第七章 断层成因分析第一节断层发育的应力状态当岩石受力超过其强度极限，便开始破裂。起初形成微裂隙，并常呈羽状排列。当断层面一旦形成，应力继续作用并超过其磨擦阻力时，两盘开始滑动，断层形成。随着断层活动，应力也逐渐释放，并趋向于零，断层活动趋终止。在近地表状态，一般情况下：正断层倾角较陡；逆断层倾角较缓；平移断层多近于直立。假设某岩层的内摩擦角为30，应力在垂直和水平方向上均无变化，那么：若1直立， 2和3水平，产生正断层，断层倾角60， 2与断层走向一致；若3 直立，1 和2水平，产生逆断层，断层倾角30， 2与断层走向一致， ；若2 直立， 1和3水平，产生与1呈30交角平移断层， 2与断层走向垂直。所有断层面均包含或平行于2 。此即安德森（Anderson，1951）提出的正、逆、平移断层的三种应力状态。这一安德森模式长期为地质学家广泛接受。认为，断裂面为一剪面，1为两剪面的锐角平分线方向，3为两剪裂面钝角平分线方向。安德森模式虽然常常作为地质学家分析断层作用的应力状态的基本依据，但是自然界的情况是复杂的。一些学者对复杂的地质条件进 行了分析。哈弗奈（Hafner）分析了地球内部可能存在的各种边界条件所引起的应力系统，他假定一个标准应力状态并附加以类似实际构造状况的边界条件，从而推算出各种边界应力场下势断层的可能产状和性质。势断层可能发生的断层。哈弗奈提出的标准状态的边界条件是：1、岩块表面为地表，没有剪应力作用，其上各点仅受一个大气压的压力；2、岩块底部，应力指向上方，岩块内任一水平面上各点承受的上覆压力相等，均为上覆岩块的重量；3、边界上没有剪应力作用。任何处在标准条件状态下的岩石，如受水平挤压，最 简单的情况就是两侧均匀受压，在这种情况下，可能出 现两组共轭X型逆断层。它们的产状在平面或垂直方向均无变化，但此种两侧均匀受压并不常见。而两侧不均匀挤压才是常见的受力状况，因此，哈弗奈提出了三种附加应力状态。三种附加应力状态，均假设中间应力轴水平，剪裂角约60，含1。第一种附加应力状态（教材中第二种）只有水平线 性变化的水平附加应力，水平挤压自上而下增大，并 且两端挤压力不等。上图：左端应力大于右端；下图：势断层分布与应力 不足以产生断层之空白稳定区。势断层为倾角30，倾向相反之逆断层，由于最 大主应力轴的倾角各点不一，倾角各点也不同，但断 层性质一致。第二种附加应力状态（教材中第三种）水平挤压应力在水平方向上自左至右呈指数递减，因而稳定区远大于势断层分布区。倾向稳定区的一组断层为陡倾斜逆断层，其倾角自地表向下显著增大，另一组倾角平缓，近地表为低角度逆断层；向下变为缓正断层。第三种附加应力状态（教材中第四种）附加应力包括两种：1、作用在岩块底面上呈正弦曲线形状的垂向力；2、沿岩块底面作用的水平剪切力。这种应力状态下形成的势断层产状比较复杂。在中央稳定区的上部形成两组高角度正断层，且倾角向深部变陡。自中央向边缘，断层倾角变缓，一侧变成低角度正断层，另一侧变成逆掩断层。哈弗奈以壳下层的物质对流说明这种应力状态的机制。哈弗奈模式有助于查明一定边界的应力系统下侧潜在断层，问题在于很难选择有地质意义的边界条件，但这种模式在分析断层应力场，推测深部断层及其产状的可能变化给我们以深刻的启示。非均匀介质中断层与主应力轴的关系：安德森模式、哈弗奈模式都是在均匀介质为前提分析断层与主应力轴位置关系，但实际上岩体往往是非均质的，还有先存的力学上弱面（层面、老断层、不整合面等），而这些弱面的取向与上述二模式给出的断裂面方位并无固定关系，因此若是沿弱面发展而 成的断层，其方位与1的夹角并不规则，断层面2与不一定平行。第二节断层的成因分析（一）正断层的成因分析一、应力条件正断层（现象）使岩层宽度在垂直于断层走向的方向上加大。共轭正断层一系列相间发育，使正断层总滑距的水平分量积多，水平基准面拉长；按安德森模式，正断层形成应力条件：1直立。