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1、西北大学地质学系构造地质学教案第七章 断 层（10-14）一、本章安排 共授课5次，计10学时。分别为：断层概论、伸展构造、逆冲推覆构造、平移断层、韧性断层 实习课 每堂课首先讨论、复习前面已经涉及的与应力、应变、变形有关的概念；然后作本节课程主要内容介绍，最后小结并布置思考讨论题二、本章主要内容、要点1、主要内容断层的形成机制/断层岩/断层识别/伸展构造及重力滑动构造/剥离断层与变质核杂岩体/逆冲推覆构造/推覆与滑覆的对比和鉴别/走滑断层/拉分盆地/花状构造/韧性剪切带及剪切动向的判别2、本章要点断层的形成机制（Anderson模式, Hafner模式）断层的识别标志伸展构造的概念和伸展构造

2、的类型剥离断层、变质核杂岩、重力滑动构造的构造特征和构造组合逆冲推覆构造的几何结构：相关名词及几何图形推覆构造与滑覆构造的对比和鉴别走向滑动断层的内部应力状态（外部作用力和内部应力状态的关系和区别）走向滑动断层的伴生褶皱和相关构造拉分盆地、花状构造的基本概念韧性剪切带的几何特征和构造特征糜棱岩的形成机制、糜棱岩系列及其分类、糜棱岩的识别三、授课内容第一节 断层概论v （一）概述断层的定义研究断层的意义 几何要素和位移断层几何要素断层面带线（形态）断盘位移直移旋转滑距（在断层面上，实际滑移距离）总滑距走向滑距倾斜滑距水平滑距总滑距在水平面投影断距 断层分类方案涉及到：地质背景运动方式力学机制各种

3、几何关系与有关构造几何关系 与岩层走向的关系走向断层、倾向断层、斜向断层、顺层断层 与褶轴区域构造线关系纵、横、斜两盘相对运动 正 逆逆冲，构造窗飞来峰（） 平移 组合命名：平移正断层；逆平移断层 枢纽断层（）v （二）断层形成机制 断层形成机制涉及到：破裂的发生和断层的形成断层作用与应力状态岩石力性断层作用与形成环境的物理状态 断层的形成作用据电镜观察，羽状微裂隙多为张性。联合成断面，当阻力时发生宏观滑动扩容试验an Address Ft.应力释放与地震 断层形成的应力状态Anderson modelHafner model浅层非均质，先存软弱面v （三）断层岩 碎裂岩断层角砾岩2mm；注意

4、与其它角砾岩的区分碎粒岩 0.1-2mm碎粉岩 0.1mm玻化岩断层泥（Tab.12） 摩棱岩基本特征 粒度变小 Enhanced foliation & lineation 在强应变带内产出 塑性流变现象：ribbon，矩形晶、锯齿状亚晶、动态重晶粒、核幔结构 残斑（l）碎裂或波状消光，机械双晶摩棱岩类型（Tab）v （四）断层效应（简述）仅讨论地层关系变化和视错动 1、走向断层引起的缺失、重复正断层逆断层（Tab），由二个变量可确定第三个 2、横向断层引起的效应v （五）断层的识别 1、地貌标志断层/三角面（）/山脊错断/盆岭边界切局部山脉走向/串珠湖泊洼地（）/带状泉水/水系河流急转 2

5、、构造标志地质界线中断（）构造强化：产状突变（吴家坪）/节理带/劈理带/小褶皱/挤压破碎/擦痕/构造透镜体（张口子）断层岩 3、地层标志重复缺失见“效应”一节 4、岩浆、矿化沙沟花岗岩和矿化、（卡林型）金矿双王、马鞍桥、于坪硅化、蚀变、热液活动放射环状岩墙 5、岩相和厚度标志v （六）断层的观测产状、相对运动、性质、规模、组合 1、产状确定“”字型、三点法利用伴生派生小构造 剪节理、劈理带、揉皱、构造岩面理、构造透镜体注意产状变化 2、二盘动向 脉动性、反复活动、反向运动现代活动断层在一定时期内相对稳定。地层新老关系 纵向断层，横向断层（切背、向斜）牵引（），逆牵引（见后述同沉积断层）擦痕,

