工程地质学 3第三章 地质构造及岩体工程性质

第三章地质构造及岩体工程性质内容提要：一、地壳运动的概念及地质年代的划分二、地质构造三、岩体的结构类型及其工程地质评价一、地壳运动的概念及地质年代的划分1.地壳运动（1）地壳运动概述地壳运动属于内力地质作用的一种，是形成地质构造的主要原因，又称构造运动（structuralmovement）。构造运动控制着海陆分布，引起海、陆轮廓的变化、地壳的隆起和凹陷以及山脉、海沟的形成等；构造运动引起岩浆活动、火山作用、地震活动和变质作用；构造运动产生岩层褶皱与断裂等各种地质构造；构造运动还决定地表外动力地质作用的方式，控制地貌发育的过程，所以，构造运动是使地壳不断变化发展的最重要的一种地质作用，习惯上所说的地壳运动就是指构造运动。构造运动按其运动方向可以分为两类：水平运动和垂直运动。板块运动学说1915年德国魏根纳提出大陆漂移学说，认为在大约1.5亿年前，地球表面有一个统一的大陆－联合古大陆，其周围全是海洋。从侏罗纪开始，联合古大陆分裂成6大板块，它们覆在软流圈上各自漂移，最终形成现今大陆和海洋的分布。原始板块（2）地壳运动的主要证据地貌标志：地貌是内、外动力地质作用的产物，但不同类型的地貌分布多受构造运动的控制。在上升运功的地区以剥蚀地貌为主；在下降运动的地区，则以堆积地貌为主。沉积物标志：利用沉积物或沉积岩的厚度资料可以反映地壳升降运动的速度与幅度。例如，一般认为浅海的深度在200m以内，如果浅海沉积物或沉积岩的厚度大于200m，则表明是在地壳不断下降又不断接受沉积的条件下产生的。地质构造的标志：褶皱和断层是构造运动的产物，反过来它们又是构造运动的证据。通过对褶皱、断层的分析，可以恢复构造运动的性质和方向。孤立的平缓穹隆构造或高角度正断层的出现，代表整个地区有上升运动。水平运动导致地块的相互挤压则形成紧密的褶皱、逆断层、逆掩断层，特别是大规模的推复构造。水平运动导致地块的相互背离，则会引起断陷。地层的接触关系反映构造运动直观明了。上下两套地层之间的接触关系是构造运动的综合表现。常见的地层接触关系有整合、不整合两种。整合接触：指上下两套地层产状完全一致、时代连续的地层接触关系。不整合接触：指上下两套地层形成的时代不连续，即两套地层间有地层缺失的地层接触关系。存在于接触面之间因沉积间断而产生的剥蚀面，称为不整合面。不整合据其情况可以进一步分为：平行不整合：如果不整合面上下两套岩层之间的产状基本上是一致的叫平行不整合，也叫假整合。角度不整合：如果不整合面上下两套岩层间的产状是斜交的，叫角度不整合。整合平行不整合角度不整合平行不整合形成过程下降沉积→上升、接受剥蚀,沉积间断→再下降,再沉积它的形成是由于地壳在一段时期处于上升,而在上升的过程中地层又未发生褶皱和明显倾斜,只是露出水面接受剥蚀而发生沉积间断;经过一段时期后,又再次下降接受新的沉积,从而使上、下两套地层之间缺失一部分地层,但彼此的岩层产状是基本平行一致的。角度不整合的形成过程下降,接受沉积→地层褶皱上升、断裂、岩浆活动、岩石变质,接受剥蚀,沉积间断→再次下降,接受沉积。角度不整合的存在反映了在上覆地层沉积之前,下伏地层曾发生过构造变形运动（3）地质年代(GeologicTime)岩层：上下两个层面之间岩石特征基本类似的组合称为岩层。地层：对某一地区，某一地质时代形成的一个或一套乃至几套岩层称为地层。具有时代特征。地质学上计算时间的方法有两种：相对地质年代和绝对年龄（同位素年龄)。①相对地质年代的确定地层层位法：同一地质时代在一定地质环境形成的沉积地层具有相同的特征。未经受剧烈构造运动的岩层上新下老。古生物法：根据生物化石确定地层的年代。生物进化由简单到复杂，不同时代具有不同的生物群，灭绝的生物不会重复出现。不同地质时代形成的岩层含有不同类型的化石及其组合，相同时期和环境形成的岩层具有相同的化石。岩层切割法：侵入岩与围岩相比，侵入者时代新，被侵入围岩时代老。