断裂构造识别与工程评价

一、工作任务

通过断裂构造识别及工程评价知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）了解节理概念、节理分类、节理发育程度分级。

（2）掌握节理的调查方法。

（3）掌握褶皱的概念、类别、识别方法及工程评价。

二、相关配套知识

岩层受构造运动作用，当所受的构造应力超过岩石强度时，岩石的连续完整性遭到破坏，产生断裂，称为断裂构造。按照断裂后两侧岩层沿断裂面有无明显的相对位移，断裂又分节理和断层两种类型。断裂构造在岩体中又称结构面。

（一）节 理

节理是指岩层受力断开后，断裂面两侧岩层沿断裂面没有明显的相对位移时的断裂构造。节理的断裂面称为节理面。节理分布普遍，几乎所有岩层中都有节理发育。节理的延伸范围变化较大，由几厘米到几十米不等。节理面在空间的状态称为节理产状，其定义和测量方法与岩层面产状类似。节理常把岩层分割成形状不同、大小不等的岩块，小块岩石的强度与包含节理的岩体的强度明显不同。岩石边坡失稳和隧道洞顶坍塌往往与节理有关。

1.节理分类

节理可按成因、力学性质、与岩层产状的关系和张开程度等分类。

1）按成因分类

节理按成因可分为原生节理、构造节理和表生节理；也有人分为原生节理和次生节理，次生节理再分为构造节理和非构造节理。

原生节理：岩石形成过程中形成的节理。

构造节理：由构造运动产生的构造应力形成的节理。

表生节理：由卸荷、风化、爆破等作用形成的节理，分别称为卸荷节理、风化节理、爆破节理等。这种节理常被称为裂隙，属非构造次生节理。表生节理一般分布在地表浅层，大多无一定方向性。

2）按力学性质分类

剪节理：一般为构造节理，是在构造应力作用下，由产生的剪切破裂面组成的。剪节理一般与主应力成（45°-φ/2）角度相交，其中φ为岩石内摩擦角。剪节理面多平直，常呈密闭状态，或张开度很小，在砾岩中可以切穿砾石。

张节理：可以是构造节理，也可以是表生节理、原生节理等；由张应力作用形成。张节理张开度较大，节理面粗糙不平，在砾岩中常绕开砾石。

3）按与岩层产状的关系分类

走向节理：节理走向与岩层走向平行。

倾向节理：节理走向与岩层走向垂直。

斜交节理：节理走向与岩层走向斜交。

4）按张开程度分类

宽张节理：节理缝宽度大于5 mm。

张开节理：节理缝宽度为3～5 mm。

微张节理：节理缝宽度为l～3 mm。

闭合节理：节理缝宽度小于1 mm。

2.节理发育程度分级

按节理的组数、密度、长度、张开度及充填情况，节理发育程度分级见表2-1。

表2-1 节理发育程度分级

3.节理的调查内容

节理是广泛发育的一种地质构造，对其进行调查，应包括以下内容：

（1）节理的成因类型、力学性质。

（2）节理的组数、密度和产状。节理的密度一般采用线密度或体积节理数表示。线密度以“条/m”为单位计算。体积节理数用单位体积内的节理数表示。

（3）节理的张开度、长度和节理面壁的粗糙度。

（4）节理的充填物质及厚度、含水情况。

（5）节理发育程度分级。

此外，对节理十分发育的岩层，在野外许多岩体露头上可以观察到数十条以至数百条节理。它们的产状多变，为了确定它们的主导方向，必须对每个露头上的节理产状逐条进行（一般在 1 m2露头上）测量统计，编制该地区节理玫瑰花图、极点图或等密度图，由图上确定节理的密集程度及主导方向。

（二）断 层

断层是指岩层受力断开后，断裂面两侧岩层沿断裂面有明显相对位移时的断裂构造。断层广泛发育，规模相差很大。大的断层延伸数百千米甚至上千千米，小的断层在手标本上就能见到。有的断层切穿了地壳岩石圈，有的则发育在地表浅层。断层是一种重要的地质构造，对工程建筑的稳定性起着重要作用。地震与活动性断层有关，隧道中大多数的坍方、涌水均与断层有关。

