Question

岩层的成层构造及其产状

Answer 1

岩层和岩体是构成地壳地质构造的物质基础，而岩层和岩体的产状，即它们空间的分布和产出的状态，是研究地壳构造形态的基础，也是构造地质学研究的基本内容之一。在地壳表层，沉积岩是分布最广的岩石类型，外貌上最突出的特点就是具有层状构造，因而成层构造是沉积岩的典型构造，在许多变质岩和部分岩浆岩中（如火山岩和一些重力分异比较明显的深成岩）也可见到这类构造。研究岩层产状是地质工作中的基础工作之一。

（一）岩层的成层构造

1.层理及其识别

层理是沉积岩中最普遍的一种原生构造。是在垂直于沉积物表面的方向上，由于沉积物的成分、颜色、粒度等变化显现出来的成层现象，叫做层理。它是层状岩石中最重要的原生构造，认识层理，是研究岩石变形的基础。可根据以下几方面来识别层理：

（1）岩石成分的变化 由于岩石组分不同而在垂直岩层层面的变化，出现成层，显示出层理。在一些成分较单一的巨厚层岩石中，某些成分特殊而有变化的夹层也是识别层理的良好标志。

（2）岩石结构的变化 岩石中不同的粒度或不同的颗粒总是分层堆积，从而显示出层理。如在砾石或砂岩中能看到大小不同的碎屑分层堆积。

（3）岩石颜色的变化 岩石中一层或数层颜色稍有不同的条带或夹层，可作为确定层理的标志。这些条带和夹层必须是岩石的原生颜色，次生风化颜色不能作为层理识别依据。

（4）岩层的原生层面构造 如波痕、泥裂、雨痕、印模等的分布特征和一些生物化石分布、埋藏状态，可以帮助识别层理。

2.岩层层序的确定

确定岩层层序（地层的新老关系）是野外观察研究地质构造的一个重要前提。因为岩层形成后，会受到后期构造运动的改造，原来的水平岩层或近水平的岩层，会变成倾斜状态、直立状态，甚至倒转（岩层上层面在下方、下层面在上方的情况）。因此，不弄清岩层层序，就会对观察研究地质构造带来困难，对工作造成损失。当然，确定地层时代和层序，主要还是根据古生物化石，但对一些化石稀少的岩层（哑地层），如火山岩或变质岩就需依据岩层中的一些原生构造或次生构造特征来确定岩层的顶、底面，从而判别岩层产状是正常还是倒转。关于次生构造确定层序，在后面有关章节论述，这里只介绍如何根据岩层中的一些原生构造来确定岩层层序。

（1）对称波痕 能指示顶、底面的主要是对称波痕，对称波痕具有尖锐的波峰（脊）和圆孤的波谷，尖锐向上的波峰为正常层序，向下为倒转层序。不对称的波痕不具指导意义。

（2）泥裂 是沉积物还未固结时露出水面，因表面失水收缩和裂开形成的裂缝。常见于泥岩中，粉砂岩和碳酸盐岩中也有。泥裂在层面上多呈多边形网络状，有时呈放射状或不规则分叉状。断面上呈“V”字形裂缝，常为上覆沉积物所充填。泥裂尖端指向岩层底面，所以尖端指向下方为正常层序，反之为倒转层序。

（3）雨痕和冰雹印痕 当雨滴或冰雹落在露出水面尚未固结的泥质或粉砂质沉积物面上形成的圆形或椭圆形凹坑。而印痕为上覆沉积物所充填的凹坑，故上覆岩层底面形成圆形或椭圆形的瘤状突起的印模。因此，凹坑印痕总是出现在岩层顶面，而瘤状印模则出现在岩层的底面。以此可以判别岩层的层序。

（4）斜层理 某些呈收敛型的斜交层理和交错层理呈弯曲状的细层，通常其上端与平直层理成大角度相交，其下端变缓与平直层理趋于平行或相切，即弯曲的细层与平直层理成大角度相交的一边是顶面，趋于平行或相切的是底面（图7-11）。

图7-11 冲刷面及斜层理

（据刘宝珺，1980）

（5）冲刷面 固结或半固结的沉积层，出露水面或在水下经水流冲刷发生冲刷破碎，造成凸凹不平的冲刷面，接着在不平整的冲刷面上再堆积时，往往就形成含有下伏岩层的岩块。根据这种现象，可以判别岩层层序（图7-11）。

（6）韵律层理 也叫韵律层或粒级层，是岩石的粒度和物质成分按一定顺序作有规律的递变交替出现。如一个岩层中每一层（一个粒度层）都是由下而上粒度逐渐由粗变细，而两个相邻粒级层之间，在粒度上有较大差别。根据韵律层的这种特征，可以帮助判别岩层层序。