可以是岩体重力，也可以是火成岩体、岩丘等引起；3 水平。与断层走向垂直。正断层面倾角向深部常常变缓。二、正断层形成的构造背景1、背斜造成局部拉伸； 2、海沟外隆所产生局部拉伸；3、区域性水平拉伸；a、侧向水平拉伸形成盆地，盆地边缘即有了正断层形成之条件（生长断层）；b、板块分离边界裂谷发育过程中正断层形成；4、穹窿伴生之正断层；5、区域性差异升降运动形成的正断层；6、重力滑动之正断层，在浅海或大陆坡未固结沉积物中常有（水下滑坡）；（二）逆断层的成因分析 一、高角度逆断层的成因 1、造山带中与褶皱同时发育的高角度逆断层；倾向与同斜褶皱轴面一致，是造山带物质垂向差异 塑性流动的构造表现。2、造山带中与深成岩浆活动有关的高角度逆断层 （侵入，1直立），断层上切到盖层中，断层 走向平行于花岗岩平面延伸的方向。3、差异升降运动造成的高角度逆断层（上、下剪 切作用导致的次级同旋向剪裂面）二、低角度逆断层的成因低角度逆断层因水平侧向挤压造成岩层水平基准面上侧向缩短的断层。水平侧向挤压： 1、由褶皱进一步发展而成（b），两侧水平挤压力 不均，差异挤压；2、与褶皱同时发育的破裂逆断层（c）：脆性岩层受 侧向挤压先造成开阔褶皱，后即破裂，在剖面X基 础上形成破裂逆断层；3、早于褶皱形成的剪开逆断层（a），大型推覆构造即由阶梯状的剪开逆断层所构成，其形成后可以与岩层同时再褶皱。阶梯状断层由断坪和断坡两部分组成：断坪断层中顺层面滑动的部分，断坡断层中切层滑动的部分。三、逆掩断层和推覆构造的成因1、定义：逆掩断层具有可以填图规模、使水平基准面缩短、断面倾角45的逆断层；推覆体沿逆掩断层面运动来的外来岩席；推覆构造上、下断盘间具有较大规模位移的逆掩断层；2、孔隙液压在推覆构造形成中的作用孔隙压抵消了一部分荷载重力作用，起着浮力的作用，从而降低了推覆体自重造成的在断层面上的压应力，使推覆体在断层面上的运动摩擦阻力减小。3、逆掩断层和推覆构造的形成机制除由水平挤压、板块碰撞、基底缩短作用等之外还有：a、重力滑动机制和重力滑坡相似，但滑体巨大，滑动面平缓。重力滑动条件：首先在滑动前被抬高，使其具有位能，其次是有发育于低强度塑性岩层中的断层面；滑动面是一向滑动方向倾斜的正断层，其前端是收缩断层，后端是伸 展断层。b、重力扩张岩石在重力作用下，垂向压扁降低高度，并在水平方向上向静岩压力小的方向流动扩展，从而产生水平方向的推动力形成推覆构造。在重力产生的侧向水平推动力的作用下，将在板状岩体的后部出现应力集中，从而 产生逆掩断层，而后板状岩体长度缩短，应 力重新在其余的板状岩体的后部集中，产生 第二个逆掩断层，依此类推，产生叠瓦状构 造。随应力的逐渐减小，逆掩断层间距也变 小。C、后方推动由水平挤压形成的断层、板块碰撞等引起；d、基底缩短作用引起；重力扩张和重力滑动的区别：（1）重力扩张所产生的推覆体后部是被更后面的逆掩断层所切（b）；重力滑动推覆体的后部为正断层所切，其底部为滑脱面（a）； （2）重力扩张是由重力导生出来的水平推动力，断层倾向隆起区；重力滑动主体断层是低角度正断层，断层倾向凹陷区；4、逆掩断层和推覆构造的分布a、被动大陆边缘三角洲（可发育重力滑动推覆构造）；b、俯冲带上覆板块的边缘；c、板块大陆碰撞缝合带（喜马拉雅，阿尔卑斯）；d、活动大陆边缘内侧前陆向活动大陆边缘方向的陆壳俯冲带（A型俯冲带），向活动大陆边缘方向倾斜，向前陆方向推覆；四、断层面倾角变化的原因1、侵蚀作用对断层产状的影响；当逆断层与地面相交后仍活动，就形成地面断层或侵蚀断层。