构造地质学—— 断层

1 第十章 断层

§1 断层的几何要素和位移

一、断层的几何要素

◆断层面(ault surface or plane) 空间位置，由走倾向、倾角定之

◆断层线（fault line）

◆断层带（fault zone）

◆断盘： 上盘（hanging wall），上升盘（upthrow），下盘（foot wall），下降盘（downthrow）

二、位移（desplacement）直移运动、旋转运动

（一）滑距（slip） 以相应点为参照系，两个时应点间的真正位移称为总滑距（net desplacement）（ab）

1、滑距（strike slip）（ac）

2、倾斜滑距（dip slip）（cb）

3、水平滑距（horizontal slip）（am）

（二）断距（sepration） 两对应层之距离

1、垂直被错岩层走向的剖面上测得

（1）地层断距（stratigraphic slip）(ho)

（2）铅直地层断距（vraticed stratigraphi slip）（hg）

（3）水平断距（horizontal slip）(hf)

2、垂直于断层走向的剖面上

除铅直地层断距相等外，其余均大于前者，故称视断距。

§2 断层分类

一、 断层与有关构造的几何关系分类

（一）根据断层与岩层走向的方位关系分：走向断层、倾向断层、斜向断层、顺层断层。

（二）根据断层与褶皱枢纽走向或区域构造线之间关系分：纵断层、横断层、斜断层

二、 按断层两盘相对运动方向分

1、正断层（Normal Fault）

2、逆断层（Revers Fault）

●原地岩块（系统）（Autochthon）

●外来岩块（系统）（Allochthon）

●逆冲岩席（片）（Thrust Sheet）

●逆冲推覆构造或推覆构造（Nappe）

●构造窗（Fenestlla or Window）

●飞来峰（Klippe）（pl.）

3、平移断层（transcurrent）

●左行平移（left faults）

●右行平移（right faults）

●斜交断层走向滑动的断层，组合命名

2 4、枢纽断层（hinge fault）

§3 断层各论

一、伸展构造类型（extensional structure）

正断层、组合型式：

（一）地堑和地垒（graben horst）

主要由两条走向基本一致的相向倾斜的正断层组成，两条走向基本一致正断层之间为下降盘，巨型者即为裂谷（rift）；地垒与地堑正好相反。

（二）阶梯状断层（step fault），箕状构造（besin range/hemi graben）和盆岭构造（basin and rage step）

（三）环状和放射状断层

（四）雁行式断层

（五）大型断陷盆地 如华北、松江、江汉、萍乐等

（六）裂谷（系）（rift system）

◆大洋裂谷（oceanic rift）大西洋

◆大陆裂谷（contineatal rift）车外

◆陆间裂谷（intercontinenta rift）红海

◆大陆裂谷→陆间裂→谷大洋裂谷为一演化序列

◆我国华北平原新生代裂谷，白垩纪沂沐裂谷以及攀西裂谷等。

（七）剥离（拆离）断层（detachment）

为一上陡下缓的大型铲状正断层（listric-normal fault）。主要产出于盖层与基底之间，上盘包括一套正断层组合，发育区域隆起背景上，是岩石圈多层次拆离盖层在基底上滑脱的具体表现，具有垂向分带性即：表层次为正断层组合；中层次为塑性变形为主的韧性剪切（8-15km）；深层次，伸展塑性流变。

（八）重力滑动构造（gravity sliding~spreading）

组成：下伏系统、润滑层、滑面、滑动系统

分带：后缘拉伸带、中部滑动带、前缘推挤带

二、收缩构造（Contractional s.）

逆冲构造（Thrust）的研究始于19世纪中叶，19世纪晚期第一次研究高潮，20世纪70年代，COCORP组织在南阿巴拉契亚造山带前陆下发现大型Thrust并延伸至盆岭之下，并发现了大油气田，再次掀起研究高潮。

（一）逆冲撞覆的概念

1、褶皱撞覆和冲断撞覆

2、撞覆与滑覆

（二）逆冲撞覆的构造式样（s. style）

1、单冲型

2、背冲型

3、对冲型

4、楔冲型

（三）逆冲撞覆构造的台阶式

台阶式：断阶（Flat）、断坡（Ramp）

（四）逆冲撞覆构造的扩展 前展式（背驮式）、后展式（上叠式）

三、走滑断层（strike slip fault）

3 走向滑动断层即大型平移断层，两盘直立相对水平滑动。人们对走滑断层的认识比对正，逆断层的认识要晚，地质学家在19世纪就认识了正逆断层，而走滑断层20世纪初才被发现。