（二）岩层产状、出露特征及厚度

1.岩层的产状

岩层的产状是指地质体（岩层、岩体、矿体等）在地壳中的空间分布位置和产出状态。

绝大部分的沉积岩都是在沉积盆地（海洋、湖泊）中形成的，其原始产状通常是水平或近于水平的。但在岸边、岛屿和一些水下隆起附近，受局部地形的影响，部分沉积岩的原始状态出现缓倾斜的现象。在陆地上的沉积物中，如残积、坡积、冰川沉积及风成沉积等形成的沉积物也表现出一定的原始倾斜状态。

岩层由于受地壳运动（主要是水平运动）的影响，改变了原始水平状态，产生倾斜，就形成倾斜岩层；有的岩层发生弯曲，形成褶曲岩层；有的岩层甚至发生倒转，或者发生破裂错断，形成了各种各样的地质构造。

地壳中的岩层产状是多种多样的，但把它们归纳后有三种基本产状：水平岩层、倾斜岩层和直立岩层。

2.岩层产状要素及其测定

（1）岩层产状要素

岩层的产状是以岩层层面在三维空间的延伸方向及其与水平面的夹角关系来确定的，常用岩层的走向、倾向、倾角三个变量来度量，我们把它们称为岩层产状三要素。

1）走向。岩层面与水平面的交线叫该岩层的走向线，走向线的方向叫走向。走向线的两端各指向一方，任何岩层都有两个走向，我们可以用走向线与地理子午线之间的夹角（方位角）来表示（图7-12）。岩层的走向表示岩层在三维空间的水平延伸方位。

图7-12 岩层产状要素

（据彭真万等，2003）

ABCD-岩层层面；EFGH-水平面

2）倾向。在层面上垂直岩层走向线的直线叫岩层的倾斜线（图7-12），倾斜线在水平面上的投影，叫倾向线，倾向线所指的方向，就是岩层的倾向。我们可以用倾向线与地理子午线之间的夹角来表示。岩层的倾向表示岩层在三维空间向下延伸的方位。它与岩层的走向是相互垂直的。而在岩层面上不与走向线直交的任一倾斜线均称假（视）倾斜线，它们在水平面上的投影线称假（视）倾向线，所指的方位为假（视）倾向。在一个层面上假（视）倾向有无数个。

3）倾角。岩层倾斜线与倾向线之间的夹角称岩层真倾角，简称倾角。假（视）倾斜线与相应的假（视）倾向线之间的夹角称假（视）倾角。在岩层面上任一点都可以引出许多条假（视）倾斜线，故岩层假（视）倾角就有无数多个，而这些假（视）倾角都小于同一层面上的真倾角。

（2）岩层产状要素的测定与表示方法

岩层产状要素通常在野外实地直接用地质罗盘在岩层层面上测量其真倾向、真倾角，在有些情况下，用地质罗盘不容易准确测量岩层产状，可根据野外调查所得到的资料和数据进行间接测定。

岩层产状要素可用文字和符号两种方法表示。文字表示法多用于野外记录、地质报告以及剖面素描图中，多采用方位角表示。一般只测记倾向和倾角，如岩层倾向305°，倾角15°，记为305°∠15°。符号表示法用于地质平面图上，常用的符号有：

岩层倾斜，长线表示走向，短线表示倾向，数字为倾角值；]]

岩层水平，倾角0°～5°；]]

岩层直立，箭头指向新岩层；]]

岩层倒转，箭头所指为倒转后倾向（指向老岩层），数字为倾角值。]]

经过构造运动后，岩层层面仍保持近水平状态，即同一层面上的各点的海拔高程大致相同，这种现象称为水平岩层。在实际的地质工作中，一般将倾角小于5°的岩层都视为水平岩层。

在岩层没有发生倒转的前提下，水平岩层具有下列特征：

（1）老岩层在新岩层之下，显示正常的沉积层序。

（2）水平岩层在地面上出露与分布形态受地形的控制。在平坦地区，水平岩层分布很广，在山顶则成孤岛状出露；地形切割越深，岩层出露越多；在冲沟、河谷出露老岩层，而在谷坡上则见较新的岩层。

（3）水平岩层的厚度就是岩层顶面与底面的高差。

（4）水平岩层在地面出露的宽度，取决于岩层厚度和地形坡度。当岩层厚度相同时，地面坡度赿缓岩层出露宽度越大，反之地面坡度越陡出露宽度越小（图7-13）。水平岩层的厚度，可以根据沿斜坡测得视厚度和地形坡度角计算。

