3.4 断裂构造
地壳中的岩石受到构造应力作用将产生变形并达到一定程度，其连续性和完整性受到破坏，将产生破裂或沿破裂面发生位移而形成断裂构造。断裂构造是地壳中常见的地质构造，断裂构造发育地区，常成群分布，形成断裂带。根据断裂两侧岩块沿断裂面有无明显位移，断裂构造分为两大类：节理和断层。
3.4.1 节理
节理就是岩石中的裂缝，沿破裂面没有明显的位移，有时也称裂隙。节理的产状和岩层一样，用走向、倾向和倾角三要素来表示。
节理的规模相差悬殊，小的长仅几厘米，长的达数米至数十米，节理面可以是平坦的，也可以是不平坦的。自然界岩体中的节理如图3－9所示。
1）节理的类型
根据节理的成因，可分为原生节理、构造节理和次生节理。
图3－9 自然界岩体中的节理
（1）原生节理
原生节理是指岩石在形成过程中所产生的节理，如玄武岩中的柱状节理。
（2）构造节理
构造节理是岩石受构造应力作用产生的。分布极广泛，具有明显的方向性和规律性，是岩层中主要的破裂结构面，对地下水活动和工程建筑影响极大。按其力学成因，可分为剪节理和张节理。
①剪节理：当岩石所受最大剪应力达到并超过岩石的抗剪强度时，则产生剪节理。因此，剪节理往往与最大剪应力作用方向一致，且常成对出现，称为共轭“X”节理。剪节理一般是闭合的，节理面平坦光滑，常有滑动擦痕和擦光面；剪节理的产状稳定，沿走向和倾向延伸较远；在砾岩或粗砂岩中，剪节理能较平整地切割砾石和粗砂碎屑。
②张节理：是岩石受拉张应力作用而形成的裂隙。张节理的主要特征：其裂口是张开的，呈上宽下窄的楔形；多发育于脆性岩石中，尤其在褶曲转折端等拉张应力集中的部位；张节理面粗糙不平，产状不稳定，沿其走向和倾向都延伸不远即行尖灭；一般无滑动擦痕和摩擦镜面，因张节理常是追踪剪节理发育而呈锯齿状；当其发育于砾岩中时，常绕过砾石，其裂面明显凸凹不平。
此外，根据节理产出特征还分出一类——劈理。岩石中平行、密集的微小构造裂隙，称为劈理。劈理面的间距一般仅几毫米至几十毫米，常按一定方向把岩石切割成平行的薄板或薄片状，容易和岩石的层状或板状构造相混淆；多数情况下，劈理和层面不一致。劈理往往只发育于构造变动强烈、应力集中的地段，如褶皱的两翼、大断层的两侧等。
劈理的存在使岩石强度大大降低，极易风化成碎片，透水性增大，对工程建筑极为不利。
③次生节理：由于岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用而产生的裂隙，如沿沟壁岸坡发育的卸荷裂隙，岩体近地面表层广泛发育的风化裂隙等。次生节理分布零乱，没有规律性，破坏岩体的完整，使岩石多成碎块。
2）节理的工程地质评价
地壳中广泛发育的节理，对岩体的强度和稳定性均有不利的影响：破坏了岩体的完整性，水易沿裂隙渗入，加速岩石的风化，降低了基岩的承载力，增大岩石渗透性等。如人工开挖边坡容易发生崩塌和塌方。地下开挖中，岩体中的节理裂隙影响爆破作业效果，并使地下工程的围岩失稳。因此，在节理裂隙发育地区，应对其进行深入的调查研究，详细论证它对工程建筑的不利影响，采取相应处理措施，以保证工程建筑的安全和正常使用。
3）节理调查、统计和表示方法
为了弄清工程场地节理分布规律及其对工程岩体稳定性的影响，在进行工程勘察时，都要对节理裂隙进行现场详细调查和室内资料整理工作，并用统计图表形式把岩体裂隙的分布情况表示出来。
（1）节理的现场调查
构造节理主要作为褶皱和断裂构造的伴生构造产出。所以，在进行节理的调查之前需要先了解调查区的构造轮廓和构造应力场的特征。
节理的现场调查：首先是根据调查工作的性质和任务确定调查的范围和详细程度。一般在进行1∶50 000到1∶10 000的地质测绘时，每平方公里内设置4～6个观测点，在构造复杂地段要加密。在大比例尺测绘和水工建筑勘察中，还要结合建筑物的位置，选择有代表性地段，进行详细测量。
在每一观测点上，应确定其地理位置、构造部位、地层岩性产状，再观测节理产状、节理面的性质、裂隙宽度、节理密度、节理的组数和相互的穿插关系，以及节理内充填物和含水情况等，并由此鉴定各组节理的成因类型。水工建筑勘察中还应着重调查缓倾斜节理在不同部位的发育情况。每一测点的测量统计面积应视节理发育程度而定，一般取l～4m2，观测统计包括节理类型、产状（走向、倾向、倾角）、规模（长度、宽度、深度）、充填胶结情况、节理面性质、条数等，并按记录表格（见表3－2）进行登记，典型测点处要进行拍照。
表3－2 节理现场测量记录表