6、阶步（）羽状节理侧旁小褶皱（）角砾岩（）与断层所夹锐角示对盘运动方向（角砾近于构造透镜） 3、断层规模长度、深度中小型断层标志层作图、定断距大型断层标志层平衡剖面，查位移v （七）断层作用时间性涉及形成和活动时间；长期活动 活动时代的确定与褶皱的关系、规律性不整合（地层、岩体）岩墙同位素年龄（沙沟）同沉积断层、地层（见后） 大断层长期活动分析岩相厚度控制不同时代错距不一致（平移）岩浆活动、矿化多期性 同沉积断层原合编教材（）第二节 伸展构造及重力滑动构造 重要性 “开”与“合”v （一）伸展构造类型 （1）地堑、地叠（） （2）阶梯状断层；箕状构造；盆岭构造（）一般均有旋转箕状半地堑单个或多个

7、，与阶梯状相似，但规模大，主干断层一般为同沉积华东、山东济阳（）盆岭地貌单元不对称纵列单面山 （3）大型断陷盆地区域性沉陷，菱列、带状、等轴、华北、松辽、江汉盆地 （4）裂谷rift (valley) continental rift Inter-continent rift oceanic rift Wilson circle裂谷特征： 地堑系、隆起轴部、岩石圈伸展 沉积作用磨拉石蒸发岩和红层熔岩碎屑岩 浅源地震、火山 负重力异常，或负背景上的正异常 负磁异常 边界平行于重力梯度带（及磁异常带） 热流高 岩浆岩大陆溢流（，碱性玄武岩或双峰系列火山岩；或碱性玄武岩-响岩或粗面岩层） 深部结构、

8、幔涌、壳薄、裂谷垫（异常地幔，波速低） （4）剥离断层（第三节专题论述）盖层与基层之间剥离断层上盘位正断层组合v （二）伸展构造模式 据伸展构造形成时的应力状态纯剪地堑、裂谷单剪巨型剥离断层上盘阶梯断层 据地壳结构的模式三个构造层次 表层次：各种正断层组合中层次：韧性带、y带、塑性伸展构造塑性变形为主 深层次：地壳深部伸展性塑性流变，常有花岗岩和基性岩墙群伸展构造外来系统（马杏垣） 大型正断层以上部分（据华东中新生代伸展结构） 各种正断层（正、反向阶梯状、地堑、地垒） 旋转、垂向变薄、横向拉长（13-6），深层次为韧性流动和岩墙群 据断层活动方式（动力学机制）分类沃尼克（.ernicke）二类

9、三型模式(Tab)旋转伸展 平面状断层伸展系统，断层、岩层均旋转，断块发生伸展 若已知断层和岩层产状，可计算伸展量（ig，）伸展百分率（）（x-1）或伸展百分率（）铲状断层，无相应计算公式非旋转伸展 （13-11） 查明断层产状和几何形态（平面状或铲状），岩层产状及变化；旋转或非旋转，在此基础上查明伸展量v （三）剥离断层与变质核杂岩 剥离断层rmstrong（1972），北美盆岭区，上部年轻地层直接覆于深变质地层之上。 定义：伸展构造区平缓的铲状大型正断层，往往伴以变质核杂岩体。位于基底与盖层间。上剥离盘浅层次正断层组合下剥离盘core complex 核杂岩古老片麻岩，穹隆状，以剥离断层为

10、界，变质变形强烈。顶部为糜棱岩带，厚几十米数公里，常叠加脆性断层。a线理；鞘褶皱；结构（线yl面理）常有侵入体相伴；深部基性岩和岩墙群常见。断层岩序列变化（由下而上）： 糜棱岩 碎裂岩，绿泥石化糜棱岩 掺有糜棱岩碎粒的碎粉岩、碎斑岩 角砾岩剥离断层发育时间长，常与区域隆起伸展同时，且不限于同一层位或接触带剥离断层带宽且厚，断层岩序列可出现穿插，叠覆上剥离盖层中常见顺层滑脱，导致地层减薄，缺失剥离断层和核杂岩确定标志 糜棱岩和穹状片麻岩 盖层与基底之间滑脱断层现象盖层底部地层缺失及断层岩 盖层中的顺层断层表现为地层减薄、缺失、滑动破碎剥离断层与成矿 卡林型金、金属矿内华达、亚到桑那、加州 成矿机