图7-13 水平岩层的层厚、出露宽度与地形的关系

（图中点线代表地形等高线）

水平岩层的露头线平行于地形等高线，露头形态决定于地形。

4.倾斜岩层的出露特征及厚度

受构造运动的影响，使岩层原始水平产状发生变动，在一定范围内向同一个方向倾斜、其倾角大致相等的岩层，称为倾斜岩层或单斜岩层。倾斜岩层在野外是最常见的，它的出露情况较复杂，主要取决于岩层的厚度、产状和地形特征，而正确认识倾斜岩层的特征，是分析、认识各种地质构造的基础。

（1）大部分倾斜岩层，仍然是新岩层在上，老岩层在下，显示正常的沉积层序。但是也有一部分倾斜岩层呈倒转，显示相反的新老关系，即新岩层在下，老岩层在上。

（2）一般来说，倾斜岩层的新老和地形的高低没有关系。但是，倾角较小的倾斜岩层，老岩层出露与否则受到地形切割深度的影响。

（3）当倾斜岩层露头线与地形等高线斜交，露头形态取决于倾斜程度和岩层的倾斜方向与地形倾斜方向的关系。一般来说露头线呈波状弯曲。

（4）倾斜岩层的厚度和露头宽度受地形坡度和岩层产状的影响。当岩层厚度和倾角不变时，露头宽度决定于地形坡度和坡向，坡度陡，露头宽度就窄；坡度缓，露头宽度就宽（图7-14）。当地形坡向和岩层倾向相同时，岩层倾角与坡度角愈接近，则露头宽度愈大（图7-15）。当地形坡度和岩层厚度不变时，露头宽度决定于岩层倾角。倾角愈缓，露头宽度愈宽；反之，露头宽度愈窄（图7-16）。当地面坡度和岩层倾角不变时，露头宽度决定于岩层厚度，厚度愈大露头愈宽，厚度愈小露头愈窄。

图7-14 岩层厚度、倾角不变，露头宽度决定于地面坡度

（据苏文才等，1986）

5.直立岩层的出露特征及厚度

当岩层倾角呈90°，则为直立岩层。它是倾斜岩层的特殊情况，是一种局部现象。直立岩层的特征是：

图7-15 岩层倾向与坡向相同，倾角与坡角愈接近，露头宽度愈大

（据徐开礼等，1989）

图7-16 坡度、厚度不变时，露头宽度决定于岩层倾角

（据徐开礼等，1989）

（1）不能很好地显示出上下关系，故不能按一般的层序律去判断岩层的新老关系。

（2）直立岩层在地表露头线就是一条直线，不受地形切割、等高线弯曲的影响。

（3）当地面水平时，直立岩层露头宽度就是它的真厚度。当地面倾斜时，坡度愈陡，出露宽度就宽，反之，坡度愈缓，出露宽度就窄（图7-17）。

图7-17 出露宽度与地面坡度的关系

（三）地层的接触关系

地层之间的接触关系，反映了地壳运动的演化历史。因此，地层的接触关系是研究地壳运动和地质构造演化历史的重要依据。由于地壳运动是很复杂的，因而反映在地层之间的接触关系也有各种类型，但总的来说可归为整合接触和不整合接触两种基本类型。

1.地层接触关系的类型

（1）整合接触 当某个地区在地壳处于相对稳定持续下降的沉积环境中，沉积物则连续堆积，形成的一套在时代上连续的、在产状上是平行一致的岩层，这种岩层之间的接触关系称为整合接触。表现为上、下岩层层面平行，地层时代、化石演化连续，岩性稳定或做有规律递变。表明岩层是在地壳缓慢而持续下降过程中形成的。

（2）不整合接触 当某个区域在沉积了一套岩层以后，由于地壳运动上升出水面，沉积作用中断，并受到一定程度的风化、剥蚀，然后再次下降接受沉积。这样形成的一套岩层，在先后沉积的两套地层之间缺失了一部分地层，造成上下地层时代不连续，也就是说在一定的地质时期发生过沉积间断。这种上、下地层之间的接触关系称为不整合接触。两套地层之间存在一个沉积间断面，称为不整合面。

按照不整合面上、下两套地层的产状及所反映的地壳运动特征，不整合一般分为两大类，即平行不整合（假整合）和角度不整合（斜交不整合）。

1）平行不整合。指不整合面上下两套地层产状彼此平行，但不是连续沉积的地层，在两套地层之间有地层的缺失（存在沉积间断）。其形成过程可以表示为：地壳下降，接受沉积；地壳上升，遭受剥蚀（沉积间断）；地壳再次下降，接受新的沉积（图7-18）。