1、走滑断层的基本特征

（1）主要特点

①走滑断层包括一系列与主断层带平行或近微小角度相交的次级断裂组成，单条断裂沿伸一般不远，各级断裂分叉交织，常呈发辫状。

②常伴有雁列褶皱及断层以及断层隆起与断陷盆地。

③断层两盘地层一岩相带成递进式依次错开，时代愈老错移越大。

④断层常呈直线延伸，甚至穿过起伏很大的地形仍保持直线形，航卫片上显示良好的线性。

⑤根据断层两盘运动方向分为左行和右行。

⑥力学性质具双重性即以剪切为主，又具有拉张或挤压，前者称张剪性，后者称压剪性走滑断层。

2、走滑断层的内部应力状态和有关构造

（1）应力状态

（2）走滑断层弯曲引起的应力应变场

（3）走滑断层交切引起的挤压和拉伸

（4）尾端应力状态

3、有关伴生构造

（1）雁行式褶皱（en echelon folds）

（2）牵引式弯曲

（3）拉分盆地（pull apart Basin）

B.C.Burchfiel，1966年研究圣安德列斯走滑断层系控制的死谷盆地时首次提出。

四、同沉积断层

五、韧性剪切带（ductile shear tone）

1、定义：韧性剪切带亦性韧性断层（ductile fault）是岩石塑性状态下发生连续变形的狭长高应变带，是中深—深层次的主要构造类型之一。在露头尺度上一般见不到不连续面，带内变形和两盘的位移完全由塑性流动来完成。剪切带与围岩无明显界线，但确有位移。

2、剪切带的类型

由脆性→韧性剪切带之间的过渡类型是脆—韧性剪切带有二种，即B、C图。

3、R.N.Sibson断层双层结构模式

上述剪切带反映了它们变形时的岩石力学性质差异，也反映了变形时温度和围压等环境的不同，或一般地变形时深度。即由地表向下，由脆性逐渐过渡为韧性R.N.Sibson（1977年）提出的断层的双层结构模式。示图

4、剪应变值γ与剪切位移S的计算方法

（1）标志层法

如剪切带内存在早先的岩墙，岩脉或其它标志等

①应变值γ

cotanα’=γ+cotα 即γ=cotα’- cotα

4 ②总位移量S等于标志层错开的距离

（2）利用张裂脉γ、S假定：A、simple shear；B、初始小脉与Shear Belt交角45°。

Ctanα’＝ Ctanqα＋γ，

令α＝45°则γ＝Ctanα’－1，S =∑γi * dxi（i=1 to n）

（3）利用Sc和Ss面理求γ、S tan2θ’＝2/γ

5、鞘褶皱，A型褶皱

6、糜棱岩（mylonite）

7、剪切指向 示图说明之

8、剪切带的规模上产状

（1）规模 几mm(ncm),几+km，几百km，上千km

（2）产状：①陡，平移D、S、E；②平缓，韧性逆冲F（撞覆S、E），剥离F

9、韧性剪切带的区域构造样式

网格状、菱形、透镜状或眼球状弱变形域与环绕弱变形域的强应变带组合

§4 断层成因机制

示图讲解：

一、安德森模式（E.M.Anderson，1957）

二、 哈佛奈模式（W.Hafner 1951）

§5 断层效应

广义的断层效应是断层引起的各种现象，这里讨论的是走向断层、横断层、斜向断层引起的视错动。

一、走向断层引起的效应 地层重复和缺失的6种情况 示图

二、横断层引起的效应

（一）、正（逆）断层引起的效应 示图

（二）、平移断层引起的效应 示图

（三）、平移正（逆）断层引起的效应 示图

1、没错动，滑移线平行岩层在断层面上的迹线。

2、滑移线在迹线下侧，剖面上看正断层、平面上看平移断层。

3、滑移线在迹线上侧，剖面上看逆断层，平面上看平移断层。

（四）、横断层错断褶皱引起的效应 褶皱的核部宽窄发生变化。 示图

§6 断层的观察与研究

一、断层的识别或确定

（一）地貌标志

1、断层崖；2、断层三角面；3、错断的山脊；4、山岭和平原的突变；5、串珠状湖泊洼地；6、泉的带状分布；7、水系特点

（二）构造标志

（三）地层标志—重复与缺失6种情况

5 （四）岩浆活动与矿化作用

（五）岩相与厚度的急变

二、断层面产状的测定

三、断层两盘相对运动方向的确定

（一）两盘新老关系

（二）牵引构造

（三）擦痕与阶步

（四）羽状节理

（五）断层两侧的小褶皱

（六）断层角砾岩

四、断层岩

（一）碎裂岩系列

1、断层角砾岩（＞2mm）；

2、碎粒岩（0.1~2mm）；

3、碎粉岩（<0.1mm），又称超碎粒岩；

4、玻化岩；

5、断层泥。

（二）糜棱岩系列（Mylonite system）

特征：波状消光、变形带、变形纹、带状石英、核幔构造等。

（三）断层岩的分类 示分类表

五、断层作用时间性

（一）确定时间：①不整面；②岩脉体同位素年龄；③构造运动力学成因分析；④重力构造。

（二）长期活动的断层分析

1、地层发育及厚度，岩相变化，郯庐断裂带在山东，两侧至少古生界不同

2、大型走滑断层

3、同沉积断层

§7 同沉积断层

同沉积断层主要特点：示图

1、一般为走向正断层，剖面上呈勺状或犁式；

2、上盘地层明显增厚，生长指数=下降盘厚度/上升盘厚度；

3、断距随深度增大，地层愈老，断距愈大；

4、常在上盘发育反牵引构造（Revers drag structure）。