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在沉积岩区野外常见的岩石类型是碎屑岩、碳酸盐岩两大类以及受力变形产生的各类褶皱、节理、断层等构造形迹。现择其主要观察内容简述如下:
(一)陆源碎屑岩的野外观测内容
陆源碎屑岩包括4种基本组成部分,即碎屑颗粒、杂基、胶结物和孔隙。碎屑颗粒的大小(粒级)和成分决定岩石的基本特征,是碎屑岩分类的主要依据之一。根据碎屑粒级的不同,可将碎屑岩分为砾岩及角砾岩、砂岩、粉砂岩和泥质岩4 大类(附录Ⅰ表Ⅰ-8,表Ⅰ-9,表Ⅰ-10,表Ⅰ-12)。
1.碎屑岩成分观察
(1)砾岩
由于砾岩粒度粗大,单成分砾岩的碎屑物特征与成分比较明显。对于复成分砾岩可选择出露比较好的露头(约1~2m2)统计100~200个不太大的(3~4cm)砾石,计算其百分含量来确定岩石成分。此外,对砾岩中所含砾石的大小在垂向剖面上的变化趋势及砂岩夹层或透镜体,应给予足够的重视,他们能指示其沉积旋回和层理特征(附录I表Ⅰ-9)。
(2)砂岩
用放大镜观察可确定砂岩的矿物成分并确定其类型。如:是单矿物的石英砂岩,还是复成分的长石石英砂岩抑或岩屑砂岩、杂砂岩等(附录Ⅰ表Ⅰ-10)。
2.碎屑岩的结构观察
碎屑岩的结构观察内容包括:颗粒形态、分选性、胶结类型以及碎屑颗粒的组构形式等。
(1)碎屑颗粒形态
包括圆度、胶结物、形态和表面特征三个方面。圆度是搬运距离远近的标志,野外根据测量碎屑颗粒的三个轴长来判断。形态与表面特征能阐明生成环境,也可作为地层对比的标志。
(2)分选性和胶结类型
在碎屑岩的野外调查中,应仔细观察碎屑颗粒与胶结物的相对含量和相互间的关系,以便确定其分选性或胶结类型。对于砾岩的胶结类型以及颗粒间的接触性质,在野外可以直接进行观察和描述。对于砂岩,只能粗估沉积物的分选性,为使工作更加精细,可采样进行粒度分析。一般地,胶结物是阐述沉积环境的良好标志。常见的胶结物是钙质、硅质、铁质等;胶结类型有基底型、孔隙型、接触型(图4-5)。
图4-5 颗粒接触类型与胶结类型的关系
(据刘宝珺,1980,有修改)
3.碎屑岩沉积构造的野外观察
交错层理是最常见的沉积构造,对其观察和描述要点如下:
(1)测量层系、层系组厚度,细层厚度、交错层细层最大倾角、倾向及层系组的产状,并确定古流向。
(2)确定是交错层理(层系厚度>3cm,细层厚度大于数毫米)还是交错纹理(层系厚度<3cm,细层厚度小于数毫米)。
对交错层理应观察:①交错层理的形态(槽状、板状或楔状);②前积层与层系底界面的交切关系(角度接触或切线接触);③在底积层内查找交错纹层(顺流的或逆流的);④沉积物结构,注意粒度分布,查找交错层中沉积物的分选性和粒级变化、粗细层的更替情况;⑤在鱼骨状交错层理中查找水流改向的证据;⑥在交错层系中查找内部侵蚀面,他们是否为再作用面;⑦在交错层单位内部查找低角度层面,他们是否为侧向加积作用面;⑧考虑交错层是风成的(交错层系厚度大,细层倾角陡)、海滩—前滨处形成的(削顶层系中的低角度交错层),或由小型三角洲形成的。
4.基本层序的观察和记录
