漫话地壳－岩石圈断裂构造（1）
胡经国
前言
地壳－岩石圈断裂构造，简称断裂构造或断裂，是指地壳－岩石圈岩层由于受地到球内部动力作用，因而沿着一定方向产生机械破裂并且失去其连续性和整体性而形成的一种构造形态。岩层在力的作用下，当作用力超过岩层本身的强度时就会在岩层的薄弱部位产生破裂。断裂构造是岩层破裂的总称，其中包括劈理、节理、断层、深大断裂（区域性断裂，如壳断裂、超壳断裂、岩石圈断裂、超岩石圈断裂等）。
研究断裂构造对矿产找矿勘探、水文地质与工程地质勘查研究以及区域大地构造特征研究等，都具有重要实际意义。例如，断裂构造为石油天然气二次运移提供了良好通道，油气沿断裂构造通道运移比在岩石孔隙中更加容易。
一、断层
1、什么叫做断层？
地壳－岩石圈岩层因所受作用力超过其强度而发生破裂，并沿破裂面产生明显错动（相对位移）的构造形态（或构造形迹）称为断层。
2、断层要素
断层要素包括：断层面（带）、断层线、断层两盘和断层产状。
岩层沿之发生破裂和明显错动的面，称为断层面。规模较大的断层的断层面往往是一个岩石破碎带，称为断层破碎带，简称断层带。
断层面与地表面的交线，称为断层线。
断层面上下、左右或前后的破裂错动岩体，称为断层的两盘，简称断盘，如上盘、下盘，左盘、右盘等。
描述断层空间方位的要素称为断层的产状要素。它包括断层面的走向、倾向和倾角。
断层是在地壳－岩石圈构造运动中广泛发育的一种构造形态。它破坏了岩层的连续性和完整性。在断层带上，往往岩石破碎，易被风化侵蚀。沿断层线常常发育有沟谷，有时还可出现泉或湖泊。
3、断层的规模
断层的规模（大小）一般用断层面的长度、深度和断层两盘的相对位移量表示。
断层规模大小不一。断层面（线）长度变化很大；短的不足1米，长可达数百千米甚至上千千米。而且，断层面深度变化也很大；有的仅深至地壳内一定深度，有的可切穿整个地壳，有的仅深至岩石圈内一定深度，有的甚至可切穿整个岩石圈。另外，断层两盘之间的相对位移量也变化较大；可达从几厘米至几百公里不等。
4、断层的成因
是什么力量导致岩层产生断裂错动呢？断层是由于在地壳－岩石圈构造运动中产生的强大的压力、张力或剪切力超过岩层本身的强度因而使岩层产生破裂错动而形成的。
5、地垒和地堑
由于两条断层中间的岩块相对上升、两侧岩块相对下降而形成的断裂构造称为地垒；地垒常常发育成块状山地，如中国的庐山、泰山等。
相反，由于两条断层中间的岩块相对下降、两侧岩块相对上升而形成的断裂构造称为地堑。地堑是一种狭长的凹陷地带。世界著名的东非大裂谷和中国的汾河平原和渭河谷地，都是在地堑的基础上经长期发育而成的。
6、断层与地震
断层对地球科学家来说特别重要。因为，地壳－岩石圈断块因地应力集中而沿断层面（带）突然运动是地震发生的主要原因。这种地震称为构造地震，是危害最大的一类地震。科学家们相信，对地震的断层机制研究得越深入，就能越准确地预测预报地震，将地震的危害降到最低程度。
二、断层的类型
一般根据断层线上原来相邻接的两点的相对位移状况对断层进行分类。
1、走向滑动断层
如果断层两盘的位移只在水平方向上，并且平行于断层面，那么这种断层称为走向滑动断层，简称走滑断层。
走向滑动断层即为规模巨大的平移断层。走滑断层两盘沿断层面走向相对移动，而无上下垂直移动。
走向滑动断层可进一步分为右旋走滑断层和左旋走滑断层。
如果观察者站在断层面的一侧，面向断层，另一侧的岩块从他的右边向左方滑动，那么这种滑动方式称为左旋走滑，对应的断层称为左旋走滑断层。相应地，可以确定右旋走滑和右旋走滑断层。之所以要如此称呼，是因为当要追索被断层移动了的地表地质特征时，该人需沿断层线转向左边，才能在那一边找到与这边相对应的地质特征。例如，美国加利福尼亚圣安德列斯断层就是一条右旋走滑断层。
2、倾向滑动断层
⑴、正断层