1.断层要素

为了阐明断层的空间分布状态和断层两侧岩层的运动特征，将断层各组成部分赋予一定名称，这些组成部分称为断层要素，见图2-12。

图2-12 断层要素

1—断盘（下盘）；2—断盘（上盘）；3—断层面；4—断层线。

断层面指断层中两侧岩层沿其运动的破裂面。它可以是一个平面，也可以是一个曲面。断层面的产状用走向、倾向、倾角表示，其测量方法同岩层产状。有的断层面由一定宽度的破碎带组成，称为断层破碎带。

断层线是断层面与地平面或垂直面的交线，代表断层面在地面或垂直面上的延伸方向。它可以是直线，也可以是曲线。

断层面两侧相对位移的岩层叫断盘。当断层面倾斜时，位于断层面上方的叫上盘，位于断层面下方的叫下盘。

断距指岩层中同一点被断层断开后的位移量。其中沿断层面错开的直线距离叫总断距，在水平方向上错开的距离叫水平断距，在垂直方向上错开的距离叫垂直断距。

2.断层常见分类

1）按断层上、下两盘相对运动方向分类

这是一种主要分类。

（1）正断层：上盘相对向下滑动、下盘相对向上滑动的断层，见图2-13。正断层一般受地壳水平拉张力作用或受重力作用而形成，断层面多陡直，倾角大多在 45° 以上。正断层可以单独出露，也可以呈多个连续组合形式出露，如地堑、地垒和阶梯状断层，见图2-14。走向大致平行的多个正断层，当中间地层为共同的下降盘时，叫地堑；当中间地层为共同的上升盘时，叫地垒。组成地堑或地垒两侧的正断层，可以由单条断层产出，也可以由多条产状近似的正断层组成，形成依次向下断落的阶梯状断层。

图2-13 正断层

图2-14 地堑和地垒

（2）逆断层：上盘相对向上滑动、下盘相对向下滑动的断层，见图2-15。逆断层主要受地壳水平挤压应力形成，常与褶皱伴生。按断层面倾角，可将逆断层划分为冲断层、逆掩断层和辗掩断层。

图2-15 逆断层(www.xing528.com)

冲断层：断层面倾角大于45° 的逆断层。

逆掩断层：断层面倾角在 25°～45° 之间的逆断层。常由倒转褶曲发展而成。

辗掩断层：断层面倾角小于25° 的逆断层。一般规模巨大，常有时代老的地层被推覆到时代新的地层之上，形成推覆构造，见图2-16。

图2-16 四川彭县逆冲推覆构造

当一系列逆断层大致平行排列，在横剖面上看，各断层的上盘依次上冲时，其组合形式称为叠瓦式断层，见图2-17。

图2-17 叠瓦式逆断层

（3）平移断层：断层两盘主要在水平方向上相对错动的断层，见图2-18。平移断层主要由地壳水平剪切作用形成，断层面常陡立。断层面上可见水平的擦痕。

图2-18 平移断层

2）按断层面产状与岩层产状的关系分类

走向断层：断层走向与岩层走向一致的断层，见图2-19中的1F断层。

倾向断层：断层走向与岩层倾向一致的断层，见图2-19中的2F断层。

斜向断层：断层走向与岩层走向斜交的断层，见图2-19中的3F断层。

图2-19 断层引起的构造不连续现象

3）按断层面走向与褶曲轴向的关系分类

纵断层：断层走向与褶曲轴向平行的断层。

横断层：断层走向与褶曲轴向垂直的断层。

斜断层：断层走向与褶曲轴向斜交的断层。

在典型的横断层中，当断层面切割褶曲轴时，背斜上升盘核部地层变宽，见图2-20（a）；向斜上升盘核部地层变窄，见图2-20（b）。

图2-20 断层横切褶曲核部立体示意

4）按断层力学性质分类

压性断层：由压应力作用形成，其走向垂直于主压应力方向，多呈逆断层形式。断面为舒缓波状，断裂带宽大，常有角砾岩。

张性断层：在张应力作用下形成，其走向垂直于张应力方向，常为正断层形式。断层面粗糙，多呈锯齿状。

扭性断层：在剪应力作用下形成，与主压应力方向交角小于 45°，常成对出现。断层面平直光滑，常有大量擦痕。

3.断层存在的判别

1）构造线标志

同一岩层分界线、不整合接触界面、侵入岩体与围岩的接触带、岩脉、褶曲轴线、早期断层线等，在平面或剖面上不连续（突然中断或错开），则有断层存在，参见图2-19。

2）岩层分布标志

一套顺序排列的岩层，由于走向断层的影响，常造成部分地层的重复或缺失现象。即断层使岩层发生错动，经剥蚀夷平作用使两盘地层处于同一水平面时，会使原来顺序排列的地层出现部分重复或缺失。