化石演变法相对地质年代的确定岩浆岩之间的接触关系新老（2）地质年代的划分地质年代单位：宙、代、纪、世、期地层单位：宇、界、系、统、层地质年代表相对年代代(界)纪(系)国际代号绝对年龄（百万年）主要特征第四纪Q地球成现代地势，出现人类新第三纪N新生代老第三纪E地球表面初具现代轮廓，哺乳动物、鸟类发达白垩纪K侏罗纪J中生代三迭纪T后期地壳运动剧烈，岩浆活动广泛，海水大部分退出大陆，爬行动物称雄，恐龙时代二迭纪P石炭纪C泥盆纪D华北为陆地，普遍缺失泥盆纪和早石炭纪沉积；华南为浅海沉积，鱼及两栖类发达志留纪S奥陶纪O古生代寒武纪我国大部分地区处于浅海环境，华北缺失奥陶和志留系地层，海生无脊椎动物繁盛远古代震旦纪Z太古代前震旦纪Ar海侵广泛，原始单细胞生物时代，晚期构造运动强烈地球初期发展阶段4600无生物237671371952302853504054405005702500二、地质构造1.基本概念组成地壳的岩层或岩体受力而发生变位、变形留下的形迹称为地质构造（geologicalstructure）。地质构造在层状岩石中最明显，在块状岩体中也存在。地质构造的基本类型有：水平构造、单斜构造、褶皱构造和断裂构造等。2.岩层产状确定岩层的产出状况是研究地质构造的基础。为此，地质学中常常应用岩层产状（attitudeofstratum）的概念。岩层产状是指岩层在空间的位置，是用岩层层面的走向、倾向和倾角三个产状要素：走向（strike）；倾向(dip)；倾角（dipangle）。岩层产状要素走向：层面与任一假想水平面交线的延伸方向倾向：岩层面倾斜的方向倾角：层面与水平面所夹的最大锐角NESWNE50ºSE45ºSW230ºSE45º岩层产状要素的表示方法方位角表示方法:一般只测量和记录岩层的倾向和倾角,例如:205∠27°，前一读数为岩层的倾向,后一读数为岩层的倾角。象限角表示方法:以北和南的方向作为0度,一般测量和记录岩层的走向,倾向和倾角,例如:N65°W/25°SW，即岩层走向为北偏西65°,倾角为25°,岩层向南西倾斜。N0E90W270S180北极南极NWNESWSEa.文字表示方法b.符号表示方法倾斜岩层产状的测定与表示1.倾向方位角∠倾角125∠452.走向象限角∠倾角倾向象限N50W∠45NE或走向象限角倾向象限∠倾角N50WNE∠452566倾斜岩层直立岩层水平岩层倒转岩层仅用于地质平面图在地质图上,岩层产状要素是用符号来表示的倾斜岩层产状的测定与表示1.倾向方位角∠倾角125∠452.走向象限角∠倾角倾向象限N50W∠45NE或走向象限角倾向象限∠倾角N50WNE∠452566倾斜岩层直立岩层水平岩层倒转岩层仅用于地质平面图(长线)岩层走向(短线)岩层倾向(数值)岩层倾角值倾斜岩层产状的测定与表示1.倾向方位角∠倾角125∠452.走向象限角∠倾角倾向象限N50W∠45NE或走向象限角倾向象限∠倾角N50WNE∠452566倾斜岩层直立岩层水平岩层倒转岩层仅用于地质平面图(长线)岩层走向(箭头)岩层变新方向岩层产状要素符号表示法倾斜岩层产状的测定与表示1.倾向方位角∠倾角125∠452.走向象限角∠倾角倾向象限N50W∠45NE或走向象限角倾向象限∠倾角N50WNE∠452566倾斜岩层直立岩层水平岩层倒转岩层仅用于地质平面图(箭头)岩层岩层倒转后的倾向倒转岩层的倾角岩层产状要素符号表示法3.水平构造岩层产状近于水平（5度）4.单斜构造岩层层面与水平面有一定夹角5.褶皱构造褶皱的概念:组成地壳的岩层受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，称之。两种基本形态：背斜与向斜。背斜:岩层变形向上弯曲,其核心部位的岩层时代较老,两侧岩层的时代依次变新。向斜:岩层变形向下弯曲,其核心部位的岩层时代较新,两侧岩层时代依次变老。背斜和向斜在平面和剖面上的表现特征褶皱的基本形式核部:褶皱中心部位的岩层，简称核。翼部:褶皱核部两侧的地层,简称翼。枢纽:在褶皱的横剖面上,同一褶皱岩层的各最大弯曲点的连线叫枢纽。