斷層的性質(zhì)與特征

1、一、 問題的提出生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常遇到一些問題與斷層的性質(zhì)有關(guān)。如：水文地質(zhì)中斷層的導(dǎo)水性，斷層與礦井突水淹井的關(guān)系；瓦斯地質(zhì)中斷層的開放性，斷層與瓦斯賦存、瓦斯涌出及煤與瓦斯突出的關(guān)系等。顯然，斷層的性質(zhì)具有致關(guān)重要的作用，是分析問題的基礎(chǔ)，沒有對(duì)斷層性質(zhì)的準(zhǔn)確判斷，必然導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。正斷層是地臺(tái)區(qū)一種最常見的構(gòu)造類型。一般認(rèn)為正斷層為張性斷層，并具有張性斷層的一般特征。如斷層面比較粗糙、斷層角礫多棱角狀、次棱角狀、排列雜亂無章、沒有強(qiáng)烈積壓形成的復(fù)雜小褶皺等現(xiàn)象。但大量的實(shí)際觀測(cè)表明，正斷層并非主要是張性，而是剪性，并具有剪性斷層的一般特征。二、正斷層性質(zhì)從理論上來說，正斷層既可以是剪應(yīng)力

2、作用下形成的剪破裂，也可以是張應(yīng)力作用下形成的張破裂。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖石的破裂方式主要決定于以下三個(gè)因素：（1）巖石的抗剪強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度。由于巖石的抗張強(qiáng)度僅為抗剪強(qiáng)度的1/3，因此，在自然條件下，巖石更容易發(fā)生張破裂；（2）巖石變形的地質(zhì)環(huán)境。斷層一般形成在地下圍壓很大的環(huán)境條件下，圍壓的作用不利于張性破裂的形成，而對(duì)剪破裂的發(fā)育比較有利。（3）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)。巖石在張應(yīng)力作用下，超過其抗張強(qiáng)度形成張性破裂；在壓應(yīng)力作用下則形成剪性破裂?？捎眉羟衅屏涯枅A圖解來說明（略）。從實(shí)際來看，斷層一般形成在地下圍壓很大的條件下，在壓應(yīng)力作用下，主要形成剪性破裂，只有在張應(yīng)力作用下才形成張性破裂。

3、因此，盡管巖石的抗張強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗剪強(qiáng)度，但由于受環(huán)境圍壓條件的作用，巖石中更多形成的是剪切破裂，而不是張破裂。如，巖石中的節(jié)理主要為剪節(jié)理，張節(jié)理比較少見。節(jié)理的性質(zhì)尚且如此，由張節(jié)理進(jìn)一步發(fā)育所形成的典型張性斷層更為少見。三、正斷層特征斷層的特征一般包括斷層面特征、構(gòu)造巖特征、斷層兩盤伴生構(gòu)造特征及斷層的組合特征等四個(gè)方面。斷層的特征決定于斷層的性質(zhì)。比較明顯反映斷層性質(zhì)的特征是斷層面特征、構(gòu)造巖特征和斷層兩盤伴生構(gòu)造特征。張性正斷層的特征如各種教科書描述和人們通常所認(rèn)識(shí)的那樣，此不贅述。下面著重論述剪性正斷層的一般特征。根據(jù)E. M. Anderson（1951）應(yīng)力狀態(tài)分析，剪性正斷層與

4、逆斷層、平移斷層的形成機(jī)制實(shí)質(zhì)上是一樣的，均屬于剪破裂，因此，應(yīng)當(dāng)具有類似的壓剪性構(gòu)造特征（略）。但實(shí)際研究表明，斷層特征的差別也是比較明顯的：（1）剪性正斷層的壓剪性構(gòu)造特征最弱，平移斷層較強(qiáng)，逆斷層最強(qiáng)。形象理解，由剪性正斷層平移斷層逆斷層，其構(gòu)造特征表現(xiàn)為“張剪性剪性壓剪性”的遞變序列。（2）構(gòu)造巖分帶性的差異。剪性正斷層分帶性最明顯，其次是平移斷層，逆斷層最弱。野外觀測(cè)表明，如果斷層帶內(nèi)各種構(gòu)造巖均較發(fā)育的話，緊靠斷層面的是斷層泥，然后，離開斷層面依次是碎粉巖、碎粒巖、斷層角礫巖（圖1）。 圖1 構(gòu)造巖分帶示意圖四、影響剪性正斷層特征因素分析剪性正斷層特征總體上介于張性正斷層與剪性逆斷