11、理：上剥离盘中的氧化环境低温水溶液与下剥离盘中的还原环境高温水溶液，二者在剥离断层附近交汇，促使含矿溶液沉淀。剥离面若破碎强烈，可形成客矿空间。如胶东片麻岩、花岗岩中的金矿、安庆月山多金属矿剥离断层与不整合 产状一致，被强迫，可能为糜棱岩面理 e.g.嵩阳界面、周口店侵入体与围岩接触界面v （四）重力滑动构造概念：重力作用、影响 （1）基本结构下伏系统：变形相对弱，固化程度高，坚实润滑层：软弱层，盐、粘土、煤 华南的巨厚志留系砂泥岩区域性润滑层、岩性差异很重要滑面：断层面，常发育于不整合面、不同岩性之间的界面、塑性界面 主滑面、次级滑面、铲状滑动系统滑面以上、强变形 褶皱逆断 褶皱强度渐增；斜

12、歪侧转平卧；逆断发育于倒转翼，断面与轴面平行 （2）分带后缘拉伸带：正断、地堑（垒）、张节理、角砾岩中部滑动带：明显定向（褶断）、滑面隐伏前（外）缘推挤带、侧转平卧、叠瓦、滑裂岩（似混杂堆积）。重力滑动构造总体结构特点 后缘至前缘：拉伸剪切挤压 平面上，后缘断裂成弧形，弧顶指后方；前缘断裂成弧形，弧顶指前缘 不协调：滑动系统与下伏系统之间滑动系统内部次级滑面上下 （3）构造样式滑片型一系列叠置的铲状和叠瓦断层及所夹断片（13-16）滑褶型一系列复杂褶皱（13-17）滑块型组合性断层及切割的断块 主发育于（似）侏等式褶皱构成的滑动系统中 断层组合成对冲式、背冲式、地堑槽式、正一逆槽式、正逆拱式（

13、） （4）重力滑动构造的形成条件适宜的坡度。坡陡、速度快，滑动构造复杂滑动系统岩层具一定厚度（重量），厚度大利于滑动形成润滑层、孔隙压第三节 逆冲推覆构造 19世纪晚期第一次高潮 70中期，南阿巴拉契亚，薄皮、油气、圈层结构v （一）基本概念和构造样式 （1）基本概念 thrust + nappe 主产于造山带及前陆，多为挤压、收缩结果褶皱推覆冲断推覆推覆与滑覆 （2）构造样式（组合）单冲型、叠瓦状背冲对冲楔冲v （二）几何结构 （1）台阶式断坪（flat，顺软层）+断坡（amp，切硬层）交替总体呈铲状具普遍性 岩层处于水平状态时的形成，后期可发生变化图：上盘断坡（）hanging wall

14、ramp 下盘断坡foot wall ramp图14-9：前、侧、斜断坡 据断坡走向与逆冲位移方位关系决定 （2）双重逆冲构造双冲构造.alstrom（1970）提出结构 顶板 叠瓦逆冲断层+断夹块（horse） 底板逆冲断层叠瓦扇inbrecated fan 叠瓦构造，无顶板断层 与duplex并列，(14-13)断端线或断尖线tipline；分叉thrust前缘常被剥蚀掉断叉线（分叉线）branch line分支thrust 与主干thrust的交线 （3）冲断褶隆 Culmination顶部宽平的箱状和穹状 （4）反冲断层（backthrust）和冲起构造反冲断层：主要见于前锋和断坡后侧