如果断层两盘沿断层面作上升下降的相对位移，那么这种断层称为倾向滑动断层。上盘相对于下盘向下位移的倾向滑动断层，称为正断层。
⑵、逆断层
逆断层是指上盘相对上升而下盘相对下降的倾向滑动断层。
按断层面倾角大小，逆断层可分为：冲断层（断面倾角＞45°）；逆掩断层（断面倾角在25～45°之间）；辗掩断层（断面倾角＜25°）。
逆断层按倾角大小，还可分为高角度逆断层和低角度逆断层。
高角度逆断的层面倾斜陡峻，倾角大于45°，常常在正断层发育区出现，所以有些学者将高角度逆断层与正断层统一归属于高角度断层。倾角小于45°（一般多在30°左右或更小）的逆断层称为低角度逆断层。相对位移距离很大的低角度逆断层，称为逆冲断层。
按主动盘，冲断层可分为仰冲断层和俯冲断层。上盘为主动盘的冲断层，称为仰冲断层；下盘为主动盘的冲断层，称为俯冲断层。
3、斜向滑动断层
断层两盘相对位移方向界于走向滑动断层和倾向滑动断层之间的断层，称为斜向滑动断层。
或者说，斜向滑动断层是指两盘相对位移方向介于断层面走向线与倾斜线之间的断层。
斜向滑动断层位移具有走向滑动分量和倾向滑动分量。
4、旋转断层
断层两盘之间的相对位移通常叫做断层落差和平错；落差反映垂直位移，而平错则反映水平位移。以上所说的断层都有一个共同的运动特点，即在运动中断层两盘的构造保持着平行。但是，也有这样的断层，相邻两盘块体之间发生了扭动、转动，这样的断层称为旋转断层。
旋转断层是指断盘发生旋转运动的断层。其旋转方式有两种情况：①、旋转轴平行断层面走向并位于一侧断盘中，如铲形断层的上盘，其旋转方式可以简单地看成是断块沿一个曲面发生的相对直移运动；②、旋转轴垂直断层面，各处的位移矢量从旋轴向外逐渐变化。
5、断层实例：美国加州著名的圣安德列斯断层
⑴、地理位置
圣安德列斯断层（SanAndreasFault）的南部起于索尔顿湖附近，一直向北延伸；然后折向西部与圣贝纳迪诺山交汇。洛杉矶就是在这一断层带上的最大城市。圣安德烈斯断层最壮观的地方，是在它穿过的、旧金山以南约480千米的卡里索平原。
⑵、构造特点
圣安德列斯断层贯穿美国加利福尼亚州南部，其长约1287千米（800英里），伸入地面以下约16千米，是地球上最长和最活跃的断层之一。
加利福尼亚非常活跃的圣安德列斯断层属于转换断层。它抵消了一部分在美国和墨西哥之西南的东太平洋隆起。该断层引起许多小型地震，大约一天数起，其中大多是无感地震。
世界上著名的破坏性地震所产生的地表新断层，与原来存在的断层走向一致或完全重合。例如，1906年美国旧金山发生的8.3级地震沿圣安德列斯断层产生了长450公里的地表破裂。
该断层大部分是隐蔽的，但是在有些地方却留下了明显的断裂痕迹。沿着断层的地壳运动有时达到相当大的规模，裂缝一侧的某条河流的断头与处于裂缝另一侧的这条河流的其余部分竟偏离了120米。
⑶、板块构造
圣安德列斯断层位于向西南运动的北美板块和向西北运动的太平洋板块交界处，是两侧板块相互剪切滑动形成的平错型（剪切）边界。其存在的时间已经超过2000万年。巨大的太平洋板块沿着圣安德列斯断层，相对于北美板块向西北运动，平均每年移动数厘米。按照这种移动速率，经过数百万年之后，地球上的陆块分布和现在比起来将会有很大的变化。
圣安德列斯断层以西的太平洋板块及以东的北美洲板块，正分别向西北和西南方向移动，平均每年滑动距离为33～37毫米。
另据报道，菲阿尔克教授对欧洲航天局所拍摄的卫星图片进行了8年的研究。该卫星图片详细记录了地质移动的情况，并综合了20年的全球定位系统的数据。根据他的分析，沿圣安地列斯断层两边的板块正在以每年25毫米的速度相互冲撞，即断层的“滑动速率”。北美板块正在向北移动，而太平洋板块则正在向南移动。有时，它们的通道平滑，平安无事；有时，它们相互间摩擦或碰撞。当发生断裂、脱落时，便可能引发大地震。
