公路工程地質(zhì)調(diào)繪中中型地質(zhì)構(gòu)造的觀察與研究 龔建

1、公路工程地質(zhì)調(diào)繪中中型地質(zhì)構(gòu)造的觀察與研究龔建平,劉 勇（江西省交通設(shè)計院，江西 南昌 3300002）摘 要：介紹了褶皺、斷層（裂）野外觀察研究內(nèi)容及其應(yīng)力配套分析，闡明了中型構(gòu)造的觀測對公路路線方案比選的重要性，提出了中型構(gòu)造觀測的目的及意義。關(guān)鍵詞：巖土工程；中型構(gòu)造；褶皺；斷裂；調(diào)繪0 前 言公路路線方案的比較與選擇是公路工程研究與設(shè)計的重要內(nèi)容，也是公路工程設(shè)計的根本問題。然而方案的比選在對工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益、運營效益等方面進(jìn)行分析外還必須體現(xiàn)“地質(zhì)選線”的理念，提高路線布置、橋隧設(shè)計的合理性，減少公路建設(shè)中的地質(zhì)病害，使公路與地質(zhì)環(huán)境和諧統(tǒng)一。地質(zhì)選線的基礎(chǔ)是沿線各方案一定范圍內(nèi)工

2、程地質(zhì)條件，而中型地質(zhì)構(gòu)造控制著一定范圍內(nèi)地形地貌輪廓及巖性展布，是工程地質(zhì)條件優(yōu)劣的主要因素之一，為此，加強對中型構(gòu)造的觀察與研究具有一定的實際意義。筆者根據(jù)自己多年來的工作體會，結(jié)合學(xué)習(xí)和參閱有關(guān)資料，總結(jié)出一套工作方法和步驟，供同行們參考，不當(dāng)處，懇請指正。中型構(gòu)造是指褶皺和斷層（裂），它是介于小型構(gòu)造與大型構(gòu)造（或大地構(gòu)造）之間的一種中等規(guī)模的構(gòu)造，褶皺和斷層之間，存在著既有區(qū)別又有聯(lián)系，并可在一定條件下，互相轉(zhuǎn)化或派生的辨正關(guān)系。是對應(yīng)力不同反應(yīng)所形成的兩種對立而又伴生的中型構(gòu)造。1 褶皺的觀察與研究褶皺是層狀巖石在地應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲變形而形成的塑性變形構(gòu)造，在地殼中廣泛分布，并與

3、節(jié)理、劈理、斷層等構(gòu)造有著密切的關(guān)系，為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究的重要對象之一。褶皺構(gòu)造觀察研究的基本任務(wù)在于：查明褶皺的三度空間形態(tài)及其分布規(guī)律；確定褶皺形成的時代；研究褶皺內(nèi)部各種次級構(gòu)造的分布規(guī)律，用以幫助查明和探討褶皺的形態(tài)特征及其形成機制。1.1 褶皺的一般特征及其觀察要點褶皺構(gòu)造是一種具有連續(xù)性的構(gòu)造，通常成群發(fā)育，背斜與向斜相間出現(xiàn)，具有一定的方向性和系統(tǒng)性。伴隨褶皺往往還可以出現(xiàn)各種不同性質(zhì)、不同序次和不同等級的裂隙構(gòu)造，包括斷裂（層），節(jié)理和劈理等。在構(gòu)造簡單的地區(qū)，各種褶皺是易于識別和確定的，但在強烈變形的變質(zhì)巖地區(qū)，往往野外難于判別褶皺的存在，而把一套發(fā)育許多同斜褶皺的巖系誤認(rèn)為

4、單斜巖層，致使某巖系的厚度被夸大，面貌也被歪曲了。為此識別褶皺的存在，成為變質(zhì)巖層構(gòu)造觀察研究的首要任務(wù)。觀察研究的要點是： （1）首先應(yīng)在剖面研究中，把層理與各種次生的面理加以區(qū)分，并系統(tǒng)觀察和研究其原生構(gòu)造（如粒級層、交錯層等原生構(gòu)造）和次生構(gòu)造（如節(jié)理、劈理等）查明和確定巖層的新老層序，判別那些巖層是正常的，那些巖層是倒轉(zhuǎn)的；（2）系統(tǒng)對比和研究剖面中各巖層的巖性組合特征，并根據(jù)底層的時代關(guān)系或巖性組合（或標(biāo)志層）有規(guī)律的對稱重復(fù)出現(xiàn)，確定背斜和向斜的存在。但應(yīng)注意的是巖層的產(chǎn)狀變化，只能幫助查明褶皺的形態(tài)特征，不能簡單地根據(jù)產(chǎn)狀的向、背來確定褶皺類型；（3）要努力尋找標(biāo)志層所表現(xiàn)出的褶