3）断层的伴生现象

当断层通过时，在断层面（带）及其附近常形成一些构造伴生现象，也可作为断层存在的标志。

（1）擦痕、阶步和摩擦镜面：断层上、下盘沿断层面作相对运动时，因摩擦作用，在断层面上形成一些刻痕、小阶梯或磨光的平面，分别称为擦痕、阶步和摩擦镜面，见图2-21。

图2-21 擦痕与阶步

（2）构造岩：因地应力沿断层面集中释放，常造成断层面处岩体十分破碎，形成一个破碎带，称断层破碎带。破碎带宽几十厘米至几百米不等，破碎带内碎裂的岩、土体经胶结后称构造岩。构造岩中碎块颗粒直径大于2 mm时叫断层角砾岩，当碎块颗粒直径为0.01～2 mm时叫碎裂岩；当碎块颗粒直径更小时叫糜棱岩，当颗粒均研磨成泥状时叫断层泥。

（3）牵引现象：断层运动时，断层面附近的岩层受断层面上摩擦阻力的影响，在断层面附近形成弯曲现象，称为断层牵引现象，其弯曲方向一般为本盘运动方向，见图2-22。

图2-22 牵引现象

4）地貌标志

在断层通过地区，沿断层线常形成一些特殊地貌现象：

（1）断层崖和断层三角面：在断层两盘的相对运动中，上升盘常常形成陡崖，称为断层崖，如峨眉山金顶舍身崖、昆明滇池西山龙门陡崖。当断层崖受到与崖面垂直方向的地表流水侵蚀切割，使原崖面形成一排三角形陡壁时，称为断层三角面。

（2）断层湖、断层泉：沿断层带常形成一些串珠状分布的断陷盆地、洼地、湖泊、泉水等，可指示断层延伸方向。

（3）错断的山脊、急转的河流：正常延伸的山脊突然被错断，或山脊突然断陷成盆地、平原，正常流经的河流突然产生急转弯，一些顺直深切的河谷，均可指示断层延伸的方向。

判断一条断层是否存在，主要是依据地层的重复、缺失和构造不连续这两个标志。其他标志只能作为辅证，不能依此下定论。

4.断层运动方向的判别

判别断层性质，首先要确定断层面的产状，从而确定出断层的上、下盘，再确定上、下盘的运动方向，进而确定断层的性质。断层上、下盘运动方向，可由以下几点判别：

在断层线两侧同一高程处，通常上升盘出露地层较老，下降盘出露地层较新。地层倒转时相反。

当断层横截褶曲时，背斜上升盘核部地层变宽，向斜上升盘核部地层变窄。

刻蚀的擦痕凹槽较浅的一端、阶步陡坎方向，均指示对盘运动方向。牵引现象弯曲方向则指示本盘运动方向。

在地质图上，断层一般用粗红线醒目地标示出来，如图 2-23，断层性质用相应符号表示。正断层和逆断层符号中，箭头所指为断层面倾向，角度为断层面的倾角，短齿所指为下降盘。平移断层符号中箭头所指方向为本盘运动方向。

图2-23 断层符号

5.断裂构造的工程评价

断裂构造的存在，破坏了岩体的完整性，加速了风化作用、地下水的活动及岩溶发育，可能在以下几方面对工程建筑产生影响：

（1）降低地基岩体的强度及稳定性。断层破碎带力学强度低、压缩性大，建于其上的建筑物由于地基的较大沉陷，易造成断裂或倾斜。断裂面对岩质边坡、坝基及桥基稳定常有重要影响。

（2）跨越断裂构造带的建筑物，由于断裂带及其两侧上、下盘的岩性均可能不同，易产生不均匀沉降。

（3）隧道工程通过断裂破碎带时会发生坍塌。