碎屑岩的基本层序野外观察记录最好图表化,也可在记录簿中用简明柱状图的形式记录,做到详细、直观、具体即可。对视域内缩减岩层形态及变化也应进行描述(图4-6)。
图4-6 简明柱状图实例
此外,还应有重点、有目的地采集必要的样品,将其准确标注在记录图表中。岩石标本必须定向,磨光后研究野外露头上模糊的显微层理、隐层理,沙纹层理、小型交错层理或其他微细沉积构造和生物活动痕迹等,常可获得较为满意的效果。
(二)碳酸盐岩的野外观察内容
碳酸盐岩的分类可按矿物成分含量分为石灰岩、白云岩两个基本类型及其间的过渡类型(见附录Ⅰ表Ⅰ-13)。
碳酸盐岩野外观察内容包括:岩石的颜色、单层厚度、岩石中所含颗粒与灰泥的相对含量、颗粒类型(非生物屑颗粒与生物屑或生物化石颗粒两类)与含量、生物扰动程度、其他沉积构造和层序特征等。
1.含非生物屑颗粒的碳酸盐岩观察
(1)对含内碎屑碳酸盐岩的观察内容:主要包括内碎屑(砾屑、砂屑、团块)的含量、形状、大小、成分与内部构造、磨圆度及分选、排列方式、有无氧化圈、填隙物的性质及特点、伴生的颗粒及特点、岩层内的粒度分布特点、层理类型及横向展布特点、岩层上下接触界面形态等。
(2)对含鲕碳酸岩的观察内容:主要包括鲕粒的含量、形状、大小,填隙物的性质及特点、伴生的颗粒类型及特点、发育何种类型沉积构造及横向变化和层序特征等。尤其要注意鲕粒内部构造的观察,是同心鲕、表鲕、结晶鲕、空心鲕,还是其他类型的鲕。此外,对同心鲕应观察鲕粒包壳厚度及圈层数,与核心的直径大小。
含鲕碳酸盐岩的沉积环境,要根据其构造特征、岩石类型、伴生颗粒和岩石组合等综合分析才能确定。如:水下高能浅滩环境,多形成厚层或块状鲕粒灰岩,常具交错层理和平行层理,岩性单一,很少有其他岩类夹层,鲕以同心鲕为主,伴有椭圆形鲕、破碎鲕、表鲕、复鲕等,粒径均一,含量较高,亮晶方解石胶结。浅滩暴露时,可溶蚀充填形成单晶鲕或多晶鲕,或发生白云岩化形成鲕白云岩。含鲕碳酸盐岩除主要形成于热带—亚热带盐度略高的浅海台地环境之外,在非海相的CaCO3过饱和的湖相环境、热泉环境、溶洞环境和钙风化壳中也可以形成。鉴别这些非海相的含鲕碳酸盐岩主要靠伴生的生物屑和岩石组合。
2.含生物屑及生物化石碳酸盐岩的观察
生物屑及生物化石是碳酸盐岩最重要的造岩组分之一,必须详细观察描述。采样品,作镜下观察。
3.结晶碳酸盐岩的观察
观察内容包括:晶粒大小、层理构造、颗粒类型及特点、化石种类及特点、层序、横向变化特征等。如白云岩,最好还能判别它是原生还是次生的。
此外,对其他较少见的岩石类型内容的观察,如蒸发岩、硅质岩、磷质岩、煤和油页岩等,可参见《沉积岩1:50000区域地质填图方法指南》。
(三)地质构造野外观察内容
沉积岩一般位于地壳上部,其构造变形处于地壳的浅层次。变形过程中层理起主滑面的作用,断裂变形为脆性变形产物。所以,沉积岩区的地质构造调查主要内容包括:褶皱构造、节理及断层构造和推覆构造等构造形迹。下面侧重叙述它们的野外观测要点。
1.褶皱构造的野外观测内容
沉积岩区的褶皱主要是圆柱状褶皱或可以大体分为若干个圆柱状段落的似圆柱状褶皱,少数是非圆柱状褶皱。1:5万区域地质调查中必须系统地测量褶皱要素,研究褶皱的位态、形态、构造组合、叠加、形成时代和成因等。
