对于构造地质专业的我来说,当年我考上研究生后,第一次来办公室见老板,老板亲切的问我觉得什么是构造地质,彼时的我满脑子都是本科老师在课堂上大声嚷嚷的逢沟必断以及黑板上用粉笔画的歪歪扭扭的褶皱。即便现在,每每见到构造地质四个大字,我脑袋里最先想到的依然只有断层和褶皱。仔细想来,好像确实是这么回事,我们在野外最常见到的构造现象就是断层和褶皱,只不过在我看来,断层显得大气阳刚,而褶皱则相对温柔妖娆了些。
先聊聊断层吧,其实关于断层能聊的多了去了,我下面所提到的,只是自己在野外所见到的有关断层的现象。
先说说寻找断层的一些野外标志吧,毕竟要想研究断层,也得先找得到才行。
首先是地貌上的特殊现象,比如山地和平原的界线,特别是那些山脉突兀于平原之上,如果界线十分平直,那么八成就是断层了。
图1 狼山山前正断层
工作区内蒙狼山山前就发育一条大型正断层(图1),属于河套断陷西缘断裂的一部分,断层活动形成的大坝山突兀的矗立在一马平川的河套平原西侧。断层的活动导致的大坝山的隆起,还迫使黄河河道向东迁移,而在山前,则遗留了一连串大大小小的湖泊,成为了古黄河河道的标志。
图2 雅布赖山前正断层
由狼山往南进入阿拉善,雅布赖山与山前平原界线也是十分截然(图2),同样是由于山前正断层活动的结果。
断层活动使断层面出露于地表之上,如果此后断层活动不是十分强烈,同时又有大量垂直断层面的水系活动的话,断层面会被水系破坏,变成一个个连续的三角形(图3),成为识别正断层的另一标志——断层三角面。
图3 断层三角面
另外,如果在野外见到两种本不应该出现在一起的地质体突然紧密接触,共同产出,那么八成也是断层的锅。
图4 前寒武纪片麻岩逆冲于新生代砾岩之上
同样在狼山,我们可以看到土黄色的前寒武纪片麻岩压盖在了紫红色的新生代砾岩之上(图4),两种不同时代不同岩性的地层之所以会跨越数亿年而紧密结合在一起,完全拜二者之间的逆冲断层所赐。
同时,断层活动也会造成一些地表建筑的破坏,这些现象反过来也可以指示断层的存在。
图5 被断层错断的明长城
比如宁夏红果子沟著名的被断层错断的明长城(图5)。长城被右行错断,同时也有正断的分量,那么,错断长城的应该是一条右行斜滑断层。
对于构造地质学来说,能够识别出断层的存在只是第一步,接下来,我们还要试图去确定断层的运动学性质,并进一步试图去恢复断层活动时的应力场。
对于断层运动性质的识别,也就是判断断层是正、逆或者走滑或者斜滑、斜冲断层,这时候,往往就需要在断层面上做文章了。
断层面上最理想的运动指示标志是擦抹晶体。擦抹晶体的生长方式使得它能够非常直观地揭示出断层两盘的相对滑动方向(图6)。
图6 断层面上发育的擦抹晶体,第一张图中擦抹晶体指示断层为右行走滑,其余两张均指示断层为正断
有时候也会见到断层面上发育大量阶步,通常垂直于擦痕(图7),同样是很好的指示标志。
图7 断层面上发育的阶步指示断层为斜滑
但是很多时候,特别是年代较为久远的断层,擦抹晶体很难保存。有时候在断层面上,只能见到擦痕,但是断层两盘具体的运动方向却难以判别。
图8 断层面上巨大的擦痕(Haakon Fossen,2010)
图8中的老外正顺着断层面上的巨大擦痕往下滑,但是,老外的运动性质并不能代表断层上盘的运动性质,断层上盘也可以是往上运动的。因此,仅仅依靠擦痕我们无法直接判别出断层是正断还是逆冲。这时候就需要其他一些标志来进行辅助判断,最常用到的就是里德尔剪切破裂。
图9 里德尔剪切破裂,其中M代表主断层面,R、T、R'、X、P都是断层活动时在断层面附近形成的次级破裂,野外最常见的是P和R
图10 逆冲断层带内砾石被拉伸错断,形成里德尔剪切破裂中的R破裂
图10是图4所示的逆冲断层带中被拉伸错断的砾石,砾石的拖尾中发育R破裂,指示断层为逆冲。
图11 走滑断层面及断层面上发育的垂直于擦痕的T破裂
当然也有可能发现其他的次级破裂。图11上图是一条走滑断层面,我们在断层面上发现大量近水平的擦痕,表明断层为走滑,但是无法判断断层是右行还是左行。不过断层面上同时发育有大量与擦痕相垂直的破裂(图11下图),是里德尔剪切破裂中的T破裂,配合擦痕,很好的指示了断层的活动性质为右行走滑。
当然,如果对于断层的准确活动性质并不太在意,只是单纯想要知道断层是正断还是逆冲,那么根据一些被断层错断的地层或者标志层,就能很轻松的判别。
图12 宁夏岗德尔山新生代地层中发育的逆断层
图12中的土黄色泥岩标志层被断层错断,上盘上升下盘下降,说明断层为逆冲断层。
图13 宁夏岗德尔山新生代地层中发育的正断层
图13中的土黄色泥岩层同样被断层错断,根据上下盘标志层的关系,可以判断出断层运动性质为正断。
图14 兰州杏花村白垩纪地层中发育的小型地堑
兰州地区白垩纪河口群中发育的正断层,形成了小型的地堑(图14)。黄绿色泥岩层很好地指示了断层性质,同时我们可以发现,第二层泥岩层上盘厚度明显大于下盘,是边断边沉积形成的生长地层。
以上,是我在野外所见到的一些与断层有关的现象,仅仅是断层识别判定的一小部分标志。有关断层活动性质的判别,曾有学者总结出了二十多种标志,还仅仅是与断层面有关的。但是,由于出露情况的不同,许多标志都不能很好的保存下来,这就需要将我们尽可能多地去寻找标志,综合起来,对断层性质进行判断。其实,对断层活动性质的判别,更多的是经验。
有关断层,就聊这么多吧。下次聊点儿有关褶皱的~
PS:福利~
在狼山跑路线时遇到的秦长城烽火台和一些先民们刻在新元古代石英岩上的恶趣味Y(^o^)Y
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