宋吉軍，朱 斌

（浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江寧波 315000）

0 引言

1983年，馬杏垣[1]提出解析構(gòu)造學(xué)的概念，基本含義是應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)的構(gòu)造分析方法，對(duì)地殼-巖石圈的各種變形進(jìn)行幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解析。

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是地球科學(xué)研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是探討和認(rèn)識(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)根本原因的主要研究方法。因此，對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究越來(lái)越受到地學(xué)界的關(guān)注。本文運(yùn)用擦痕和節(jié)理對(duì)斷裂的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究。

1 原理及步驟

1.1 擦痕

擦痕是斷層兩盤(pán)巖石被磨碎的巖屑和巖粉在斷層面上因摩擦等作用留下的痕跡。

在研究區(qū)內(nèi)，通過(guò)對(duì)斷層面上的古應(yīng)力標(biāo)記-擦痕進(jìn)行詳盡的觀(guān)測(cè)，利用赤平投影原理，采用古應(yīng)力分析方法及相關(guān)配套軟件對(duì)野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并得出古應(yīng)力圖，恢復(fù)該地區(qū)的構(gòu)造演化。

（1）在前期研究的基礎(chǔ)上確定勘查區(qū)內(nèi)構(gòu)造剖面路線(xiàn)，原則上應(yīng)大致與斷裂帶走向方向垂直，且路線(xiàn)上斷層露頭良好，為古應(yīng)力分析方法提供完整的原始資料。

（2）觀(guān)測(cè)斷層，確定斷層的性質(zhì)，這是古應(yīng)力重建的理論基礎(chǔ)。目前主要有8種斷層盤(pán)上的標(biāo)示來(lái)判斷斷層性質(zhì)。

（3）在斷層面上觀(guān)察并測(cè)量斷層面和擦痕的產(chǎn)狀。注意，在同一觀(guān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)要在8個(gè)以上，以滿(mǎn)足精度要求。

利用Angelier古應(yīng)力分析軟件，將野外測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，得到古應(yīng)力圖及相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行誤差評(píng)估，RUP≤50%或ANG≤22.5°一般被認(rèn)定為誤差較小、匹配最好的數(shù)據(jù)。

通過(guò)系統(tǒng)地展示構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，可細(xì)分出7種類(lèi)型的應(yīng)力機(jī)制，經(jīng)分析可以得知研究區(qū)斷裂帶在何種應(yīng)力機(jī)制下形成，從而推演該地區(qū)的構(gòu)造演化史。

1.2 節(jié)理

節(jié)理是巖石中的裂隙，是沒(méi)有明顯位移的斷裂，也是地殼上部巖石中發(fā)育最廣的一種構(gòu)造[2]。

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眾所周知，共軛節(jié)理測(cè)量是目前構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究最有效的方法之一。依據(jù)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)，在一個(gè)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成的共軛節(jié)理與應(yīng)力主軸方位有一定的相關(guān)性（圖1），共軛節(jié)理相交線(xiàn)與中間應(yīng)力軸σ2平行；通常共軛節(jié)理的銳角平分線(xiàn)平行于最大應(yīng)力軸σ1的方向，即最大壓應(yīng)力方向；共軛節(jié)理的鈍角平分線(xiàn)與最小主應(yīng)力軸σ3平行；如果共軛剪節(jié)理還發(fā)育一組張節(jié)理，那么張節(jié)理平行最大主應(yīng)力軸σ1且垂直于最小應(yīng)力主軸σ3的方向。

圖1 共軛節(jié)理與主應(yīng)力軸的關(guān)系

利用節(jié)理還原構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主要工作步驟如下。

（1）通過(guò)野外地質(zhì)觀(guān)測(cè)，在測(cè)區(qū)內(nèi)選取觀(guān)測(cè)點(diǎn)，然后測(cè)量節(jié)理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄。

（2）將所有測(cè)得的節(jié)理數(shù)據(jù)通過(guò)赤平投影軟件StrGraphPrj或STEREO進(jìn)行分析，可以得到節(jié)理的走向玫瑰花圖或傾向玫瑰花圖。

（3）將節(jié)理玫瑰花圖投影到區(qū)域地質(zhì)圖上，進(jìn)而對(duì)節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以歸納出區(qū)域上節(jié)理類(lèi)型組。

（4）判斷節(jié)理與斷層或褶皺的關(guān)系。斷層和節(jié)理有著不可分割的聯(lián)系，不同時(shí)期不同性質(zhì)的斷層會(huì)產(chǎn)生截然不同的節(jié)理。

（5）依最大主壓應(yīng)力軸σ1與擠壓區(qū)等分線(xiàn)一致并滑向角頂?shù)脑瓌t確定σ1方向；野外未能確定位移方向的共扼節(jié)理，用安德生模式確定σ1和σ3方向，即σ1與銳角分角線(xiàn)一致，σ3與鈍角分角線(xiàn)一致，σ1所在盤(pán)向銳角角頂方向滑動(dòng)[3]。這樣可以大致判定主應(yīng)力方位。

（6）根據(jù)實(shí)際情況可以作主應(yīng)力軸方位等密圖，由圖可以確定3個(gè)主應(yīng)力軸的方位。

（7）作主應(yīng)力軌跡平面圖：將各測(cè)點(diǎn)上的σ1和σ3方向標(biāo)出并依次用圓滑曲線(xiàn)連接即成，圖形反映該區(qū)主應(yīng)力分布的概貌。

