3.2.2岩层产状的野外测定及表示法
在野外通常使用地质罗盘来测量岩层产状的三要素,见图3-5。岩层产状的测量用地质罗盘仪进行测量,其形式多种多样,主要有长方形、方形及圆形。其工作原理是由磁针和刻度盘来确定地理方位;由测斜仪来测定倾斜度;由水准器来判定水平面;由瞄准器来对准被测物的准确位置。它的基本构造有:
1、磁针:是长条状的两端尖锐的磁性体,一端指向磁北极,一端指向磁南极。其中绕有铜丝的一端指南。磁针的中心部位有一个刚玉(宝石)顶针,顶针的尖端将磁针托起,使其转动时减少磨擦,转动自如。
2、水平刻度盘:在罗盘的上层边缘有一圆周形刻度盘。从0°至360°,呈反时针方向计数,其刻度精度为1°,在0°(或360°)、270°、180°的位置上,分别在底盘上标有N(北)W(西)S(南)90°位置上为E(东)被底盘水准器占据。由此,南北线及东西线将罗盘划分为四个象限,即0°~90°为北东(NE)象限,90°~180°为南东(SE)象限,180°~270°为南西(SW)象限,270°~360°为北西(NW)象限。
3、底盘水准器:用以表示使用罗盘时,罗盘是否处于水平状态。只有当罗盘处于水平位置时,则水准气泡就居于圆形水准器的中心位置。
4、瞄准器:包括瞄准板和瞄准准心。瞄准准心有二个,一个在瞄准板的顶端,一个在罗盘盖反光镜面的上沿,二个瞄准准心的连线与罗盘上的南北线(SN)方向完全吻合。瞄准器的使用原理是采用三点一直线。
5、反光镜面:通过反光镜面,用来观察镜面中刻盘的刻度计数。反光镜面上的孔,是瞄准孔,不致因反光镜面而遮挡瞄准视线。
6、测斜器:用来测量仰角或倾角的角度(或称倾斜度)。由三个部分组成,即垂直水准器(长形水平器)、刻度指示器和活动板手。
垂直水准器指示水平线是否处于水平位置。刻度指示器是在罗盘底板上刻有90°~0°~90°的计数。当水平线处于水平时,则与罗盘上的南北线平行一致,表示为0°;随之倾斜时,即向两侧计有0°~90°计数。以此来指示瞄准所测目标的视线与垂直水平器(水平线)之间的角度(仰角或倾伏角)。活动板手是用以调节垂直水平器。
图3.5罗盘及岩层产状的测量
(a)测量走向(b)测量倾向(c)测量倾角
测量走向时,使罗盘的长边(即南北边)紧贴层面,将罗盘放平,水准泡居中,读指北针所示的方位角,就是岩层的走向。测量倾向时,将罗盘的短边紧贴层面,水准泡居中,读指北针所示的方位角,就是岩层的倾向。由于岩层的倾向只有一个,所以在测岩层的倾向时,要注意将罗盘的北端朝向岩层的倾斜方向。测倾角时,需将罗盘横着竖起来,使长边与岩层的走向垂直,紧贴层面,待倾斜器上的水准泡居中后,读悬锤所示的角度,即为倾角。
3.2.3岩层产状的表示方法
1、方位角法:将水平面按顺时针方向划分360°,见图3-6,以北方为0°,东为90°,南为180°,西为270°,将岩层产状投影到不平面上,将倾向与正北方向的夹角记录下来,并按倾向、倾角的顺序记录,记录方式:135°∠30°表示岩层的产状倾向距正北方向135°,倾角是30°,那么走向可用135°±90°进行计算。
图3-6 产状的表示
2、象限角法:由东、南、西、北四个方向将平面划分为四个象限,以正北或正南方向为0°,正东或正西为90°,将岩层产状投影在这个平面上,将走向线、倾向线所在的象限以及它们与正北或正南方向所夹的锐角记录下来,一般按走向、倾角、倾向的顺序记录:
N45°E∠30°SE表示岩层走向北偏东45°,倾角为30°,倾向南东。 岩层产状要素在野外记录本上和文字报告中,目前一般用“倾向∠倾角”的样式来表述。某岩层产状为一组走向北西300°,倾向南西210°,倾角37°,这时一般写成210°∠37°的形式。在地质图上,岩层的产状用“├ 37°\表示。长线表示岩层的走向,与长线相垂直的短线表示岩层的倾向,数字表示岩层的倾角。