轴面:一个褶皱内各相邻褶皱面上的枢纽连成的面,它是大致平分褶皱两翼的对称面。轴:褶皱轴面与地面的交线。核部翼翼褶皱组成基本要素褶皱的主要类型按轴面产状划分：直立褶皱；倾斜褶皱；倒转褶皱；平卧褶皱。直立褶皱倾斜褶皱倒转褶皱平卧褶皱按枢纽产状划分：水平褶皱；倾伏褶皱5.断裂构造（1）断裂构造的概念：岩体与岩层受力作用发生变形，当所受的力超过岩石本身的强度时，岩石的连续性和完整性遭到破坏，形成断裂构造。包括节理和断层。①节理：是岩石中的裂隙或破裂面,沿着节理面两侧的岩块基本上没有发生过相对位移或没有明显的相对位移。按形成原因分为三类：原生节理：在岩石形成过程中产生的节理。构造节理：地质构造形成过程中所产生的节理。次生节理：岩石形成后才形成的节理。按形成节理的力学性质可为：剪节理：剪应力形成的两组X型共轭破裂面。特征是产状稳定，节理面平直、光滑、闭合、间距小，密集成带。张节理：岩层受拉应力产生的破裂面，通常呈锯齿状，产状不稳定，延伸不远，张开，常被岩脉、粘土等充填，发育稀疏，间距大。其它组合形式的节理。断层的几何要素断层面与断层破碎带：产状表达方法，附近节理发育、常有充填。断层线：遵守“V”字形法则。断盘：上盘、下盘，上升盘、下降盘。断距断层概念：断层是岩石圈中顺破裂面发生明显位移的一种断裂构造。5.断裂构造上盘下降下盘上升正断层：上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。其断层面倾角较陡，一般在45°以上。正断层是由于岩体受到张力及重力作用，使上盘沿断层面向下错动形成的；按相对位移方向划分的断层类型上盘上升下盘下降逆断层：上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用，使上盘沿断层面向上错动而成。断层面从陡倾角至缓倾角都有。其中断层面倾角大于450的称为逆冲断层；介于250～450之间的称为逆掩断层；小于250的称为碾掩断层(又叫碾掩构造或推复构造)。逆掩断层和碾掩断层常是规模很大的区域性断层；按相对位移方向划分的断层类型水平错动平移（推）断层：由于岩体受水平剪切作用，使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。平移断层的倾角很大，断层面近于直立，断层线比较平直。按相对位移方向划分的断层类型断层的组合类型断层的形成和分布受着区域性或地区性地应力场的控制，所以常常是成列出现，并且以一定的排列方式有规律地组合在一起，形成不同形式的组合类型。阶状断层(stepfaults)；地堑（graben）；地垒(horst)：构成地堑、地垒的断层一般为正断层，但也可以是逆断层；叠瓦构造（imbricatestructure）。地堑和地垒地堑：由两条走向大致平行而性质相同的Ft组合形成的中间断块下降，两侧上升的构造。地垒：中间块上升，两侧下降的构造。叠瓦式构造由一系列平行或近于平行的、倾角相似的逆断层组合，形成迭瓦式构造。叠冲(瓦)式逆掩断层由若干条产状基本一致的逆掩断层组成，各条断层的上盘依次向同一方向向上逆冲，平面上构成叠瓦式(状)。断层的野外识别地貌特征：当断层的断距较大时可能形成陡峭的断层崖；断层破碎带岩石破碎，易于侵蚀下切，可能形成沟谷或峡谷地形。山脊错断、错开，河谷跌水瀑布；河谷方向发生突然转折，串珠状泉水出露；华山断层崖河流改道泉呈线性分布断层的野外识别地层特征：如岩层发生重复或缺失、岩脉被错断、岩层沿走向突然发生中断或者不同性质的岩层突然接触等地层方面的特征，则进一步说明断层存在的可能性很大；断层的野外识别断层的伴生构造现象：断层的伴生构造是断层在发生、发展过程中遗留下来的形迹。常见的有岩层牵引弯曲、断层角砾、糜棱岩、断层泥和断层擦痕等；6.岩体结构类型及其工程地质评价结构面及其成因分类原生结构面：火成结构面：流纹面、原生节理、侵入体与围岩接触面；变质结构面：片理、板理；沉积结构面：层理、沉积间断、软弱夹层等。构造结构面：节理