2 實(shí)例

2.1 擦痕

據(jù)中國(guó)中央造山帶—秦嶺大巴造山帶做過(guò)關(guān)于古應(yīng)力的研究。選取其中朱陽(yáng)關(guān)—夏館斷裂帶作為研究對(duì)象，通過(guò)采集擦痕數(shù)據(jù)，輸入Angelier古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演軟件進(jìn)行運(yùn)算，得出應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)（表1）和相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)圖件（圖2）。

表1應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)中，應(yīng)力差異指數(shù)φ由軟件直接得到，數(shù)值在0~1之間，表明各個(gè)點(diǎn)測(cè)量的擦痕為同一時(shí)期的產(chǎn)物；應(yīng)力參數(shù)R根據(jù)表1計(jì)算得到，判斷應(yīng)力場(chǎng)機(jī)制；ANG是指剪應(yīng)力與滑動(dòng)方向之間的角度偏差，它由軟件直接得到，數(shù)據(jù)中ANG≤22.5°反映數(shù)據(jù)誤差較小。

表1 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)

由應(yīng)力場(chǎng)圖（圖2）反映，靠近朱陽(yáng)關(guān)—夏館斷裂帶的應(yīng)力方向基本為北北東-南南西和北東-南西向，遠(yuǎn)離斷裂帶的NO.39、NO.16、NO.21、NO.50作為參考，表明不同地質(zhì)時(shí)期北秦嶺所受應(yīng)力方向的變化。結(jié)合前人研究成果可知，北秦嶺——即揚(yáng)子板塊和華北板塊的拼合帶經(jīng)歷了從早古生代加里東期由北北東-南南西向運(yùn)動(dòng)到印支期北東-南西向運(yùn)動(dòng)，最后到喜馬拉雅期太平洋板塊由東向西運(yùn)動(dòng)俯沖于歐亞板塊下，東西向運(yùn)動(dòng)疊加其上的變化。

圖2 應(yīng)力場(chǎng)

2.2 節(jié)理

本節(jié)借用寧飛等[4]關(guān)于黔南地區(qū)節(jié)理的研究作為一個(gè)實(shí)例。

筆者在黔南地區(qū)野外工作中測(cè)量了22個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)459個(gè)節(jié)理數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)在赤平投影軟件中進(jìn)行運(yùn)算后得到走向玫瑰花圖，然后將這些玫瑰花圖投影到區(qū)域地質(zhì)圖上，可以大致判斷黔南坳陷主要發(fā)育5個(gè)節(jié)理組：北北東-南南西方向節(jié)理、北北東與南東東向“X”型平面共軛剪節(jié)理、北北東-北東東方向共軛剪節(jié)理、北西-北東向共軛剪節(jié)理、近東西向節(jié)理。

最后可以判定節(jié)理和褶皺的關(guān)系及節(jié)理組之間的先后期次關(guān)系。在斷層形成后斷層可能充當(dāng)“應(yīng)力屏障”[5]，使斷層兩盤(pán)存在不同的應(yīng)力場(chǎng)，基于以上觀(guān)點(diǎn)并根據(jù)節(jié)理在斷層上下盤(pán)的變化來(lái)判斷節(jié)理組形成的相對(duì)先后關(guān)系。同一層位中的節(jié)理，切割和限制其他共軛節(jié)理組的節(jié)理形成期次較晚；不同層位中的節(jié)理，由于其地球動(dòng)力學(xué)背景相異，形成的斷層、褶皺和共軛節(jié)理產(chǎn)狀往往不同。對(duì)于無(wú)法用相互切割關(guān)系判斷節(jié)理發(fā)育順序的節(jié)理組，可以結(jié)合節(jié)理組和斷層、褶皺的關(guān)系來(lái)分析節(jié)理組的發(fā)育次序。

黔南地區(qū)發(fā)育的5個(gè)節(jié)理組期次關(guān)系為北北東與南東東向“X”型平面共軛剪節(jié)理在加里東末期形成；北西-北東和北北東-南南西方向共軛剪節(jié)理在燕山期形成，且前者先于后者；北北東-南南西方向節(jié)理在前兩者后發(fā)育；東西向節(jié)理形成于喜馬拉雅期。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

通過(guò)以上敘述，本文關(guān)于動(dòng)力學(xué)方面的研究主要得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)擦痕的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)分析，可以判斷應(yīng)力場(chǎng)特征，指示斷層等構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)背景。

（2）通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)節(jié)理的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)分析，可以理清節(jié)理組序列，進(jìn)而判定應(yīng)力演化過(guò)程。

3.2 建議

（1）在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究的同時(shí)，應(yīng)該配套做關(guān)于幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究，因?yàn)檫@三者為有機(jī)整體，能相互印證相互支持。

（2）建議在做節(jié)理統(tǒng)計(jì)時(shí)將巖層恢復(fù)到水平狀態(tài)，再做節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，這樣可以消除由于地層不水平產(chǎn)生的誤差。由于浙江省地層大部分都比較新，地層傾斜程度可以忽略不計(jì)，建議結(jié)合實(shí)際情況，考慮是否將巖層恢復(fù)水平狀態(tài)。