5、皺轉(zhuǎn)折端，不論在剖面上或平面上，它都是確定褶皺存在的重要證據(jù)。但不能把局部小褶皺的轉(zhuǎn)折端誤認(rèn)為大褶皺的轉(zhuǎn)折端。必須綜合盡可能多的有關(guān)資料，才能正確地判斷褶皺的存在；（4）根據(jù)各種層內(nèi)的次級構(gòu)造（如小褶皺、劈理等）在褶皺兩翼的對稱分布，亦可幫助確定褶皺的存在；（5）轉(zhuǎn)折端的產(chǎn)狀是判別褶皺形態(tài)的重要依據(jù)。在一般情況中下，不論是正常褶皺還是倒轉(zhuǎn)褶皺，其轉(zhuǎn)折端的產(chǎn)狀總是正常的。據(jù)此可以確定巖層的層序。在平面上根據(jù)其產(chǎn)狀是外傾斜轉(zhuǎn)折，還是內(nèi)傾斜轉(zhuǎn)折，可以判別是背斜還是向斜。轉(zhuǎn)折端處巖層的傾向及傾角即大致相當(dāng)于褶皺樞紐的傾狀方向及傾狀角；（6）詳細(xì)追索和研究標(biāo)志層或類標(biāo)志層（如硅質(zhì)巖、大理巖等）在空間分布

6、的形態(tài)，是了解區(qū)域構(gòu)造的重要手段。它不僅有助于研究層理及面理的關(guān)系，查明褶皺的空間形態(tài)，而且有助于選加褶皺的研究和查明。1.2 褶皺一般觀察與研究褶皺的一般觀察研究方法是：首先是認(rèn)識層理，其次是追索標(biāo)志層或類標(biāo)志層，觀察研究沉積物的沉積順序，分析沉積韻律的特點，并利用褶皺發(fā)生過程中形成的小構(gòu)造結(jié)合沉積巖、熔巖中原生構(gòu)造的研究。層理大致可分為兩大類：一類是由于沉積間斷所形成的，為誘生層理，另一類，由于沉積物本身的排列特點表現(xiàn)出來的，叫自身層理。一般沉積層地區(qū)，層理是易于識別的，但在變質(zhì)巖區(qū)，由于次生構(gòu)造（包括節(jié)理、劈理和片理等）發(fā)育，增加了層理的識別難度，特別是巖性比較單一的地區(qū)，更難識別。識別

7、層理的有效方法是觀察和研究巖層沉積物的成分和粒度變化，顏色（原生顏色）的差異，以及有關(guān)沉積原生構(gòu)造（如洩痕、交錯層、印模等）。褶皺內(nèi)部次生構(gòu)造的觀察與研究，亦是判別底層層序和褶皺類型的主要方面。因為組成褶皺的巖層，在變形過程中伴生或派生出許多次級構(gòu)造，如小褶皺、節(jié)理、層間擦痕與破碎帶、劈理等，它們都是有規(guī)律地分布與褶皺構(gòu)造的一定部位，與大褶皺有密切的成因聯(lián)系和一定的幾何關(guān)系。查明其內(nèi)部次級構(gòu)造的分布規(guī)律，不僅有助于闡明大地構(gòu)造的幾何特征（如軸面和軸的產(chǎn)狀），而且有助于分析褶皺形成機制及發(fā)展過程。利用褶皺內(nèi)部的次級小褶皺，判別地層層序和褶皺形態(tài)特征 在利用次級小褶皺資料時，首先要根據(jù)其與大褶皺的

8、關(guān)系，分析小褶皺與大褶皺有無成因關(guān)系，或為后期迭加的，或為斷層作用造成的。只有與大褶皺有成因聯(lián)系的次級小褶皺，才可用以分析大褶皺的形態(tài)及其運動方式。褶皺內(nèi)部的主要次級小褶皺有：扇形小褶皺、大褶皺翼部不對稱小褶皺，大褶皺倒轉(zhuǎn)端對稱小褶皺，倒轉(zhuǎn)翼部強硬巖層中的小褶皺和褶皺核部擠壓形成的小褶皺等（見圖1）。a小褶皺軸面呈扇形排列b大褶皺翼部的不對稱小褶皺，其軸面與包絡(luò)面的銳角指向物質(zhì)運動方向c大褶皺轉(zhuǎn)折端的對稱小褶皺及軸面面理d倒轉(zhuǎn)翼強硬巖石中的小褶皺及軟弱巖層中的流劈理e褶皺核部擠壓形成的小褶皺圖1大褶皺內(nèi)部從屬小褶皺的特征根據(jù)與大褶皺有關(guān)的層間小褶皺（或拖拉褶皺）來判別地層層序，主要是根據(jù)層間小

