地質構造解析在動力學研究中的方法及應用

宋吉軍，朱 斌

（浙江省水文地質工程地質大隊，浙江寧波 315000）

0 引言

1983年，馬杏垣[1]提出解析構造學的概念，基本含義是應用當代先進的構造分析方法，對地殼-巖石圈的各種變形進行幾何學、運動學和動力學的解析。

構造應力場是地球科學研究中的一項重要內容，也是探討和認識構造運動根本原因的主要研究方法。因此，對構造應力場的研究越來越受到地學界的關注。本文運用擦痕和節理對斷裂的動力學特征進行了研究。

1 原理及步驟

1.1 擦痕

擦痕是斷層兩盤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。

在研究區內，通過對斷層面上的古應力標記-擦痕進行詳盡的觀測，利用赤平投影原理，采用古應力分析方法及相關配套軟件對野外實測數據進行分析，并得出古應力圖，恢復該地區的構造演化。

（1）在前期研究的基礎上確定勘查區內構造剖面路線，原則上應大致與斷裂帶走向方向垂直，且路線上斷層露頭良好，為古應力分析方法提供完整的原始資料。

（2）觀測斷層，確定斷層的性質，這是古應力重建的理論基礎。目前主要有8種斷層盤上的標示來判斷斷層性質。

（3）在斷層面上觀察并測量斷層面和擦痕的產狀。注意，在同一觀測點測量數據要在8個以上，以滿足精度要求。

利用Angelier古應力分析軟件，將野外測得的數據導入，得到古應力圖及相關數據，并進行誤差評估，RUP≤50%或ANG≤22.5°一般被認定為誤差較小、匹配最好的數據。

通過系統地展示構造應力場狀態，可細分出7種類型的應力機制，經分析可以得知研究區斷裂帶在何種應力機制下形成，從而推演該地區的構造演化史。

1.2 節理

節理是巖石中的裂隙，是沒有明顯位移的斷裂，也是地殼上部巖石中發育最廣的一種構造[2]。

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眾所周知，共軛節理測量是目前構造應力場研究最有效的方法之一。依據構造地質學，在一個構造應力場下形成的共軛節理與應力主軸方位有一定的相關性（圖1），共軛節理相交線與中間應力軸σ2平行；通常共軛節理的銳角平分線平行于最大應力軸σ1的方向，即最大壓應力方向；共軛節理的鈍角平分線與最小主應力軸σ3平行；如果共軛剪節理還發育一組張節理，那么張節理平行最大主應力軸σ1且垂直于最小應力主軸σ3的方向。

圖1 共軛節理與主應力軸的關系

利用節理還原構造應力場的主要工作步驟如下。

（1）通過野外地質觀測，在測區內選取觀測點，然后測量節理數據，并進行記錄。

（2）將所有測得的節理數據通過赤平投影軟件StrGraphPrj或STEREO進行分析，可以得到節理的走向玫瑰花圖或傾向玫瑰花圖。

（3）將節理玫瑰花圖投影到區域地質圖上，進而對節理進行統計分析，可以歸納出區域上節理類型組。

（4）判斷節理與斷層或褶皺的關系。斷層和節理有著不可分割的聯系，不同時期不同性質的斷層會產生截然不同的節理。

（5）依最大主壓應力軸σ1與擠壓區等分線一致并滑向角頂的原則確定σ1方向；野外未能確定位移方向的共扼節理，用安德生模式確定σ1和σ3方向，即σ1與銳角分角線一致，σ3與鈍角分角線一致，σ1所在盤向銳角角頂方向滑動[3]。這樣可以大致判定主應力方位。

（6）根據實際情況可以作主應力軸方位等密圖，由圖可以確定3個主應力軸的方位。

（7）作主應力軌跡平面圖：將各測點上的σ1和σ3方向標出并依次用圓滑曲線連接即成，圖形反映該區主應力分布的概貌。

2 實例

2.1 擦痕

據中國中央造山帶—秦嶺大巴造山帶做過關于古應力的研究。選取其中朱陽關—夏館斷裂帶作為研究對象，通過采集擦痕數據，輸入Angelier古構造應力場反演軟件進行運算，得出應力場數據（表1）和相應的應力場圖件（圖2）。

表1應力場數據中，應力差異指數φ由軟件直接得到，數值在0~1之間，表明各個點測量的擦痕為同一時期的產物；應力參數R根據表1計算得到，判斷應力場機制；ANG是指剪應力與滑動方向之間的角度偏差，它由軟件直接得到，數據中ANG≤22.5°反映數據誤差較小。

表1 應力場數據

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

圖2 應力場

2.2 節理

本節借用寧飛等[4]關于黔南地區節理的研究作為一個實例。

筆者在黔南地區野外工作中測量了22個觀測點459個節理數據，并將這些數據在赤平投影軟件中進行運算后得到走向玫瑰花圖，然后將這些玫瑰花圖投影到區域地質圖上，可以大致判斷黔南坳陷主要發育5個節理組：北北東-南南西方向節理、北北東與南東東向“X”型平面共軛剪節理、北北東-北東東方向共軛剪節理、北西-北東向共軛剪節理、近東西向節理。

最后可以判定節理和褶皺的關系及節理組之間的先后期次關系。在斷層形成后斷層可能充當“應力屏障”[5]，使斷層兩盤存在不同的應力場，基于以上觀點并根據節理在斷層上下盤的變化來判斷節理組形成的相對先后關系。同一層位中的節理，切割和限制其他共軛節理組的節理形成期次較晚；不同層位中的節理，由于其地球動力學背景相異，形成的斷層、褶皺和共軛節理產狀往往不同。對于無法用相互切割關系判斷節理發育順序的節理組，可以結合節理組和斷層、褶皺的關系來分析節理組的發育次序。

黔南地區發育的5個節理組期次關系為北北東與南東東向“X”型平面共軛剪節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理在燕山期形成，且前者先于后者；北北東-南南西方向節理在前兩者后發育；東西向節理形成于喜馬拉雅期。

3 結論及建議

3.1 結論

通過以上敘述，本文關于動力學方面的研究主要得出以下結論。

（1）通過對測區內擦痕的測量、統計分析，可以判斷應力場特征，指示斷層等構造形成的動力學背景。

（2）通過對測區內節理的測量、統計分析，可以理清節理組序列，進而判定應力演化過程。

3.2 建議

（1）在進行動力學研究的同時，應該配套做關于幾何學和運動學方面的研究，因為這三者為有機整體，能相互印證相互支持。

（2）建議在做節理統計時將巖層恢復到水平狀態，再做節理產狀統計，這樣可以消除由于地層不水平產生的誤差。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，建議結合實際情況，考慮是否將巖層恢復水平狀態。