（2）节理观测资料的室内整理
现场调查统计资料，到室内工作阶段要进行整理，并用各种统计图把它表示出来，以便对比分析。统计图种类很多，常采用节理玫瑰图和等密图等来表示。也可以用计算机来处理大量的现场观测数据，并做出各种统计图。
节理玫瑰图能较直观反映出节理的产状和分布情况，且作图简单容易，常被广泛应用。
节理玫瑰图有两类，一类是用节理走向编制，另一类用节理倾向编制。下面简要介绍节理走向玫瑰图的作用方法。
首先将现场测量统计的节理数据的走向按5°或10°为一区间进行分组，统计每组节理的条数和计算每组节理的平均走向。再作任意大小的半圆（见图3－10），沿圆周标上北、东、西三个方向，并按方位角划分出刻度，用以表示节理的走向；按每组节理的平均走向和条数投图：自半圆中心沿径向引辐射线段，该线段的方向代表每组节理的平均走向的方位，线段长度（按比例）代表相应组的节理条数；最后把相邻组的线段端点用直线连接起来，若相邻组内没有线段，则需连回圆心，即做成了走向玫瑰图（见图3－10）。
图3－10 节理走向玫瑰图
为了表示最发育一组节理倾斜、倾角，可在走向玫瑰图上沿最发育一组节理的平均走向方向上，沿径向引一延长线，并将其等分成90°，用来表示节理的倾角；再在该线顶端再作一垂直线，其长度按比例代表节理的条数，其所指的方向代表节理的倾向；将该组节理按倾向再分组，根据节理倾向和条数投出各点，每组分画成三角形，这就完成了最发育一组节理倾向和倾角图（见图3－10）。
另外，在该图上还可标出河流及公路延伸方向，可分析节理与公路关系。从图3－10中可看出，以垂直河流方向的节理最发育，且倾向河流下游者居多，据此可了解勘察区岩体节理裂隙的发育规律。
裂隙的发育程度，在数量上有时用裂隙率表示。裂隙率是指岩石中裂隙的面积与岩石总面积的百分比。裂隙率越大，表示岩石中的裂隙越发育。反之，则表明裂隙不发育。工程地质常用的裂隙发育程度的分级如表3－3。
表3－3 裂隙发育程度的分级
注：裂隙宽度＜1mm为密闭裂隙，1～3mm为微张裂隙，3～5mm为张开裂隙，＞5mm为宽张裂隙。
3.4.2 断层
断层是一种有明显位移的断裂构造。断层在地壳分布很广泛，种类繁多，形态各异，规模大小悬殊。小的断层延长只有几米，相对位移只有几厘米，大的断层可延伸数百公里至上千公里，深度甚至可切穿地壳至上地幔，影响范围很广。断层破坏了岩体的连续完整性，它不仅对岩体的稳定性和渗透性、地震活动和区域稳定都有重大的影响，而且是地下水运动的良好通道和汇聚场所。在规模较大的断层附近或断层发育地区，常赋存有丰富的地下水资源。
1）断层要素
习惯上把断层的各个组成部分叫做断层要素。
（1）断层面
断层面是一个破裂面，把岩体分为两个断块，断块沿着断层面发生显著位移。断层面可以是平面，也可以是弯曲或波状起伏的曲面。断层面的产状的表示和岩层面一样，即用走向、倾向和倾角表示。有些大的断层，断层面由许多破裂面所组成的破裂带，甚至是一个破碎带。
（2）断层线
断层线是指断层面与地面的交线，实际上就是断层面在地表的出露线，是地质界线之一。断层线随断层面的倾斜、形态及地面起伏情况不同，有时呈直线，有时呈曲线。断层线的延伸方向代表断层的走向。
（3）断盘
被断层面分开的两侧岩块称断盘。当断层面倾斜时，位于断层面上方的叫上盘，位于断层面下方的叫下盘。当断层面近于直立时，没有上下盘之分，则以断层所处相对方位称谓，如东盘、西盘。根据两盘相对位移关系，分为上升盘、下降盘。
（4）断距
断层两盘沿断层面相对位移的距离称为断距。
2）断层的基本类型
断层的分类方法很多，所以不同类型的断层名称也很多。通常是以断层两盘相对位移关系、断层走向与褶曲轴向的关系进行分类。
（1）按断层两盘相对位移方向分类
按断层两盘相对位移方向分类可分为正断层、逆断层和断层平移断层。
①正断层：是指上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层〔见图3－11（a）〕。正断层是在重力作用或水平张力作用下形成的，在垂直于拉张应力的方向上发育。其断层线较平直，断层面倾角较陡，一般大于45°。
图3－11 断层的基本类型
（a）正断层；（b）逆断层；（c）平移断层
②逆断层：指上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层〔见图3－11（b）〕。逆断层一般是受水平压力作用下沿剪裂面形成的，常与褶皱构造相伴生。逆断层的倾角变化很大，断层面倾角大于45°的称冲断层；介于25°～45°之间称逆掩断层；小于25°的称辗掩断层。逆掩断层和辗掩断层的规模一般很大，往往是区域性的大断层。
