地质构造解析在动力学研究中的方法及应用

2022-05-17宋吉军

低碳世界 2022年3期

关键词：共轭应力场节理

宋吉军，朱斌

（浙江省水文地质工程地质大队，浙江宁波 315000）

0 引言

1983年，马杏垣[1]提出解析构造学的概念，基本含义是应用当代先进的构造分析方法，对地壳-岩石圈的各种变形进行几何学、运动学和动力学的解析。

构造应力场是地球科学研究中的一项重要内容，也是探讨和认识构造运动根本原因的主要研究方法。因此，对构造应力场的研究越来越受到地学界的关注。本文运用擦痕和节理对断裂的动力学特征进行了研究。

1 原理及步骤

1.1 擦痕

擦痕是断层两盘岩石被磨碎的岩屑和岩粉在断层面上因摩擦等作用留下的痕迹。

在研究区内，通过对断层面上的古应力标记-擦痕进行详尽的观测，利用赤平投影原理，采用古应力分析方法及相关配套软件对野外实测数据进行分析，并得出古应力图，恢复该地区的构造演化。

（1）在前期研究的基础上确定勘查区内构造剖面路线，原则上应大致与断裂带走向方向垂直，且路线上断层露头良好，为古应力分析方法提供完整的原始资料。

（2）观测断层，确定断层的性质，这是古应力重建的理论基础。目前主要有8种断层盘上的标示来判断断层性质。

（3）在断层面上观察并测量断层面和擦痕的产状。注意，在同一观测点测量数据要在8个以上，以满足精度要求。

利用Angelier古应力分析软件，将野外测得的数据导入，得到古应力图及相关数据，并进行误差评估，RUP≤50%或ANG≤22.5°一般被认定为误差较小、匹配最好的数据。

通过系统地展示构造应力场状态，可细分出7种类型的应力机制，经分析可以得知研究区断裂带在何种应力机制下形成，从而推演该地区的构造演化史。

1.2 节理

节理是岩石中的裂隙，是没有明显位移的断裂，也是地壳上部岩石中发育最广的一种构造[2]。

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众所周知，共轭节理测量是目前构造应力场研究最有效的方法之一。依据构造地质学，在一个构造应力场下形成的共轭节理与应力主轴方位有一定的相关性（图1），共轭节理相交线与中间应力轴σ2平行；通常共轭节理的锐角平分线平行于最大应力轴σ1的方向，即最大压应力方向；共轭节理的钝角平分线与最小主应力轴σ3平行；如果共轭剪节理还发育一组张节理，那么张节理平行最大主应力轴σ1且垂直于最小应力主轴σ3的方向。

图1 共轭节理与主应力轴的关系

利用节理还原构造应力场的主要工作步骤如下。

（1）通过野外地质观测，在测区内选取观测点，然后测量节理数据，并进行记录。

（2）将所有测得的节理数据通过赤平投影软件StrGraphPrj或STEREO进行分析，可以得到节理的走向玫瑰花图或倾向玫瑰花图。

（3）将节理玫瑰花图投影到区域地质图上，进而对节理进行统计分析，可以归纳出区域上节理类型组。

（4）判断节理与断层或褶皱的关系。断层和节理有着不可分割的联系，不同时期不同性质的断层会产生截然不同的节理。

（5）依最大主压应力轴σ1与挤压区等分线一致并滑向角顶的原则确定σ1方向；野外未能确定位移方向的共扼节理，用安德生模式确定σ1和σ3方向，即σ1与锐角分角线一致，σ3与钝角分角线一致，σ1所在盘向锐角角顶方向滑动[3]。这样可以大致判定主应力方位。

（6）根据实际情况可以作主应力轴方位等密图，由图可以确定3个主应力轴的方位。

（7）作主应力轨迹平面图：将各测点上的σ1和σ3方向标出并依次用圆滑曲线连接即成，图形反映该区主应力分布的概貌。

2 实例

2.1 擦痕

据中国中央造山带—秦岭大巴造山带做过关于古应力的研究。选取其中朱阳关—夏馆断裂带作为研究对象，通过采集擦痕数据，输入Angelier古构造应力场反演软件进行运算，得出应力场数据（表1）和相应的应力场图件（图2）。

表1应力场数据中，应力差异指数φ由软件直接得到，数值在0~1之间，表明各个点测量的擦痕为同一时期的产物；应力参数R根据表1计算得到，判断应力场机制；ANG是指剪应力与滑动方向之间的角度偏差，它由软件直接得到，数据中ANG≤22.5°反映数据误差较小。

表1 应力场数据

由应力场图（图2）反映，靠近朱阳关—夏馆断裂带的应力方向基本为北北东-南南西和北东-南西向，远离断裂带的NO.39、NO.16、NO.21、NO.50作为参考，表明不同地质时期北秦岭所受应力方向的变化。结合前人研究成果可知，北秦岭——即扬子板块和华北板块的拼合带经历了从早古生代加里东期由北北东-南南西向运动到印支期北东-南西向运动，最后到喜马拉雅期太平洋板块由东向西运动俯冲于欧亚板块下，东西向运动叠加其上的变化。

图2 应力场

2.2 节理

本节借用宁飞等[4]关于黔南地区节理的研究作为一个实例。

笔者在黔南地区野外工作中测量了22个观测点459个节理数据，并将这些数据在赤平投影软件中进行运算后得到走向玫瑰花图，然后将这些玫瑰花图投影到区域地质图上，可以大致判断黔南坳陷主要发育5个节理组：北北东-南南西方向节理、北北东与南东东向“X”型平面共轭剪节理、北北东-北东东方向共轭剪节理、北西-北东向共轭剪节理、近东西向节理。

最后可以判定节理和褶皱的关系及节理组之间的先后期次关系。在断层形成后断层可能充当“应力屏障”[5]，使断层两盘存在不同的应力场，基于以上观点并根据节理在断层上下盘的变化来判断节理组形成的相对先后关系。同一层位中的节理，切割和限制其他共轭节理组的节理形成期次较晚；不同层位中的节理，由于其地球动力学背景相异，形成的断层、褶皱和共轭节理产状往往不同。对于无法用相互切割关系判断节理发育顺序的节理组，可以结合节理组和断层、褶皱的关系来分析节理组的发育次序。

黔南地区发育的5个节理组期次关系为北北东与南东东向“X”型平面共轭剪节理在加里东末期形成；北西-北东和北北东-南南西方向共轭剪节理在燕山期形成，且前者先于后者；北北东-南南西方向节理在前两者后发育；东西向节理形成于喜马拉雅期。