15、，亦见于应变较弱的断坪 有些backthrust向下变陡，甚至转为与逆冲方向一致冲起构造（pop up）因强烈挤压上冲、隆起，与底辟或刺穿相似 常表现为扭曲的背斜（断层切割） （5）分带性：根、中、锋带、后（外）缘带表现在结构、构造、变形强度上，与变形作用相关。 后缘带：根带后侧 外缘带：锋带前侧根带：起始发育部位 强挤压、面理、轴面、小断层陡直立、塑性增高，有时为ductile zone，流劈理、褶劈理相对发育 陡峻菱形体与挤压面构成网结 自根带向中带断层开始分叉，产状变缓。 根带的研究对确定逆冲推覆在区域中的地位、活动和运移规模、变形性状和形成作用具重要意义。中带 断层分叉，叠瓦扇和双冲

16、单剪为主 次级断裂、褶皱产状相对稳定，倾向根带 变形强度：强（近根带）稍弱强（近锋带）断坡处较断坪处强，复杂。E.g.南昌宜丰图解：塑性降低劈理化减弱，变稀疏（密集节理）定向性小构造：褶皱式窗棂、膝析、旋卷、透镜体、小型双冲锋带 岩层倾角增大 陡立紧闭小褶皱（下盘近断层面处） 碎裂（带） 构造定向性较根带明显 次级断层发育，并强烈变形影响锋带变形的影响因素：作用力大小，持续时间作用力停止的快慢岩席的岩石性质，强度差和组合结构底板逆断层的扩展速率底板逆断层的位移量岩席内缩短量逆冲前陆构造或前侧的其它构造Tab（14-17）：垂向变化可由一个或多个nappe组成变形过于复杂。上部推覆体形成早应变不

17、均匀接触面处应变最强。可达100：1（：）多次推覆，叠置形成堆拄（nappe rill）伴生、派生构造明显变化（自底向上）cleavage, Joint, Fd, N-Ft, Lineation反映变形强度、变形性状、应力状态、的变化变形由下面上趋于复杂，因为上部nappe运移历史长形成早逆冲断层的走向变化总体移量基本一致，叠瓦状逆冲断层带中各单条逆冲断层的运移量和压缩量可变逆冲断层的终止 一条主要的逆冲断层分为多条次级断层，或转变为褶皱等压缩性构造v （三）逆冲推覆构造的扩展顺序发展imbrecated fan & duplex自造山带向前陆运移 （1）扩展方式：前展（背驮）式piggyba

18、ck propagation 向前陆向腹陆扩展绝大部分为前展式据野外、模拟及理论分析后展（上叠）式overstep propagation扩展方式的判别总体变形特征各级各类构造发育状况各断层交切关系e.g.前展式逆冲断层中，早期冲断层变形强烈。台阶结构被变形，破坏。据各主要逆冲断层变形强度及被切割的情况可较准确地确定逆冲顺序。 一些多次逆冲形成的逆冲断层，变形强度呈递进变化。晚期保存为台阶式，早期形成的已强烈弯曲。次级断层发育机制、扩展进程的分析、模拟和构造模式（14-19）andl（） 逆冲岩席中压应力值向前呈正弦规律递减；二个压应力最大点（尾部下角与岩席表面的一点） 其连线为第一条断层位置

19、 此时sheet的完整性遭到破坏 前方岩席照此方式继续发展，逐渐形成叠压构造 各断层间的间距为d2/d1=d3/d2=a(d1d2d3)（14-19） （2）双冲构造扩展模式（Boyer & Elliof,1982）根据：规模和角度的实测数据假定：平面应变、长度不变、褶皱为膝折式v （四）逆冲作用与褶皱作用逆推构造总与褶皱伴生二者几何学上具相关性，成因上具统一性e.g.褶皱侧向与逆冲方向一致，变形强度共同衰减。1 阿巴拉契亚谷岭区，侏罗山式褶皱，东南造山带，褶皱强，t增多；向西北（锋带）及北美台边缘，d变平缓开阔以至消失。2 湘鄂西至川东与之类似二个问题：1 断层和褶皱，谁为主导？2 褶皱形成