(1)褶皱位态的野外观测
对中、小尺度的褶皱,其轴面和枢纽产状可在露头上直接测量。对一些大型褶皱,则需通过路线系统测量褶皱不同部位的岩层(褶皱面)产状用极射赤平投影方法求出褶皱的π图和褶皱枢纽、轴面的产状(参见构造地质学附录Ⅰ中的内容)。
褶皱位态研究要特别注意地形效应,一般在褶皱轴面近于直立、枢纽倾伏较缓而地形起伏不大的地区,褶皱轴迹就是所填地质图中褶皱岩层转折端的连线,其方向也大致代表枢纽的倾伏方向;而在褶皱形态复杂的或地形起伏大的地区,所填褶皱转折端的连线与枢纽的方向就不一致,褶皱在地面上出露的形态只是一种局部的甚至歪曲了的图像。因此,填图人员必须按不同方向、不同高度对褶皱的地面形态进行调查,测量构造要素,并将所测数据标在地质图上,以揭示褶皱的位态特征。
(2)褶皱形态的野外观测
观测褶皱形态,要特别注意研究其纵、横向变化情况,还要注意不同能干性岩层互层时各层褶皱形态的变化规律。褶皱形态的纵向变化,可在图幅内地形切割较深横切褶皱的河谷陡崖上直接观察到,但这种情况在自然界是难见的。然而,地形的高差则是普遍常见的,我们可选适当间距按不同高程对同一褶皱进行路线观察和作联合剖面。例如北京周口店太平山向斜构造向深部的延伸变化特征(图4-7)。图中Ⅰ-I'剖面是在303m高程的山顶作的,为一正常向斜,而Ⅱ-Ⅱ'剖面则是在周口河右岸(高程80m)绘制的。综合表明太平山向斜实为一扇形向斜构造。
图4-7 北京周口店太平山向斜不同高度的联合剖面图
(引自武汉地院《构造地质学》,1979)
(3)褶皱从属构造的野外观测
借助从属构造阐明区域大褶皱的几何特征,分析褶皱形成机制,是常用的有效手段之一。褶皱从属构造包括小褶皱、节理、小断层、层面擦痕、劈理及线理等。
小褶皱 沉积岩区能干与不能干岩石相间,形成纵弯褶皱时,可在其翼部出现从属(寄生、下同)褶皱。寄生褶皱的枢纽常与主褶皱枢纽平行,其轴面在主褶皱两翼略呈扇形或反扇形对称分布,越近主褶皱转折端越与主褶皱轴面平行。一般寄生褶皱轴面与主褶皱层面所夹锐角间尖指示相邻岩层的运动方向。在纵弯褶皱中,较新岩层总是向背斜转折端顶部方向运动,故可根据该锐角的指向确定地层正常、倒转层序及主背、向斜的位置。
层面擦痕 纵弯褶皱过程中,相邻能干岩层间发生滑动,产出的层面擦痕,属a轴线理。它代表相对层面的滑动方向,且垂直于褶皱枢纽。因此,可用以辅助判断枢纽产状及背斜及向斜轴所处的位置。在野外调查中需注意将其与重力滑动及断层擦痕相区别。
节理、小断裂 当能干岩层发生弯滑褶皱时,在其翼部可能出现一系列张性节理,节理面与层面所夹锐角尖指示本盘岩层的运动方向。这些节理常张开被后期矿物填充,形成“S”形或“反S”形的雁行状矿脉。在褶皱转折端的中和面外侧的能干岩层,可出现小型正断层,内侧常出现低角度小型逆断层。当能干岩层间无软弱夹层时,在褶皱转折端处,常出现虚脱现象或鞍状脉体。
劈理、线理及叠加褶皱 此类构造形迹群是变质岩区的“特产”(最为发育),在沉积岩区只在构造变形强烈的地段出现,其观察要点见本章第三节相关内容。