9、褶皺的褶皺軸面與巖層層面相交銳角所指方向確定。凡是上層向上滑者為正常翼，反之為倒轉(zhuǎn)翼（見圖2）。圖2根據(jù)層間小褶皺判別層序示意圖另外，還可以根據(jù)與褶皺有關(guān)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)造（如旋轉(zhuǎn)石、香腸構(gòu)造）來判別地層層序。利用劈理、節(jié)理等判別褶皺形態(tài)特征 應(yīng)用層面劈理的夾角規(guī)律，可以判別地層層序和褶皺構(gòu)造的形態(tài)特征：當(dāng)劈理與上層相交為銳角時，上層沿層面向上滑動者為正常層序，反之為倒轉(zhuǎn)層序（見圖3）；圖3利用間層劈理判別巖層層序示意當(dāng)劈理與層理的傾向相同，但劈理的傾角大于層理傾角者，為正常層序，反之為倒轉(zhuǎn)層序；在平面上，凡是劈理面與所在巖層的頂面相交的銳角所指的方向，即為背斜軸線的傾狀方向；當(dāng)劈理面與層近于正交時，

10、即位于褶皺的軸部，劈理面與層面斜交或近于平行時，即位于褶皺的翼部。利用節(jié)理判別褶皺形態(tài)特征 在褶皺形成的過程中，往往伴生或派生一系列節(jié)理或小斷層。它們的分布和方位，往往反映了褶皺形成時應(yīng)力場或褶皺內(nèi)部的派生應(yīng)力場。因此根據(jù)與褶皺有關(guān)的節(jié)理亦可以幫助了解和判別褶皺的形態(tài)特征，恢復(fù)褶皺形成時應(yīng)力狀態(tài)。如背斜頂部的縱張節(jié)理，反映背斜形成時，頂部派生的平行層面的拉伸。在翼部的脆性巖層中，常發(fā)育一組縱向剪節(jié)理。由于上下巖層之間的相互滑動，形成平行于層面的剪節(jié)理和斜交層面的羽狀剪節(jié)理及羽狀張節(jié)理（見圖4）。根據(jù)羽狀剪節(jié)理和羽狀張節(jié)理與層面的交角，亦可判別地層層序和相互的運動方向，凡是羽狀剪節(jié)理與巖層所交銳

11、角之方向，為鄰層的運動方向，凡是羽狀張節(jié)理與巖層所交銳角之方向，為本層運動方向。1.3 迭加褶皺的觀察與研究迭加褶皺又稱復(fù)合褶皺，迭加褶皺有的發(fā)育于同一地層中，有的發(fā)育于不同的地層中，發(fā)育于不同地層中迭加褶皺，一般易于識別，而發(fā)育于同一地層中的迭加褶皺（又稱為重褶皺或重褶曲），判別時有一定的難度。一般來講，迭加褶皺的識別標(biāo)志主要為：（1）晚期褶皺的軸面面理切過早期褶皺的軸面面理，特別是晚期面理橫切或斜切過早期褶皺的樞紐時，更可以肯定有褶皺的迭加或復(fù)合；a背斜頂部縱張節(jié)理b縱向剪節(jié)理及反扇形流劈理平行于層面的剪節(jié)理斜交層面羽狀剪節(jié)理斜交層面的羽狀張節(jié)理圖4 褶皺不同部位節(jié)理示意圖（2）根據(jù)早期褶

12、皺軸面的規(guī)律性彎曲和變化，易發(fā)觀疊加褶皺。（3）根據(jù)各期變形產(chǎn)生的褶皺和面理特征的不同，亦可間接地幫助識別迭加或復(fù)合褶皺。（4）在多期形變地區(qū)，要特別注意小型褶皺的不同方位，樣式或?qū)ΨQ性，注意觀察與它們組合在一起的面理或線理。2 斷層構(gòu)造的觀察與研究2.1 確定斷層是否存在的主要地貌、地質(zhì)依據(jù)確定斷層的主要標(biāo)志有（1）山脊、水系的錯斷和沖積扇的線形排列以及水系的突然改道等是判別斷層的主要地貌標(biāo)志；（2）巖層、巖脈的錯斷和突然中斷，巖層的缺失和重復(fù)，破碎帶的走向排列，擠壓帶或陡立巖帶的出現(xiàn)，硅化破碎帶及礦化帶的走向排列等，是判別斷層的主要地質(zhì)依據(jù)；（3）發(fā)生于沉積盆地的邊緣，由重力滑動所形成的斷