有人认为，东太平洋海岭进入加利福尼亚湾以后，继续北延与圣安德列斯断层相连，成为转换断层。然后，在断层最后离开大陆的果尔达角（俄罗岗州西部）又重新出现扩张带，这就是果尔达海岭和胡安德福卡海岭。圣安德列斯断层每年平移（右旋）的速度也是6厘米。
⑷、地震
圣安地列斯断层的终端已经有250年没有发生大地震了。现在圣安德列斯断层聚集的压力已经临近暴发。科学家表示，在过去300多年的时间里，圣安德列斯地壳断层带南端所承受的压力一直在不断地累积，所积蓄的能量足够造成一次强度在里氏7级或以上的大地震在洛杉矶和圣地亚哥附近发生。导致3000多人死亡和30多万人无家可归的1906年旧金山大地震，正是由圣安德列斯断层带的地壳运动所引起的。
世界上许多著名的大地震都属于构造地震。1906年美国旧金山大地震（8.3级）与圣安德列斯大断裂活动有关。
另据报道，通常来讲，沿断层带的平均滑动速率越大，断层所聚集的压力或能量也就越大。目前，由于该断层带一直没有发生地震，已经形成5.5～5.7米的“滑动蓄积”。如果其积蓄的压力或能量能够一次性地得到释放，那么将会产生8级地震的能量，也就是说大约等于1906年旧金山大地震时的震级。据预测，圣安地列斯断层的南部大约每200～300年发生一次地震。菲阿尔克教授说，根据对目前断层运动的观察显示，又是地震要爆发的时刻了。圣安德列斯断层北部和中部的最近的两次大地震，一次是在1857年，另一次就是1906年。
同一活动断层在不同深度可以有不同的活动方式，同一断层在不同时间也可以有不同的活动方式。例如，圣安德列斯断层，深度在4公里以上为无震的稳定蠕动；4～12公里则伴随有地震的粘滑运动；12公里以下（由于高温）又以稳定的蠕动为主。因此，圣安德列斯断层带上的地震震源深度均不超过20公里。
⑸、1906年旧金山大地震
地震概况
时间：1906年4月18日当地时间早晨5时12分。
震级：里克特制7.7～7.9级，里氏8.3级。
持续：45～60秒。
震中：圣安德列斯断层，长476公里。
灾情：
1906年旧金山大地震，发生于1906年4月18日清晨5点12分左右，芮氏规模为7.8，震中位于接近旧金山的圣安德列斯断层上。自奥勒冈州到加州洛杉矶，甚至是位于内陆的内华达州，都能感受到地震的威力。这次地震及随之而来的大火，对旧金山造成了严重的破坏，可以说是美国历史上主要城市所遭受的最严重的自然灾害之一。当时，政府官员担心，若公布真正的死亡人数，恐怕会造成地价下跌，并影响到重建这个城市所需的一切，因此捏造死亡人数只有478人。今日，按保守估计死亡人数在3000人以上，更有人估计高达6000人。大部分的伤亡集中在旧金山，而其他的旧金山湾区则约有189人死亡。圣塔罗撒、圣荷西以及史丹福大学也都遭受到严重的损害。
40万人口中，约有22.5～30万人无家可归，其中约有一半的难民离开湾区到奥克兰。报纸形容在金门公园、Panhandle公园，以及从Ingleside到北滩的海滩上都布满了临时搭建的帐棚。这样等级的地震是第一次被清楚地以相片记录下来，也使得后来地震学的科学研究蓬勃发展。总计，当时地震所造成的损失，估计高达4亿美元。
天气干燥导致大火连烧3天。全市5.3万座房屋中2.8万座被摧毁。全市近40万居民中22.5万失家园。估计损失约4亿美元，相当于今日600多亿港元。
三、断裂体系
1、断裂及其类型
顾名思义，断裂（Fracture）是指因岩层受力作用而产生的破裂和错动。岩层沿之破裂和错动的面称为断裂面。通常根据其发育的程度和两侧岩层相对位移（错动）的情况把断裂分为以下三类。
⑴、劈理
劈理，是指岩石中的微细断裂，它还没有明显破坏岩层的连续性。岩石中沿之发生微细断裂的面称为劈理面。最常见的劈理是在褶曲核部发育的轴面劈理，常呈扇形（以褶皱轴面为对称轴)。
⑵、节理
