实习二 用间接方法确定岩层产状要素

岩层在空间产出的状态，称为岩层的产状。
沉积岩层通常在广阔平坦的沉积盆地中形成，其原始产状大部分都是水平或近于水平的。但在沉积盆地边缘和沉积盆地内相对隆起的周围边坡等局部地带，岩层也会出现一定程度的倾斜，即形成所谓的原始倾斜。
呈原始产状的岩层，受地壳运动影响会发生变形、变位。变动后的岩层，其产状多是倾斜的，有些也可以是直立的，甚至发生倒转，而且可以在一定范围内形成褶皱、断裂等构造。只有变动不明显的岩层仍保持其水平产状。
（一）岩层产状要素
岩层的产状是用产状要素来表示的，包括走向、倾向和倾角。
（1）走向 岩层面与水平面相交的线称为走向线，走向线两端所指方向即为走向，用走向线与地理子午线之间的夹角来表示（图2-9），岩层的走向都有两个方位角值。在实测记录时，为了简便，一般只测量、记录靠北一端的方位数值。岩层的走向表示岩层空间的水平延伸方位。
（2）倾向 在岩层面上垂直岩层走向线沿倾斜面向下所引的直线称倾斜线（图2-9）。它在水平面上的投影称真倾向线，简称倾向线。倾向线所指岩层倾斜一端的方位即为岩层的真倾向，简称倾向。倾向能说明岩层向地下延伸的方位。一个测点只有一个倾向，倾向数值加上或减去90°即为走向值。在岩层面上，凡不与走向线直交的任一倾斜线均称假（视）倾向线，它在水平面上的投影称假（视）倾向线，所指的方位为假（视）倾向。在一个测点上假（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。在一个测点上，岩层真倾角只有唯一的一个，出现在与岩层走向相直交的剖面上；假（视）倾角有无数个，都出现在与岩层走向斜交的剖面上。因此，在绘制方向与岩层走向不相直交的剖面时，该剖面上的岩层倾角需按假（视）倾角数值绘制。

图2-9 岩层产状要素

AOB—走向线；OD—倾斜线；OD′—倾向线；箭头方向为倾向；α—倾角

图2-10 真倾角与视倾角的关系

α—真倾角；β、β′—视倾角；ω—真倾向与视倾向之间的夹角
真、假（视）倾角的关系如图2-10所示。其间的换算关系可用下式表示：
tanβ＝tanαcosω
上述关系式表明，当ω＝0°时，则 cosω＝1，tanβ＝tanα，β＝α，即垂直岩层走向的剖面上出现的岩层的倾角为真倾角；当ω≠0°时，cosω＜1，，则tanβ＜tanα，β＜α，即斜交岩层走向的剖面上出现的岩层视倾角总是小于真倾角；当ω＝90°时，cosω＝0，则β＝0，即平行岩层走向的剖面上出现的岩层视倾角等于0°。
在野外用地质罗盘测量岩层产状，通常只测得倾向、倾角。若所作剖面图与走向线不垂直，则需换算成视倾角，换算的方法除以公式计算外，也可用查表法和用极射赤平投影法（见附篇一）等求出。
（二）岩层产状要素的测定和表示方法
1.岩层产状要素的测定
测量岩层的产状要素，是地质调查中的一项基础工作。只有掌握岩（矿）层在各个地段的产状要素，才能正确认识区内的地质构造特征。测定岩层产状要素，可以在野外直接测定，也可利用其他方式间接测定。
（1）直接测定 用地质罗盘直接在岩层层面上测量其倾向、倾角，测量时要注意选择有代表性又便于实测的层面。
（2）间接测量 在不能直接用地质罗盘测量产状的地方，可根据钻孔资料、地形地质图上的表现特征以及野外的视倾斜值采用作图法或赤平投影法进行间接测量（间接测量产状的方法详见实习教材及附录）。
2.产状要素的表示方式
（1）文字表示法 这种方法多用于野外记录、地质报告以及剖面素描中，一般采用方位角表示，将方位角分为360°，以正北方为0°（360°），通常只记倾向和倾角。如岩层倾向205°，倾角25°，记为205°∠25°；也可以用象限表示法，如岩层的走向为NE30°或SW30°，倾向为SE60°，则可记为SE60°∠30°。
（2）符号表示法 在野外观察点上测得的岩层产状，必须用规定的符号标绘在地质图的相应位置上，如下所示。