③平移断层：是指断层两盘沿断层面走向产生相对水平位移的断层〔见图3－11（c）〕。平移断层是在水平剪切应力作用下形成的，其断层面倾角很陡，常近于直立，断层线平直延伸远，断层面上常有近于水平的擦痕。
正断层、逆断层、平移断层是受单向应力作用而产生的，是断层的三个基本类型。野外常见到平移断层和正断层或逆断层的过渡类型，分别称为平移正断层、平移逆断层或正平移断层、逆平移断层等。
一次大的构造运动，往往形成几组断层，以一定的排列组合方式出现，如一系列大致平行的断层组合而成的阶梯状断层、地垒、地堑（见图3－12）以及叠瓦式断层（见图3－13）。
图3－12 阶梯状断层、地垒和地堑剖面示意图
图3－13 叠瓦式断层剖面示意图
（2）按断层走向与褶曲轴划分
断层可分为纵断层、横断层和斜断层。
①纵断层：指断层走向与褶曲轴方向一致的断层，即断层大致沿褶曲轴方向延伸。
②横向断层：指断层走向与褶曲轴方向正交的断层，即断层沿模切褶曲轴方向延伸。
③斜向断层：指断层走向与褶曲轴方向斜交的断层，即断层沿斜切褶曲轴方向延伸。
3）断层的工程地质评价
由于岩层发生强烈的断裂变动，致使岩体裂隙增多、岩石破碎、风化严重、地下水发育，从而降低了岩石的强度和稳定性，对工程建筑造成了种种不利的影响。因此，在公路工程建设中，如确定路线布局、选择桥位和隧道位置时，要尽量避开大的断层破碎带。
在研究路线布局，特别在安排河谷路线时，要特别注意河谷地貌与断层构造的关系。当路线与断层走向平行，路基靠近断层破碎带时，由于开挖路基，容易引起边坡发生大规模坍塌，直接影响施工和公路的正常使用。在进行大桥桥位勘测时，要注意查明桥基部分有无断层存在及其影响程度如何，以便根据不同情况，在设计基础工程时采取相应的处理措施。
在断层发育地带修建隧道，是最不利的一种情况。由于岩层的整体性遭到破坏，加上地面水或地下水的侵入，其强度和稳定性都很差，容易产生洞顶坍落，影响施工安全。因此，当隧道轴线与断层走向平行时，应尽量避免与断层破碎带接触。隧道横穿断层时，虽然只有个别段落受断层影响，但因地质及水文地质条件不良，必须预先考虑措施，保证施工安全。特别当断层破碎带规模很大，或者穿越断层带时，会使施工十分困难，在确定隧道平面位置时，要尽量设法避开。
4）断层的野外识别
在野外若能直接见到断层面，可以肯定断层的存在。但是断层面往往不易直接观察到，需要寻找一些其他标志来识别断层的存在。
（1）地貌标志
由于断层造成岩石的破碎，容易被流水等剥蚀和切割。因此，断层通过的地方常表现为洼地或河谷，但也不能认为“逢沟必断”。一般在山岭地区，沿断层破碎带侵蚀下切而形成沟谷或峡谷地貌；以及山脊被错断、错开，河谷跌水瀑布，河谷方向发生突然转折等，很可能是断层错动在地貌上的反映。时代较新的断层在地貌上常形成悬崖陡壁（断层崖），断层崖经风化剥蚀，则会形成断层三角面地貌（见图3－14）。
图3－14 断层三角面形成示意图
（a）断层面剥蚀成冲沟；（b）冲沟扩大，形成三角面；（c）继续侵蚀，三角面消失
（2）构造标志
断层在形成过程中，由于断层两盘岩块相互挤压、错动而形成伴生构造，如岩层牵引弯曲、断层角砾、糜棱岩、断层泥和断层擦痕等。
牵引弯曲〔见图3－15（a）〕，是断层面两侧岩层因相对错动，受牵引而形成的弯曲，多形成于页岩、片岩等柔性层中。当断层两盘受强烈挤压，并相对错动，有时沿断层面岩石被研磨成细泥，称为断层泥；若被研碎成大小不一的角砾，则称为断层角砾〔见图3－15（b）〕。断层两盘相对错动时，在断层面留下一条条彼此平行密集的槽纹，称为断层的擦痕〔见图3－15（c）〕。顺擦痕方向，手感光滑的方向即为对盘错动方向。
图3－15 断层现象
（a）岩层牵引弯曲；（b）断层角砾；（c）断层撩痕；（d）地层重复；（e）地层缺失；（f）岩脉错断
（3）地层标志
地层标志是确定断层存在的可靠证据。如地层发生重复〔见图3－15（d）〕，或地层缺失〔见图3－15（e）〕，岩脉或矿脉被错断〔见图3－15（f）〕。
此外，如泉水、温泉呈线状出露，有可能存在断层；褶皱构造被断层横切时，断层面两侧核部地层出露宽度不同，即褶曲核部地层宽窄突然变化，也是识别断层存在的标志。
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