2）角度不整合。指不整合面上下两套地层之间既缺失部分地层，彼此的产状又呈角度斜交，两套地层的岩性、岩相及化石组合特征均有显著的突变。其形成过程可以表示为：地壳下降，接受沉积；岩层褶皱隆起、断裂，遭受剥蚀（沉积间断）；地壳再次下降，接受新的沉积（图7-18）。

图7-18 平行不整合（a）和角度不整合（b）的形成过程示意图

（据李叔达等，1983）

O-奥陶系；S-志留系；D-泥盆系；C-石炭系；箭头代表地壳运动垂直或水平运动方向

2.不整合接触关系的确定

不整合接触是地壳构造运动的产物。而地壳构造运动必然引起地表岩层变形、区域变质作用和岩浆活动等地质作用，并造成自然地理环境的变化，从而影响到生物界的演化和沉积岩性的变化。因此许多与地壳运动有联系的现象，都可作为确定不整合的直接或间接的标志。

（1）地层古生物方面的标志 如果上、下地层中的化石反映出生物演化不连续或突变，则说明由于地壳运动引起该区自然地理环境发生过巨大变化，有过沉积间断。通过化石和区域地层对比，可以确定两地层之间缺失了某些地层而又不是断层造成的地层缺失。

（2）沉积方面的标志 如果上、下地层之间有一个较平整的或高低不平的剥蚀面，面上还可能保存有古风化壳、古土壤层、风化剥蚀痕迹或古代风化淋滤矿产（如高岭土、褐铁矿）等。上覆地层的底部常有下伏地层的岩石碎块、砂砾等组成的底砾岩。这些都是确定不整合的良好标志。

图7-19 陆谷地区地质图

（据彭真万等，2003）

O₁-S₃与D₂-C₁两套地层的构造线方向截然不同，二者为角度不整合接触关系

（3）构造方面的标志 上、下地层产状不同、褶皱形式和强弱不同、断裂构造发育不同等，都是角度不整合的标志。不整合以下的老地层受到的构造变形总是比上覆的新地层受到的构造变形要强烈而复杂些；若存在角度不整合，其上下两套地层的产状、所表现的构造形态、构造线方向都截然不同（图7-19）。

（4）岩浆活动和变质作用方面的标志 在不整合面的上下两套地层中，各自伴生着不同时期和不同特点的岩浆活动和变质作用。

以上各种标志，从不同方面说明不整合存在的一些特征。但是，某些地质作用也可能造成与上述相似的现象，所以在野外调查时要仔细观察、综合分析各种标志，才能得到正确的结论。

3.不整合形成时代的确定

不整合的形成时代，只能定在不整合面下伏的最新地层形成以后、上覆的最老地层发育之前，因此，是一段相对确定的时间阶段。平行不整合的形成时代较易确定，因为下伏地层被地壳上升运动平稳的抬升，广大范围内剥蚀程度大致相同，最上部的地层即是最新的地层。确定角度不整合的形成时代要困难一些，因为下伏地层在经过褶皱变形和不均匀的抬升以后，其最新的那套地层并非随处可见，而往往仅在局部地区的不整合面的下部出现，所以需要根据大区域内的地层分析对比工作才能做出正确的判断。

4.不整合在地质图上的表现

平行不整合在平面图上和剖面图上的表现特征相似。不整合界线与其上、下的地层界线都保持大致平行，但其上、下地层之间的年代不连续；此外，其上、下两套地层均各以同一地层与对方接触。首先。不整合界线两侧地层的产状明显不同，一侧地层的地质界线与不整合界线平行，而另一侧地层界限必然与之相交；其次，在角度不整合界线的两侧，较老地层一侧有多层不同时代的地层与不整合界线相交，较新一侧地层则为同一时代的地层（图7-19）

此外，前面谈到的不整合上、下两套地层之间地层缺失的现象，在地质平面图和地质剖面图上都是显而易见的。为了突出地层角度不整合，在地质图上常用专门的符号来表示。一般在地质平面图中，在不整合界线靠新地层的一侧，加上点线表示不整合的存在；在地质剖面图中，则用波浪线来表示。

5.研究地层接触关系的意义

地层的不整合接触是一个极其重要的地质现象，它是地壳构造运动产生的直接记录，所以是研究地壳发展历史的重要依据，特别是一些巨大的、广泛的构造运动的区域性不整合，常常是地质历史阶段划分的重要标志之一。同时它也是划分、对比地层的一个重要的、清楚的分界面。通过研究不整合还可以帮助我们了解古地理、古环境的变迁。不整合面往往是构造上一个软弱带，也是一个重要的成矿带，是寻找一些重要矿床的有利部位。

由此可见，不整合的观察研究，在理论上和生产实践上都有重大意义。