5、層、平移斷層之間，其根本原因是空間應(yīng)力狀態(tài)作用的差別造成的。（1）應(yīng)力的性質(zhì)決定剪性正斷層具有同逆斷層、平移斷層類似的構(gòu)造特點(diǎn)，即剪性。（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（1、2、3）的空間作用狀態(tài)不同，決定了剪性正斷層與逆斷層、平移斷層的構(gòu)造特征又有一定的差別，而與張性正斷層有一定的相似性（圖2）。剪性正斷層：“主動(dòng)力1”垂直向上，推動(dòng)斷層下盤“主動(dòng)盤”沿高角度斷裂面向上運(yùn)動(dòng)，斷層兩盤相互作用力較弱，壓剪性構(gòu)造特征不突出。逆斷層：“主動(dòng)力1”水平，推動(dòng)斷層上盤“主動(dòng)盤”沿低角度斷裂面向上運(yùn)動(dòng)，斷層兩盤相互作用力強(qiáng)烈，因此，表現(xiàn)出典型的壓剪性構(gòu)造特征。平移斷層：斷層兩盤作水平方向運(yùn)動(dòng)，相互作用力介于剪性正斷層和

6、逆斷層之間。張性正斷層：“主動(dòng)力3”水平，在重力作用下斷層上盤“主動(dòng)盤”沿高角度斷裂面向下運(yùn)動(dòng)，斷層兩盤相互作用力很弱，因此，呈現(xiàn)出典型的張性構(gòu)造特征。圖2 斷層形成的應(yīng)力狀態(tài)圖解同逆斷層、平移斷層、張性正斷層一樣，剪性正斷層的特征還受其它因素的影響，并表現(xiàn)出一定的變化。如巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、斷層面產(chǎn)狀、斷層形成的地質(zhì)環(huán)境條件等，顯然韌性巖石、薄層脆韌性巖層互層、低角度斷層、高溫高壓地質(zhì)環(huán)境條件下，其壓剪性特征比較明顯，反之，張性特征明顯，在實(shí)際應(yīng)用中要具體分析。五、結(jié)論（1）正斷層包括剪性正斷層和張性正斷層，自然界中以剪性正斷層為主。（2）剪性正斷層的構(gòu)造特征總體上為剪性，但表現(xiàn)出一定的

7、張性特點(diǎn)；張性正斷層具有典型的張性構(gòu)造特征。剪性正斷層的構(gòu)造巖具有空間分帶性。（3）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的空間作用狀態(tài)是影響斷層特征的決定性因素，其次是巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、斷層產(chǎn)狀、斷層形成的地質(zhì)環(huán)境條件等。摘要 理論和實(shí)際研究表明，正斷層有剪性和張性兩種力學(xué)性質(zhì)，并以剪性為主。剪性正斷層的構(gòu)造特征總體上為剪性，但表現(xiàn)出一定的張性特點(diǎn)；張性正斷層具有典型的張性構(gòu)造特征。剪性正斷層的構(gòu)造巖具有空間分帶性。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的空間作用狀態(tài)是影響斷層特征的決定性因素。關(guān)鍵詞：正斷層 力學(xué)性質(zhì) 構(gòu)造特征參考文獻(xiàn)斷層的類型及特征壓性斷層1斷裂面往往呈舒緩波狀，沿走向方向尤其明顯2斷裂面上常有較多的擦痕、階步、磨光面。

8、并出現(xiàn)動(dòng)力變質(zhì)的新生片狀物（如云母、滑石、綠泥石）及被壓扁或拉長(zhǎng)的柱狀礦物、片狀礦物、礫石、鮞粒、石英、方解石晶片和晶塊等，并沿?cái)嗔衙婕皟蓚?cè)作近于平行斷裂面走向排列3斷層中的構(gòu)造巖，以角礫巖、糜棱巖、斷層泥為主，有時(shí)還可見到構(gòu)造透鏡體4斷裂面兩側(cè)巖石由于受強(qiáng)烈擠壓而破碎、牽引、沖斷，從而產(chǎn)生一些伴生構(gòu)造，如羽狀裂隙、劈理，“入”字型分之構(gòu)造(包括斷層和褶曲)，小旋卷構(gòu)造等5斷裂面常成群出現(xiàn)，彼此平行，沿走向延伸較遠(yuǎn)，在剖面上常構(gòu)成迭瓦式6逆斷層（包括沖斷層、逆掩斷層輾掩斷層）屬壓性斷層張性斷層1，斷裂面粗糙不平，形狀不規(guī)則。擦痕較少，很少出現(xiàn)大批擦痕，斷層傾角一般較陡2，當(dāng)張性斷裂發(fā)生在礫巖中