2、断层面的再褶皱；3、挠曲滑动断层；4、犁式逆断层深部平缓，浅部陡，断层面向上凹；（三）平移断层的成因分析一、平移断层的形成方式1、由于不均匀侧向挤压，使岩块在垂直于纵向逆断层和褶皱枢纽方向上滑动，此类一般规模不大，左行、右行均有；2、沿共轭剪面发育而成，一左一右；二、派生构造由平移剪切面派生出张、剪、拖曳褶 皱等，它们与主断层面的关系(b图为s2不稳定分析)：由主断层剪切运动派生出的 次级应力场：1与a 联合作用， 最大主应力轴为C，派生张节理(T、 T)与主断层交角 =45-90，派生褶皱轴（D）与主断层交角 =0-45三、收敛平移断层作用和分散平移断层作用因平移断层面的不平直而引起局部挤压（A）拉伸 （B），前者为收敛平移断层作用；后者为分散平移 断层作用。四、平移断层引起的垂直运动1、两条走向不同，旋向相反的平移断层相交，必产 生升降运动；2、平移断层剪切中心附近的升降运动以剪切运动量最大的地段为中心，在剪切中心的后方为拉伸、前方为挤压；3、平移断层斜列引起的升降运动当两条右行平移断层呈右行斜列时，其间呈拉张状态（拉分盆地）；当两条右行平移断层呈左行斜列时，其间呈挤压状态（褶皱隆起）。第三节 韧性剪切带剪切带剪切作用集中地带。其规模大小不一，但 均有强烈剪切变形，而剪切带两侧岩石没有变形。剪切带可分脆性剪切带、脆韧性剪切带、韧性 剪切带三种。1、脆性剪切带岩石发生脆性变形，以一明显的不连续面（断面）作为剪切变形运 动面，两侧岩石被其错开；2、韧性剪切带岩石发生韧性变形，从一侧进 入剪切带至另一侧，岩石被扭曲，但无明显断 面，从整体上看，剪切带两侧岩石明显发生位 移，但两侧却可追示。3、脆韧性剪切带于上述二者之间，此类可分两个过程：即韧性阶段和脆性阶段；上述三剪切带的发育随深度变化而不同。按正常地 温梯度，由脆性到韧性的过渡区温度约250350度。韧性断层特征 ：1、应变强度自剪切带边 界向中心迅速 递增，高应变 使矿物和捕虏 体在大致与断 层带平行的方 向上明显拉长 ； 2、韧性断层带内片理构造亦是自边缘向中心渐趋强烈。水平剪切带片理与断层夹角 ，边缘45，向中心渐趋小，走向呈S型或反S型；3、韧性断层产生的断层岩为糜棱岩系列岩石，镜下可见波状消光，条形纹及石英碎斑的重结晶细小颗粒；4、韧性断层常见于深埋条件下的块状岩石（侵入岩与变质岩中）；鞘褶皱韧性剪切带中的典型构造：其褶皱枢纽平行于拉伸线理方向、形似剑鞘、规模 不大。为早期褶皱经强烈剪切作用进一步演化 而成。糜棱岩韧性断层岩中的典型断层岩。系指在较高的温度、压力及低应变速率条件下晶体发生塑性变形形成的断层岩。特点：1、与原岩相比，粒度明显减小；2、具有增强的面理、线理；3、发育于较窄的强应变带内； 4、颗粒细小、致密坚实，具有纹层状；5、镜下可见镶嵌结构，由残斑和基质组成；在长英质糜棱岩中，残斑多为长石和石英，基质以石英为主，表现为明显的塑性变形；韧性剪切指向判断： 1、S-C面理：两者锐交角指示邻侧运动方向（a、b ）2、旋转构造中的碎斑形成的拖尾构造（c、d） ；3、云母“鱼”中云母解理与鱼尾的拉长，鱼尾尖指 示邻侧的动向（e）；4、与残斑中微型剪切面的动向相同、与书斜式的 正断方式的运动方向相反（f）；5、黄铁矿压力影中纤维状晶体的非对称展部，压力 影尖端指示邻侧动向（g）；6、层内紧闭小褶皱的不对称发育（h）；第四节 伸 展 构 造伸展构造由岩石圈水平引张作用造成的、以正断层为主体的、具有全球范围分布的组合构造系列。伸展构造的主要类型有以下几种：1、大型地堑、地垒2、半地堑由依次向一侧断落的 台阶状正断层组成3、裂谷区域性岩石圈伸展隆起背景上形成的巨型断陷大陆裂谷（东非裂谷）、陆间裂谷（红海裂谷）、大洋裂谷（大西洋中央海岭裂谷）4、剥离断层（拆离断层）由于地壳水平伸展而造成垂向变薄的犁状低角度正断层。 特点：A、剥离断层使较浅层次的新地层直接覆盖在较深层次的老地层之上，向下逐渐变缓并向近水平的韧性剪切带过渡。B、剥离断层发育在盖层与基底之间，其上为脆性伸展变形，其下为韧性变形，形成糜棱岩带；C、 剥离断层带之下的古老变质岩常呈穹状隆起而 组成“核”，称为“变质核杂岩”，其上为糜棱岩化变质 岩。第八章褶皱成因分析第一节 褶皱形成机制岩石发生褶皱是