节理，又叫做裂隙，是指岩石发生了裂开，但是其两侧岩石还没有发生明显的相对位移的断裂。岩石中沿之产生节理（裂隙）的面称为节理面（裂隙面）。按其形成的力学性质，节理可分为张节理和剪切节理。张节理是由于岩石受张应力作用而产生的节理。剪节理是由于岩石受剪应力作用而产生的节理。节理常成组出现，如“X”形的共轭节理。
⑶、断层
若断裂两盘岩体已发生了明显的相对位移（错动），则这种断裂就称为断层。它是最重要的一类断裂。
2、断裂体系及其类型
由于受力方式、边界条件等的不同，断裂常构成不同型式的组合，称为断裂体系。
⑴、按断裂组合型式分类
断裂体系按断裂组合型式可分为X型、Y型、I型、V型、Z型5种类型。其中，X型、Y型、I型为最基本的断裂体系。
①、X型断裂体系
X型断裂体系（XShapedFractureSystem），是指两组走向在平面上呈X型相交的断裂体系。两组断裂多为剪切性质，地壳自形成以来即存在X型剪切断裂，大都形成于45～35亿年。
霍布斯（Hobbs，1911年）提出地壳上存在X断裂。
詹德尔（Sander，1938年）将地壳上存在X型断裂划分为三套六组，即北北西与北北东，北东与北西，北东东与北西西。
中国西部地区（六盘－贺兰山至龙门山、横断山以西）主要发育北西西与北东东—对X型断裂；东部地区主要发育北北西与北北东一对X型断裂。X型断裂是由于断块两端受压后不易滑动而形成的。
②、Y型断裂体系
Y型断裂体系（YShapedFractureSystem），是指平面上呈Y型交接的三组断裂所组成的断裂体系。其上部两组断裂多具剪切性质，下部一组断裂多具拉张性质，它们共同构成剪切－拉张型的断裂体系。其形成条件是一端不易滑动，即上部边界条件不如下部自由。V型断裂体系也是这种条件下形成的。
中国横断山区的龙门山断裂（北东向）、甘孜－康定断裂（北西向）和西昌断裂（南北向）组成典型的Y型断裂体系。
③、I型断裂体系
I型断裂体系（IShapedFractureSystem），是指断裂在平面上组成I型的断裂体系型式。多为张性的锯齿状断裂。在地质历史上，大洋地壳的地槽断谷或现代大陆的中、新生代裂谷（地堑）多属这类断裂体系。它是受平行于断裂方向的挤压与垂直于断裂方向的拉张联合作用的结果。它是由于在断块两端存在与之近正交的平错断裂，易产生侧向滑动而形成的。相当于岩块在实验中受压而两端易自由滑动的情况。
中国冀中地堑即为典型的I型断裂体系。其北为阴山断裂，南为黄河断裂。
④、V型断裂体系
⑤、Z型断裂体系
Z型断裂体系（ZShapcdFractureSystem），是指平面上两组平行断裂之间夹有一组斜向断裂组成的断裂体系。上、下两组断裂可同受挤压应力或拉张应力作用，分别产生平移断层、逆断层或正断层，而中间则产生一组剪切拉张或剪切挤压的断层。挤压应力下产生的Z型（或反Z型）断裂组合的形体较长，拉张应力下产生Z型（或反Z型）断裂组合的形体较短。在侧向挤压和拉张应力下，也可产生成因相同的N型断裂体系、反N型断裂体系。Z型断裂体系多发生在纬向隆起带和凹陷带，N型断裂体系多发生在经向隆起带和凹陷带。
⑵、按断裂活动方式（或力学性质）分类
断裂体系按断裂活动方式（或力学性质），可分为纯挤压、纯拉张、纯剪切、剪切－挤压和剪切一拉张5种类型。
转换断层是指横切洋中脊的一种剪切断层，其移动方向上平行于从洋中脊开始的海底（洋壳）扩张方向。
⑶、按断裂切割深度分类
规模巨大、向地下深切且发育时期很长的区域性断裂，称为深大断裂，又叫做深断裂。
深大断裂按下切深度可以分为：克拉通（如地台）盖层断层和基底断裂、壳断裂和超壳断裂、岩石圈断裂和超岩石圈断裂等。
此外还有不同深度上的层间滑动断裂。
3、断块及其与板块的关系
所谓断块，是指被不同深度的断裂所围限的块体。
2018年4月10日编写于重庆
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