3.2.4岩层构造
由于形成岩层的地质作用、形成时的环境和形成后所受的构造运动的影响不同,其在地壳中的空间方一位也各不一样,但概括地说岩层一般有水平的、倾斜的和直立岩层这三种构造情况。
1.水平岩层
覆盖大陆表面的3/4面积的沉积岩,绝大多数都是在广阔的海洋和湖泊盆地中形成的,其原始产状大部分是水平的。一个地区出露的岩层产状基本是水平的,或近于水平的称为水平岩层。对于水平岩层,一般岩层时代越老,出露位置越低,越新则分布的位置越高。水平岩层在地面上的露头宽度及形状主要与地形特征和岩层厚度有关。
2.倾斜岩层
水平岩层受地壳运动的影响后发生倾斜,使岩层层面和大地水平面之间具有一定的夹角时,称为倾斜岩层,或称为单斜构造。倾斜构造是层状岩层中最常见的一种产状,它可以是断层的一盘、褶曲的一翼或岩浆岩体的围岩,也可能是因岩层受到不均匀的上升或下降所引起的。
3.直立岩层
岩层层面与水平面相垂直时,称直立岩层。其露头宽度与岩层厚度相等,与地形特征无关。
3.3褶皱构造
3.3.1褶皱概述
地壳中的岩层,在构造运动影响下,发生一系列向上和向下的波状弯曲,并保持其完整性的变形称为褶皱。这是地壳中广泛发育的一种地质构造形态,在层状岩石中表现最为明显,它是岩石在构造应力作用下,发生的塑性变形。
褶皱大多是岩层受到水平挤压的作用形成的,但有的褶皱是在垂直作用力或力偶作用下形成的。组成地壳的岩层,受构造应力的强烈作用后形成波状弯曲而未丧失其连续性的构造,称为褶皱构造。褶皱构造,是岩层产生的永久性变形,是地壳表层广泛发育的基本构造之一。
3.3.2褶皱认识
1.褶曲的形态要素
褶曲是褶皱构造中的一个弯曲,是褶皱构造的组成单位。每一个褶曲,都有核部、翼部、轴面、轴及枢纽等几个组成部分,称为褶曲要素(见图3-7)。
核部:褶曲中心部位的岩层。
翼部:位于核部两侧向不同方向倾斜的部分。
轴面:从褶曲顶平分两翼的假想面。它可以是平面,亦可以是曲面;可以是直立的、倾斜的或近似于水平的。
轴:轴面与水平面的交线。轴的长度,表示褶曲伸的规模。
枢纽:轴面与褶曲同一岩层层面的交线。有 水平的、倾伏的,也有波状起伏的。 2.褶皱的基本形态
(1)背斜:岩层向上弯曲,核部由较老的地层组成,两翼由较新的地层组成,并相背的褶曲,称为向斜。背斜形成以后,因受到风化剥蚀作用的破坏,造成地层在地面的分布规律是从中心至两侧,地层由老到新对称出现,见图3-8。
(2)向斜:岩层向下弯曲,核部由相对较新的地层组成,两翼由相对较老的地层组成并相向倾斜的褶曲,称为向斜。向斜形成受风化剥蚀破坏后,在地面从中心到两侧,地层由新到老对称出现。
图3-8 背斜和向斜剖面图
3.3.3褶曲的形态分类
(1)按褶曲的轴面特征分类,见图3-9。
图3-9 褶曲按轴面产装分类 图3-10 倾伏褶曲示意图
(a)直立(b)倾斜 (c)倒转 (d)平卧
直立褶曲;轴面与水平面垂直。
倾斜褶曲:轴面与水平面斜交,两翼倾向相反。 倒转褶曲:轴面与水平面斜交,两翼倾向相同。 平卧褶曲:轴面与水平面平行。
(2)按枢纽的状态分水平褶曲与倾伏褶曲
水平褶曲:枢纽平行水平面,组成褶曲的地层的层面与水平面上的走向线互相平行。 倾伏褶曲:枢纽与水平面斜交,组成褶曲的地层的层面在水平面上的走向线呈鼻状圈闭,见图3-10。
(3)按褶皱岩层的弯曲形态分类
1、圆弧褶皱:褶皱岩层呈圆弧状弯曲。
2、尖棱褶皱:褶皱两翼岩层平直相交,转折端呈尖角状。
3、箱状褶皱:褶皱两翼岩层陡立,转折端平直,岩层转折处呈膝折状,形似木箱。
4、扇形褶皱:褶皱轴面直立,转折端开阔平缓,呈扇状弯曲褶皱两翼岩层都发生了倒转。
5、挠曲:平缓岩层中,一段岩层突然变陡,表现出褶皱面膝状弯曲。
3.3.4褶皱的组合形态及其分布
1、穹隆和构造盆地