13、層為同沉積斷層（或生長斷層），在巖性巖相上，與一般的向斜盆地有著顯著的差異（見圖5）；（4）隱伏斷層的判別，一般采用地層地貌、地球物理和遙感技術(shù)等綜合的研究方法。如侵入巖體串珠狀定向排列，兩側(cè)沉積巖相及厚度的突然變化，沉積蓋層中的雁列式褶皺帶和沉積盆地的定向排列等是判別隱伏斷層的主要依據(jù)。另外，區(qū)域性重力最大梯度帶，線性延伸的正負(fù)磁異常帶和鏈狀磁異常帶，線性影象及不同線性色調(diào)的顯示，是判別隱伏斷層的地球物理和遙感資料依據(jù)。圖5 同沉積斷層剖面圖示意2.2 斷裂帶的觀察與研究為了全面地了解斷層的相對位移方向及其力學(xué)性質(zhì)，不僅要觀察和研究斷層面，而且還要詳細(xì)地觀察研究整個斷裂帶及其旁側(cè)的次級小構(gòu)造

14、。特別是那些規(guī)模較大的斷裂，由于破碎嚴(yán)重，因而多為浮土所掩蓋，所以對其旁側(cè)小構(gòu)造的觀察研究，尤為重要，亦是觀察研究此類斷層的主要手段和途徑。一般斷裂構(gòu)造觀察研究的主要內(nèi)容是：（1）斷層面的觀察研究：斷層面上?？梢娂安梁?，根據(jù)擦痕可判別斷層兩盤相對運動方向，并可根據(jù)擦溝或垂直于擦痕的階步來判別對盤的位移方向；（2）角礫巖及糜棱巖的觀察研究：在斷面附近常有破碎巖塊和巖屑充填，通常稱之為構(gòu)造角礫巖。當(dāng)斷層繼續(xù)扭動時，使角礫磨園，稱之為磨礫巖。由于剪裂面的繼續(xù)扭動，可以形成構(gòu)造透鏡體（或構(gòu)造扁豆體）。在強烈變形條件下，斷層帶遭受擠壓，扭動使原巖磨成細(xì)小碎屑，出現(xiàn)重結(jié)晶作用和新生礦物，并且有流紋構(gòu)造，稱

15、之為糜棱巖。一般來講，角礫巖屬張性和張扭性斷裂的產(chǎn)物；磨礫巖為扭性斷裂的產(chǎn)物；而糜棱巖及構(gòu)造透鏡體，是壓性或壓扭性的產(chǎn)物。值得指出的是由于斷層的多次活動和力學(xué)性質(zhì)的變化，構(gòu)造角礫巖的性質(zhì)往往是相當(dāng)復(fù)雜的，必經(jīng)詳細(xì)而全面的觀察研究；（3）斷層旁側(cè)次級派生構(gòu)造的觀察研究，是觀察和研究更大一級斷裂帶的重要手段和途徑。根據(jù)斷層旁側(cè)次級牽引褶皺或拖褶皺可以初步判別斷層的力學(xué)性質(zhì)及其兩盤的相對運動方向（見圖6）。圖6斷層兩側(cè)的牽引或拖褶皺剖面示意根據(jù)斷層旁側(cè)的次級派生裂隙亦可借以判別斷層的力學(xué)性質(zhì)及其兩盤相對運動方向。羽狀張裂隙面與斷面相交銳角所指方向，即為本盤的位移方向；羽狀扭裂隙面與斷面相交銳角所指方

16、向，即為本盤的位移方向（見圖7）。值得注意的是，由于斷裂的多次活動和力學(xué)性的轉(zhuǎn)化，可以同時在一個地段，出現(xiàn)多期和序列的次級派生構(gòu)造。圖7斷層旁側(cè)節(jié)理平面示意圖2.3 斷層的復(fù)合斷裂的復(fù)合，不僅反映在不同期次斷裂的彼此交切穿插和干擾等現(xiàn)象，而且常常反映在同一斷裂帶的多次改造復(fù)合關(guān)系。斷裂的交切復(fù)合關(guān)系易于識別，而斷裂的改造復(fù)合，就較為復(fù)雜。關(guān)于斷裂的改造復(fù)合的判斷，不僅可以從斷裂構(gòu)造巖的特征及其相互關(guān)系上加以推定，而且可以從斷層兩側(cè)次級派生裂隙之相互切割關(guān)系上加以區(qū)別。3 結(jié) 語 中型地質(zhì)構(gòu)造的觀察研究是區(qū)域構(gòu)造和大型構(gòu)造研究的基礎(chǔ)，也是公路工程地質(zhì)調(diào)繪工作中的一項極為重要的基礎(chǔ)工作。它不僅能幫助我們確定地層層序、反映局部構(gòu)造運動的方向和性質(zhì)、巖石變形的應(yīng)力分布狀況、不同變形帶的時間順序、恢復(fù)區(qū)域構(gòu)造發(fā)展史，而且對于闡