2.断裂构造的野外观测内容
地壳浅层次的脆性破裂变形产生节理、断层及碎裂岩等,在碳酸盐岩区还常见缝合线构造。在1:5万地质填图过程中对这些构造都应进行调查研究,以便恢复区域构造应力场。
(1)节理、裂隙脉、缝合线野外观测
节理野外观测 节理是岩石中没有明显位移的断裂,几乎在每一个露头上都能见到其踪迹。它有构造节理和非构造节理之分。前者是野外工作中观测的对象。要系统的区分节理组和节理系。特别是节理系对地形和区域水系的发育有明显控制作用,对找矿、水文和工程地质上有着重要意义。
裂隙脉野外观测 裂隙脉是指张开的节理或小断层被后期脉石、矿物充填形成的。观测内容包括:脉的产状、规模、形态、间隔、内部构造、充填矿物的成分及生长方向、产出的层位、构造部位、与区域节理系或大构造的关系等。特别是矿脉,应填绘在1:2.5万手图上。
构造缝合线野外观测 在碳酸盐岩区与层面平行的缝合线及与层面斜交—垂直的缝合线。后者可能与区域最大主压应力方向垂直,在野外填图时应测量其产状,还要注意其空间分布与变化规律。
(2)断层和断裂(破碎)带标志的野外观测
沉积岩区以脆性断层广泛发育为特征。该类断层的野外调查要点包括:断层的地貌标志、断层面或断裂(破碎)带的特征及产状、构造岩、被错断的地层及两盘相对位移情况和断距、伴生构造、断层组合及与褶皱的关系和形成时代等。要特别注意沉积盖层与变质基底的界面,查明是否有韧性断层发育。如韧性剪切带、剥离断层和糜棱岩带等。
前已叙及,沉积岩区的断层调查,最好采用遥感解译与地面验证相结合的方法。运用各种遥感图像,详细解译工作区断裂空间分布格架以及地表的位置,对其组合规律进行探讨。
(3)正断层组合的野外观测
在任何构造环境下都可出现正断层,但以正断层组合形式出现的却主要在平缓褶皱的沉积岩区。最常见的有阶梯状、地堑式、半地堑式、堑-垒状、雁行状等组合型式。野外收集的实际资料,应特别注意正断层两盘岩层产状的变化规律,研究正断层上盘岩层是否发生了旋转及旋转的程度。在阶梯状,半地堑式正断层组合中,主要正断层下降盘岩层发生规则性旋转,常指示主断面向深部倾角变缓,有可能在深部不能干岩层中发育滑脱断层。还应注意研究区域性大型正断层对沉积地层厚度、岩相和火山岩的控制作用及其发展历史,这对分析沉积(断陷)盆地来说是非常重要的。
褶皱区的正断层多成生在背斜顶部,平行褶皱轴发育,相向倾斜,到倾伏端处分叉散开,也可以与褶皱轴垂直或斜切。一般来说,垂直者较短,在褶皱翼部发育较多,横切整个褶皱的主要出现背斜倾伏端附近;斜切较长者,可为正断层,亦可为平移断层。这些特征表明它们主要是在共轭剪节理的基础上发育起来的,但延伸不大。
(4)逆断层的野外观测
根据断角大小分为高角度和低角度二类逆断层,前者称为冲断层,后者称为逆掩及辗掩断层。断角经常会发生变化,有的在地壳深部断角较陡,到近地表变为低角度逆断层;有的在地表断角很陡,而往深部转变为低角度,甚至是顺层的。
沉积岩区冲断层常出现在褶皱的陡倾或倒转翼上,它平行于褶皱轴以叠瓦状或共轭状产出,其形成多与褶皱有密切关系,也可能是深部低角度或顺层推覆断层的前端在地表的露头。研究这类断层要特别注意断层两盘岩层产状的变化及其与逆冲断面产状的相互关系。