20、机制？ 逆冲推覆与褶皱形成的传统观点褶皱导致逆冲推覆先褶后断 eim（）Alps水平挤压，先褶后断，形成褶皱推覆体现代认识逆冲推覆控制褶皱先冲后褶；据松树山模式（）70S以来，对前陆及造山带的逆冲推覆有了更全面认识，认识到逆冲引起褶皱的作用。但并不等于eim的观点全部过时。仍有部分运用。 褶皱由逆推引起，逆推发生早 箱状褶皱、侏罗山式褶皱是逆冲滑脱形成，断坡(Ramp)对褶皱形成起重要作用 褶皱的影响因素：断坡（倾角、长度、间距）运移速度和规模、岩系组成、逆冲作用进程，滑脱层（性质、厚度、深度） amp可能向上延伸切断顶板断层，形成切顶构造（2）逆冲作用控制下褶皱的发育amison（1987）

21、，单个褶皱的发育及几何学分析和模拟 三种类型（据褶断关系）断弯褶皱作用（Fault-bend folding）断展褶皱作用（Fault-Propagation folding）断滑（滑脱）作用（Detachment folding）（14-21）在岩席爬升断坡时形成；发生在断坡形成之后。形成于thrust终端，与断坡的形成同时或近于同时thrust终端，顺层滑脱结果，与amp无关决定褶皱与x二种作用的主导因素，可能是地质力学性质断滑下伏有能干层，其上为软层断展上、下岩层韧性差不显著v （五）逆冲推覆构造的形成作用涉及若干相关问题：断裂发生、滑动和位移、驱动力、构造演化 关于驱动力（尚无定论）早

22、期认识：（）收缩论，水平挤压；（）重力滑动 区域性水平挤压，包括前陆与造山带对称叠瓦由巨型复背斜发展而来，例如天山、祁连山 后部推动，形成不对称叠瓦状构造e.g. Alps喜山 此种解释存在的问题：某些逆冲带无强烈褶皱压应力与岩石强度相矛盾应力传递。在弹塑性状态下，应力难以远距离传递对重力滑动的质疑基底冲断面坡度板块构造解释 accretionary prism collision between island arc & continental margin foreland and backland A-type subduction 板块（应力）传送带 Qinling-tectonic

23、explanation其它 重力扩展/液压传动/热产生元素关于（异常）孔隙压力 主要发生于快速沉积带和构造加压带 水热增加放射性元素？摩擦 孔隙压力作用：降低围压、利于剪裂浮力效应表层状态延伸至深部，使其保持脆性和完整性（由于围压降低使深部状态改变，接近于表层状态）v （六）推覆与滑覆的对比和鉴别 （1）挤压推覆与重力滑覆挤压推覆：整体挤压、根带可能大于中带和缘带重力滑覆：拉伸挤压，锋带挤压强度大应变轴方向 挤压推覆有限应变长轴方向直立 重力滑覆有限应变长轴方向水平断层根带产状不同 推覆：变陡下插，倾向后方 滑覆：变缓上升，倾向前方断面形态、倾向 推覆：台阶或平滑弧形，倾向根带 滑覆：铲状，倾

24、向前锋地层层序 推覆：老地层往往上覆 滑覆：老地层可上覆，但往往是新地层在上并造成部分地层缺失（构造剥蚀）地层关系、规律性和连续性 推覆体中地层具有规律性、连续性较好，地层序列相对容易恢复 滑覆体中地层十分混乱，规律性连续性差，并由于滑覆顺序（新地层先滑），可形成倒序叠量（diverticulation）褶皱特征推覆:倒转平卧，倒转翼变薄拉断滑覆:下翼（倒转翼）往往完整 （2）逆冲推覆构造与剥离构造（剥离断层及上、下盘）表第四节 走滑断层v （一）走滑断层基本特征、构造样式 （1）基本特征主要特点 带状、包括次级断层、分叉交织、发辫状 常伴生雁列式褶皱、断裂 二盘地层一岩相带依次错移，地层时代