9、時(shí)，斷裂面常繞礫石而過，無切割或壓扁現(xiàn)象3，斷裂面兩側(cè)巖層產(chǎn)狀無明顯變化4，構(gòu)造巖以角礫巖為主，糜棱巖、斷層泥較少見。角礫巖大小懸殊，無顯著定向排列5，張性斷裂常成群分布，形成張性斷裂帶。在平面上彼此平行，在剖面上常組成地壘，階梯等構(gòu)造。凡追蹤“”形斷裂的張性斷裂，均成鋸齒狀，稱“之”字形斷裂6，正斷層屬張性斷裂扭性斷層1斷裂面常較光滑、平整，有時(shí)呈鏡面出現(xiàn)，常有大量水平或近于水平的劃痕階步。斷層產(chǎn)狀平穩(wěn)，斷層線平直2斷裂面上有時(shí)有新生的硅質(zhì)、方解石、綠泥石等動(dòng)力變質(zhì)礦物，但不如壓性結(jié)構(gòu)面常見3構(gòu)造巖常被碾磨很細(xì)，有角礫巖與糜棱巖，并具有片理化的窄帶。構(gòu)造巖常成斜列分布與扭性斷裂帶中4斷裂面兩

10、側(cè)，巖石由于受強(qiáng)烈的扭動(dòng)而常伴生一些羽狀裂隙、劈理，“入”字形及小旋卷構(gòu)造5扭性斷裂常成群出現(xiàn)，兩組平行，且呈“”形（常將巖石切成菱形），有時(shí)成雁行式排列6平移斷層屬扭性斷層壓扭性斷層1即具有壓性特征，有具有扭性特征。上述的壓性、扭性斷裂的特征均可借鑒2斷裂面上常可見到顯示上盤斜沖的擦痕、階步。兩盤巖石可能發(fā)生一些伴生構(gòu)造，如牽引、羽狀裂隙、劈理、“入”字形分支及旋卷構(gòu)造。這些伴生構(gòu)造的軸面、斷裂面與主斷裂面的交線和旋軸，既不與主斷裂面走向線平行，也不與其傾向線平行，而是介于兩者之間，這是壓扭性斷裂的一個(gè)特點(diǎn)3壓扭性斷裂常成群出現(xiàn)，成雁行式、平形式排列4平移逆斷層、逆平移斷層均屬于壓扭性斷層節(jié)

11、理的分類及特征張節(jié)理1力學(xué)成因：由張應(yīng)力產(chǎn)生，節(jié)理面與張應(yīng)力方向垂直?；鸪蓭r由冷凝收產(chǎn)生的原生節(jié)理2節(jié)理面特征：裂口微張開或較大張開，節(jié)理面粗糙，面上無劃痕，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，沿走向和傾向延伸不大，在礫巖或粗粒碎屑巖中，常繞過礫石、結(jié)核或碎屑顆粒，張開而不切斷礫石等顆粒，在剖面上常呈楔形，上寬下窄，常被粘土、巖礦脈充填3節(jié)理的組合特征：常成群出現(xiàn)，并排列成雁行式、平形式，在褶曲軸部常形成與褶曲軸平行的二次縱張節(jié)理，當(dāng)與斷層伴生時(shí)，常組成邊幕式和羽狀張節(jié)理剪切節(jié)理1力學(xué)成因：由剪應(yīng)力產(chǎn)生，常沿兩個(gè)最大剪切面產(chǎn)生兩組共軛剪節(jié)理，通常它們所夾銳角的平分線即為主壓應(yīng)力作用方向，但也有鈍角平分線為主壓應(yīng)力方向的2節(jié)理面特征：裂口通常閉合，節(jié)理面光滑平直，上常有劃