在沉积岩与变质岩的交界处也常有重要的冲断层发育,有时其断面在重力扩展作用下,向地表变缓而形成局部性的低角度逆掩断层和小飞来峰。当沉积盖层遭轻微剥蚀,这种断层呈隐伏状态出现时,在地表则有可能见到区域性的规则挠曲。
(5)走向平移断层的野外观测
走向平移断层呈两组共轭产出,其锐角平分线为最大水平挤压应力方向,时常表现为其中一组发育。它在野外表现的特征是断面平直、延伸较远,且等距平行。走向平移断层常与逆冲断裂带和褶皱带相伴产出,大约以60°的交角斜切逆冲断层和褶皱轴线。其与褶皱带同期形成时,由平移断层错开的各断块间褶皱形态常发生变化,反之则可能是后期形成。平移断层还有可能在其末端弯曲终止于逆冲断层上或与低角度逆冲断层联合而成为后者的一部分。调查平移断层时要注意两盘岩层是否发生了旋转
野外要注意研究区域性大型走向平移断裂带,亦称走滑断裂。它是当前构造地质研究的热点课题之一。这种断裂带常独立存在,是长期发育形成的,与褶皱和逆冲断裂带无关,并控制着某些沉积盆地的发展演化,被人们誉为长命(寿)断层。其断距很大,但要根据区域性构造带、变质带、深成岩带和沉积相带被错开的距离才能确定。
3.逆冲推覆构造的野外观测
沉积岩区的逆冲推覆构造属浅层逆冲推覆构造,它以断面产状多变(舒缓波状),快速脆性剪切带碎裂变形为主要特征。它是一种大范围的收缩构造,它的基本架构分为外来系统、滑脱面和原地系统三部分。其滑脱面是分割外来系统与原地系统的断裂面,即逆冲断面,大部为舒缓波状,也可呈台阶状等形式。
逆冲推覆构造在平面上的基本架构可分为根、中、锋三个带。根带是推覆体后遗的陡倾部分,亦是推覆体开始滑移的部分;锋带是推覆体在移动进程中的外在部分,在前锋,由于侵蚀的结果(地势较高),残留在原地系统上(周边被断层圈闭)的孤立外来体,称为飞来峰。在主断面的后方,外来系统遭受强烈切割,推覆体断面被剥掉(地势低洼),露出断面下的原地系统(周边亦被断层圈闭),称为构造窗。介于根带与锋带之间的为中带。
逆冲推覆构造的不同部位,在结构构造及变形程度上均有差别,一般来说各带变形特征为:锋带岩层受挤压变形强烈,小褶皱发育且形态复杂,还常出现与主断裂前端产状相近的帚状或形态复杂的勾状、甚至卷曲状的分支断层;中带构造相对简单,伴生和派生构造范围稳定而有规律,小褶皱轴面、小型逆冲断层、窗棂构造和小型旋卷构造等指向性构造比较发育,并与主干逆断层运动方向一致:根带岩层和小断层产状常急剧变陡,发育轴面陡立的紧闭小褶皱。有时见有韧性剪切带,劈理以流劈理和滑劈理为主,结构上表现为陡峻菱形块体与挤压带构成网结式构造。
对逆冲推覆构造还应研究其构造类型、地层沉积特征分析对比、特征性褶皱构造与断裂组合(如叠瓦状断层)分析、推覆方向、推覆时代等。
对于飞来峰和构造窗是较易识别的推覆构造形迹。飞来峰多为老地层(异地)飞移在新地层(原地)之上,但新地层“飞移”于老地层之上也是存在的。在野外见有飞来峰和构造窗就可以证明推覆体与平缓逆冲断层的存在。在垂直于逆冲断层走向方向上飞来峰前缘至构造窗后缘的距离代表逆冲推覆的最小位移量。