就是碎粉岩、碎粒岩、断层角砾岩(图1)。图1 构造岩分带示意图

四、影响剪性正断层特征因素分析

剪性正断层特征总体上介于张性正断层与剪性逆断层、平移断层之间,其根本原因就是空间应力状态作用的差别造成的。

(1)应力的性质决定剪性正断层具有同逆断层、平移断层类似的构造特点,即剪性。

(2)构造应力场(σ1、σ2、σ3)的空间作

用状态不同,决定了剪性正断层与逆断层、平

移断层的构造特征又有一定的差别,而与张

性正断层有一定的相似性(图2)。

剪性正断层:“主动力σ1”垂直向上,推

动断层下盘——“主动盘”沿高角度断裂面

向上运动,断层两盘相互作用力较弱,压剪性

构造特征不突出。

逆断层:“主动力σ1”水平,推动断层上

盘——“主动盘”沿低角度断裂面向上运动,

断层两盘相互作用力强烈,因此,表现出典型

的压剪性构造特征。

平移断层:断层两盘作水平方向运动,相

互作用力介于剪性正断层与逆断层之间。

张性正断层:“主动力σ3”水平,在重力

作用下断层上盘——“主动盘”沿高角度断

裂面向下运动,断层两盘相互作用力很弱,因

此,呈现出典型的张性构造特征。

图2 断层形成的应力状态图解同逆断层、平移断层、张性正断层一样,剪性正断层的特征还受其它因素的影响,并表现出一定的变化。如岩石力学性质、岩体结构、断层面产状、断层形成的地质环境条件等,显然韧性岩石、薄层脆韧性岩层互层、低角度断层、高温高压地质环境条件下,其压剪性特征比较明显,反之,张性特征明显,在实际应用中要具体分析。

五、结论

(1)正断层包括剪性正断层与张性正断层,自然界中以剪性正断层为主。

(2)剪性正断层的构造特征总体上为剪性,但表现出一定的张性特点;张性正断层具有典型的张性构造特征。剪性正断层的构造岩具有空间分带性。

(3)构造应力场的空间作用状态就是影响断层特征的决定性因素,其次就是岩石力学性质、岩体结构、断层产状、断层形成的地质环境条件等。

摘要理论与实际研究表明,正断层有剪性与张性两种力学性质,并以剪性为主。剪性正断层的构造特征总体上为剪性,但表现出一定的张性特点;张性正断层具有典型的张性构造特征。剪性正断层的构造岩具有空间分带性。构造应力场的空间作用状态就是影响断层特征的决定性因素。

关键词:正断层力学性质构造特征

参考文献

断层的类型及特征

压性断层

1. 断裂面往往呈舒缓波状,沿走向方向尤其明显

2. 断裂面上常有较多的擦痕、阶步、磨光面。并出现动力变质的新生片状物(如云母、

滑石、绿泥石)及被压扁或拉长的柱状矿物、片状矿物、砾石、鲕粒、石英、方解石晶片与晶块等,并沿断裂面及两侧作近于平行断裂面走向排列

3. 断层中的构造岩,以角砾岩、糜棱岩、断层泥为主,有时还可见到构造透镜体

4.断裂面两侧岩石由于受强烈挤压而破碎、牵引、冲断,从而产生一些伴生构造,如羽状裂隙、劈理,“入”字型分之构造(包括断层与褶曲),小旋卷构造等

5. 断裂面常成群出现,彼此平行,沿走向延伸较远,在剖面上常构成迭瓦式

6. 逆断层(包括冲断层、逆掩断层辗掩断层)属压性断层

张性断层

1, 断裂面粗糙不平,形状不规则。擦痕较少,很少出现大批擦痕,断层倾角一般较陡

2, 当张性断裂发生在砾岩中时,断裂面常绕砾石而过,无切割或压扁现象

3, 断裂面两侧岩层产状无明显变化

4, 构造岩以角砾岩为主,糜棱岩、断层泥较少见。角砾岩大小悬殊,无显著定向排列

5,张性断裂常成群分布,形成张性断裂带。在平面上彼此平行,在剖面上常组成地垒,阶梯等构造。凡追踪“×”形断裂的张性断裂,均成锯齿状,称“之”字形断裂

6, 正断层属张性断裂

扭性断层

1. 断裂面常较光滑、平整,有时呈镜面出现,常有大量水平或近于水平的划痕阶步。断层产状平稳,断层线平直

2. 断裂面上有时有新生的硅质、方解石、绿泥石等动力变质矿物,但不如压性结构面常见

3. 构造岩常被碾磨很细,有角砾岩与糜棱岩,并具有片理化的窄带。构造岩常成斜列分布与扭性断裂带中

4. 断裂面两侧,岩石由于受强烈的扭动而常伴生一些羽状裂隙、劈理,“入”字形及小旋卷构造

5. 扭性断裂常成群出现,两组平行,且呈“×”形(常将岩石切成菱形),有时成雁行式排列

6. 平移断层属扭性断层

压扭性断层

1. 即具有压性特征,有具有扭性特征。上述的压性、扭性断裂的特征均可借鉴

2. 断裂面上常可见到显示上盘斜冲的擦痕、阶步。两盘岩石可能发生一些伴生构造,如牵引、羽状裂隙、劈理、“入”字形分支及旋卷构造。这些伴生构造的轴面、断裂面与主断裂面的交线与旋轴,既不与主断裂面走向线平行,也不与其倾向线平行,而就是介于两者之间,这就是压扭性断裂的一个特点

3. 压扭性断裂常成群出现,成雁行式、平形式排列

4. 平移逆断层、逆平移断层均属于压扭性断层

节理的分类及特征

张节理

1. 力学成因:由张应力产生,节理面与张应力方向垂直。火成岩由冷凝收产生的原生节理

2. 节理面特征:裂口微张开或较大张开,节理面粗糙,面上无划痕,产状不稳定,沿走向与倾向延伸不大,在砾岩或粗粒碎屑岩中,常绕过砾石、结核或碎屑颗粒,张开而不切断砾石等颗粒,在剖面上常呈楔形,上宽下窄,常被粘土、岩矿脉充填

3. 节理的组合特征:常成群出现,并排列成雁行式、平形式,在褶曲轴部常形成与褶曲轴平行的二次纵张节理,当与断层伴生时,常组成边幕式与羽状张节理