构造地质学

（a）水平岩层的产状符号是个“+”字，表示倾角接近0°；（b）倾斜岩层产状的符号，长线表示走向，短线表示倾向，数字为倾角值；（c）直立岩层的产状符号，长线表示岩层走向，箭头指向新岩层一方；（d）倒转岩层的产状，长线段表示岩层走向，箭头所指为倒转后倾向，数字为岩层倾角值。
上述符号要按测量的产状数据认真标绘在图面上的相应位置上，不能视为一般的记号随意标记。

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。]]1-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。

一、实习目的

了解岩层产状要素与其在地形图上出露形态的关系。

二、实习要求

学会在地形地质图上用三点法求岩层产状要素，进一步掌握岩层产状要素的概念。

三、实习内容

(一) 在地形地质图上求岩层产状要素的方法

此法适用于大比例尺地形地质图，而且要求在测定范围内，岩层产状稳定，无小褶皱或断层的干扰。

求解原理: 按产状要素的定义，在图1A 立体透视图中，某砂岩层的上层面与 100 m 和150 m 高的两个水平面相交得Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ两条走向线，沿层面作它们的垂线 AB 即为倾向线; AB与其水平投影 AC 的夹角 α 即为岩层的倾角，CA 方向为倾向。在直角三角形 ABC 中，BC 为两条走向的高差。因此，只要能作出同一层面不同高程的两条相邻平行的走向线，再根据其高程和平距，即可求出岩层在该处的产状要素。其求解步骤如下 (图1B) :

图1 地形地质图求岩层产状示意图

1) 将砂岩层的上层面界线与 100 m 和 150 m 的两条等高线的交点Ⅰ、Ⅰ和Ⅱ、Ⅱ分别相连，得走向线Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。

2) 从 150 m 高程的走向线Ⅱ-Ⅱ上任一点 C 作一垂线与 100 m 高程的走向线Ⅰ-Ⅰ交于 A 点，则 CA 代表倾向。根据两走向线高差50 m，按地质图比例尺取 BC 线段 (如1 cm代表50 m) 得直角三角形 ABC。

3) 用量角器量出∠BAC 即得出岩层倾角 α 值，或按地质图比例尺求出 AC 的长度，已知 BC 为50 m，可由 tanα =BC/AC 求出 α 的度数; 并量出 CA 的方位角，即为岩层的倾向。

注: 岩层的倾向为走向线之间从高到低的方向。

(二) 三点法求岩层产状要素

当岩层产状平缓不能用罗盘准确测定产状时，或者根据钻探得到的层面标高资料求地下岩层产状时，可用三点法。

应用三点法求岩层产状的前提是: ①三点位于同一层面上，但又不在一条直线上; ②三点的方位、相互水平距离和标高 (或高差) 为已知，并且三点相距不太远; ③在三点范围内岩层面平整，产状无变化，无褶皱和断层。

三点法的要点: 从图2A 可以看出，只要在最高点 A 和最低点 C 的连线上，找到与 B 点等高的一点 D，就可以作出走向线 DB，过 C 点或 A 点可以作出与 DB 平行的另一高程的走向线; 根据两走向线各自的高程和距离，可以求出倾向和倾角 (图2B) 。其求解方法如下:

图2 三点法求产状

1. 求等高点

从最低点 C' 作任一辅助线 C' S，根据 A'、C'点间高差及 B'点高程用等比例线段将其等分，在 A' C'线上得出与 B'点等高的 D'点。

2. 求倾向

连 D' B'即为178 m 高的走向线，过 C'点作其平行线，即为160 m 高的走向线，在 D'B'线上取任一点 O 作其垂直线 OF' 即为倾向线，箭头表示倾向，用量角器量其方位角值。

3. 求倾角

根据 B'、C'点间高差，按平面图比例尺取一线段 OE'，连 E' F'，则∠E' F' O 代表倾角 α; 用量角器测量其值。

四、作业

1) 在图3 中，利用间接方法求倾斜岩层产状。

图3 倾斜岩层读图

2) 已知图4 中，钻孔 A 在 50 m 深处打到了上部煤层的顶面，在 450 m 深处打到了下部煤层的底面。钻孔 B 和 C 分别于150 m 和250 m 深处打到了上部煤层的顶面。假设钻孔为铅垂的，煤层为产状稳定的单斜岩层，要求用三点法求上部煤层的产状并勾绘出上部煤层在地表的露界线，然后估算在哪些区域钻孔深度不到 50 m，就可以打到煤层。

图4 三点法求产状练习