25、老，错距大 直线状，航卫片上明显左阶式、右阶式（15-11）离散性收敛性走滑 张剪压剪 （2）走滑断层构造样式单条、平行线、雁列、菱格棋盘格单条式：一条或多条主干断层，或分或合；次级断裂：平行或小角度斜交。平行线式：二条或更多断层并列、平行雁列式可形成pull-apart basin菱格式大区域，丁国瑜现代地震（中国）v （二）走滑断层内部应力状态、相关构造 应力应变场 断层弯曲引起的应力应变场隆起、逆断、正断、盆地 走滑断层交切引起的挤压、拉张 断层端部应力状态端部还可能存在与断层斜交的张剪压剪应力带，并形成相应构造 此外，基岩结构不均匀，走滑过程中剪切方向偏转，进一步使走滑带中形成复杂的挤

26、压拉伸带，并交替变换。年轻断层在地貌上可显示。v （三）走滑断层伴生的褶皱 雁列式褶皱褶轴小角度交于断层，多为背斜远离断层倾伏、消失产于断层一侧，二侧，或带内，亦产于隐伏断层上覆盖层（）（） 牵引式弯曲（褶皱）新西兰Alps,郯庐hinge: steep dippingv （四）拉分盆地urchfiel（1966），研究了圣安德列斯，死谷盆地之后，提出理想化模式 拉分盆地的几何特点曾称作菱形断陷，分为型、型型左行左阶型右行右阶规模：长数百米百公里；宽：数十米数十公里长宽比约： 拉分盆地的演化可在二条断层控制下发育也可在一组雁列断层控制下发育大型拉分盆地中的次极断层和拉分盆地，形成堑中堑（盆中盆

27、）和堑中垒拉分盆地形态：一般窄而长，宽度相对稳定，长宽比达到：时停止发育决定盆地发育的因素：雁列走滑断层的间隔和重垒；断层长度；活动持续时间和切割深度消亡过程，自边界向内部萎缩 拉分盆地的地质特点发育快、沉降快、厚度大、相变快陆缘陆相海相；或海相湖相河流相陆内拉分盆地：全为陆相大型拉分盆地，长期生长，地壳相对薄，有火山活动，热流较高油气、盐类 厚的多有机物海、湖相沉积，快速沉降埋藏，高热流生油层 碎屑沉积储油层 雁列褶皱储油圈闭地震 伸展扭动背景中，多震土耳其安那托利亚断层 海原地震（） 滇西北红河北段第四次断陷v （五）花状构造 根据形态、力性分为正花状和负花状 正花状收敛性走滑断层派生压扭

28、性应力状态逆断层组合，背冲 断面下陡上缓，凸面向上 地层呈背形，但非弯滑褶皱 负花状离散性、张扭性正断层、凹向上 似地堑构造 地层平缓 浅部纵向斜（不具弯滑性质）花状构造多发育于未强烈变形和叠加地区，我国中、西部多正花状，东部以负花状为主v （六）走滑断层在区域构造中的地位、意义在区域上可是单剪或纯剪的结果，可是独立体系或区域中一个单元，对区域构造进行转换和调整e.g.印度二侧的平移前陆褶冲带（油气）走向上常被走滑断层横切大逆冲岩席二侧被二条走滑断层限制 几种重要构造现象菱格和发辫式构造 菱格产状平缓，新构造区显著e.g.地震与现代破裂网格(fig盆地轮廓（塔里木、柴达木）（南缘阿尔盆左行平移）菱形强应变带与弱应变域网结变质杂岩中、大别 发辫式构造图解说明：雁列吕德尔剪裂，先形成低角度剪裂形成在之后，由模拟得出主剪切带、，断裂滑向均一致关于断裂由于的发育，使相互联接，夹有菱形地块双重构造貌似平面上的双重逆冲构造陆块构造.ruhn（） 基本内涵：地壳被切成块体（微板块数km块）块体间相互作用、运动、转动走滑断层和转换拉张（transextesion）转换挤压（transpressure）引起陆块转动的主要动力强调transextension & transpressure引起地壳块体的普遍活动和转动。块体转动类型：绕直立轴走滑断层引起