穹隆和构造盆(图3-11)地是指褶皱核部的长宽之比介于1.1~1.3之间,平面上接近圆状的褶皱构造。若褶皱的核部由相对较老的地层组成,四周为较新的地层,而且岩层产状由中心向四周倾斜,则称为穹隆;若褶皱的核部由相对较新的地层组成,四周为较老的地层,而且岩层产状由四周向中心倾斜,则称为构造盆地。穹隆和构造盆地以利于特殊形式的构造形态,大都形态简单,为平缓而开阔的褶皱,有的岩层倾角仅几度,其剖面形态为同心褶皱。
穹隆和构造盆地大多发育在基底刚性较高,构造活动性小,褶皱作用不强烈,地质构造稳定的地区,如四川中部和华北部分地区。
2、雁行褶皱(斜列式褶皱)
雁行褶皱(图3-12),为一系列的短轴背斜或向斜,它可以由不同规模和级次的背斜或向斜所组成,是褶皱常见的一种组合形式。我国华北地区上古界和中生界向斜盆地在都呈雁行分布,柴达木盆地的许多褶皱群也呈雁行式分布。
这种组合一般认为是由水平力偶作用形成的,与基底断裂有关。
3.3.5褶皱的野外识别
1、判别有无褶皱:可采用路线穿越法,观察全区地层出露的规律,在垂直岩层走向上进行观察,了解岩层产状和新老地层的分布特征,若地层出现有的对称重复,则必有褶皱,若地层虽有重复,但不对称,则有可能是斜列式构造由断裂引起的,不能误认为是褶皱。
2、确定褶皱的基本类型:可根据新老地层分布的相互关系,确定褶皱的基本类型,是背斜还是向斜。
3、确定褶皱的剖面形态:根据所测得的产状和各类褶皱的基本特征,分析其剖面形态。 4、确定褶皱的平面形态:为了对褶皱。
进行全面分析和认识,还要沿褶皱轴向进行纵向观察。若两翼岩层平行延伸,呈带状分布,则为水平褶皱;若两翼岩层相互汇合或展开,或呈“之”字型分布,则为倾伏褶皱。
5、确定褶皱形成的时代:褶皱是地壳运动的产物,多数褶皱是在一次构造运动中形成。褶皱形成的年代介于组成该褶皱岩层中最新的地层年代与上覆未褶皱的岩层中最古老的地层年代之间。
3.3.6褶皱的工程评价
褶皱对工程的影响,主要从以下几个方面进行评价:
(1) 研究褶皱受挤压的程度,挤压越剧烈,往往工程地质条件越差;
(2) 研究工程与褶皱部位关系,一般来说,褶皱的受拉部位工程地质条件差; (3) 研究褶皱的组成成分,一般说,脆性岩石组成的褶皱工程地质条件差。
(4)褶曲核部:岩层由于受水平挤压作用,产生许多裂隙,直接影响到岩体完整性和强度高低,在石灰岩地区还往往使岩溶较为发育,所以在核部布置各种建筑工程,如路桥、坝址、隧道等,必须注意防治岩层的坍落、漏水及涌水问题。
(5)在褶曲翼部:边坡倾向与岩层倾向相反或者两者倾向相同,但岩层倾角更大,则对开挖边坡的稳定较有利。否则容易造成顺层滑动现象。因此,在褶曲翼部布置建筑工程时,重点注意岩层的倾向及倾角的大小。
(6)对于隧道等深埋地下工程,一般应布置在褶皱翼部的均一岩层有利稳定。
3.3.7褶皱和水工建筑的关系
岩层受力形成褶皱后,轴部张应力集中,岩石破碎,裂隙发育,易于风化;在石灰岩地区还易形成溶蚀,岩石强度低,渗透性大,为工程地质条件差的地段。因此,对于闸坝、电站、隧洞等都应尽量避开轴部地段(图3-13b,d)。当坝址选择在褶曲翼部时,若坝轴线平行岩层走向,坝基岩性均一。再考虑岩层产状,岩层倾向上游,倾角较陡时,对坝抗滑稳定最有利,也不易产生渗漏(图a)。岩层倾向上游,倾角平缓时,虽不易向下游渗漏,但坝基也有滑动的可能。最不利的情况是岩层倾向下游,且倾角较缓时,岩层的抗滑稳定性最差,也容易向下游渗漏(图c)。
当坝轴线与褶皱岩层走向垂直时(图3-14),坝基常处于不同性质的岩层上,若岩层软性相差悬殊,坝址可能会产生不均匀沉陷,也易发生渗漏,只要存在一层透水性强的岩石,就会产生集中的渗漏,若从坝的两岸岩层倾向来看,右岸图(3-14)岸坡稳定。而左岸如岩层倾角小于地形坡脚时,则易产生滑动。
图3-13 建筑在褶曲不同部位上的坝