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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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7-7 地殼變動造成的各種地質構造現象
原來沉積時是水平或近乎水平的岩層,經過以後的地殼變動,就發生了變形,改變原有的形態,或者發生彎曲,或者發生破裂,在不同的階段,可以造成不同的現象,這些都叫做地質構造現象,最普通的有褶皺、斷層、節理、不整合、劈理等地質構造現象(圖7-7)。專門研究地球的構造和地殼上各種地質構造現象的學科就叫做構造地質學(Structural Geology)。
 
                                                    
 
 
由地殼變動而發生變形所造成的地質構造現象種類很多,這裏祇能把幾種較為重要的提出來說明和討論。
 
褶皺(Fold)
 
岩石受壓縮力或剪力推擠以後,可以發生傾斜或呈波浪形狀的彎曲,這種現象就叫做褶皺或褶曲,如圖7-8。在岩層發生彎曲以後,其岩石中所含的礦物結晶構成可能重新排列,而岩石一經褶曲,就永遠變形,小能再恢復原狀,所以褶皺作用代表一種可塑性的變形,也表示地殼運動有足夠的力量使岩層發生彎曲而超過了他的彈性限度。
 
褶皺的大小幅度不等,最小的只能在顯微鏡下看到,最大的寬度可能達到幾公里以上。褶皺的形狀也變化多端,有的呈狹長形,有的呈短圓形,也有的呈各種不規則形狀。褶皺為隆起的山脈中最常見到的構造現象。如果有很多的褶皺相連在一起,接續出現,這就造成一個褶皺帶(Fold Belt),很多主要山脈的中間都有此現象,見圖7-9。
 

            
 
 
岩層經過褶皺以後,可以向上凸出,也可以向下凹入,於是我們可以把褶皺分成兩大類。一種名背斜層,簡稱背斜(Anticline),構成背斜的岩層向上隆起,兩翼分向相反的方向傾斜,較老的岩層依次在褶皺的彎曲中心出露,就是愈到褶皺的中心,其地層愈老,見圖7-10。另一種叫做向斜層,簡稱向斜(Syncline),其中的岩層向中間凹入,褶皺中的兩翼向同一中心傾斜,較新的地層逐次在褶皺的彎曲中心出露,就是愈到褶皺的中心,其地層愈新。圖7-11及圖7-12表示背斜層和向斜層的構造現象。當只有向上突起或向下凹入的形狀而不能確定地層的老或新時。我們稱這類的構造為背斜狀構造(Antiform)或向斜狀構造(Synform)。

                                                                  


          
 

 
為了研究及分析方便起見我們將一個褶皺的主要部分分為下列各種(見圖7-11):
 
軸脊(Hinge)或稱軸線(Axis) 是把一個褶皺中任何一個地層的彎曲度最大各點連結起來所得到的一條線,或是下面所說誽的軸面和任何一個地層面相交的一條線。軸面(Axial Plane)是盡可能把一個褶皺分成相互對稱兩半的一個面,或者軸
面為包括一褶曲中所有各地層軸線的一個假想面。軸面不一定都是幾何上的平面,多少有些彎曲,所以稱之為Axial Surface或比較更妥當。一個褶皺的翼(Flank;Limb)就是從他的軸面連到相鄰一褶皺面的部分,一個褶皺必定有兩個翼,分居軸面的兩側。通常一翼部常為相鄰兩褶皺所共有,如某一褶皺的右翼即其相鄰一褶皺的左翼。一個褶皺中的最高點可以就是它的軸脊或軸線,也可以不是。褶皺中的最高點名叫褶峰(Crest),其最低點名叫褶谷(Trough)。
 
如果一個褶皺的兩翼的角度大致相等,軸面垂直,這就叫做對稱褶皺(Symmetric Fold)。如果褶皺的兩翼角度不相等,這就叫做不對稱褶皺(Asymmetric Fold),這時褶皺的軸面往往是傾斜而非垂直的,見圖7 -16。
 
褶皺的軸線有時不呈水平而呈傾斜者,即造成傾沒褶皺(Plunge Fold),傾沒褶皺的空間狀態受兩個要素決定:一為傾沒角(Plunge Angle),就是軸線和其水平面投影線間所成的傾角;另一是軸線的傾沒方向,見圖7-13和7-14。
 
             
 
在不傾沒的褶曲中,各岩層的走向大致和軸線平行;但是在傾沒的褶曲中,各岩層都在軸線閉合(Converge)。在背斜層中,地層閉合的方向就是它的傾沒方向;在向斜層中,地層閉合方向和它的傾沒方向相反,如圖7-15和圖7-16。一個褶曲的兩端如果都向下傾沒,就叫做雙傾褶曲(Doubly Plunging Fold)。
 
           


 
除了背斜層和向斜層外,尚有另外幾種較重要的褶皺型式(見圖7-17)如下:

                                                                 
 
構造盆地(Basin) 是一個四週皆向中心傾沒的向斜層,像一個內面向上的碗。
 
倒轉褶皺(Overturned Fold) 褶皺中的軸面傾斜,兩翼向同一方向傾斜,但是傾角必不相等,有一翼傾角超過九十度而成為倒轉翼(Overturned Limb),另一翼為正常翼(Normal Limb)。
 
偃臥褶皺(Recumbent Fold) 為一種倒轉褶皺,其軸面近乎水平,兩翼平臥。

等斜褶皺(Isoclinal Fold) 褶皺中的兩翼幾近互相平行,軸面的傾角或平或直或傾斜均可。
 
單斜層(Monocline) 是兩端都是平緩的地層,但是中間有局部傾斜陡急部分出現,就是地層發生局部的彎曲(Bending)。
 
構造台地(Structural Terrace) 是兩端都是較陡的岩層,中間部分突然平緩,狀如一級台階。
 
穹丘或圓丘構造(Dome) 為一個長和寬相等的背斜層,但是沒有兩翼的分別。所有岩層都由中間最高點向各方向傾斜,好似一個倒置的碗,見圖7-18。
 
                                                                           
 

節理(Joint)
 
地殼的岩層或岩石,在地殼變動或體積漲縮的過程當中,受到張力、壓力、力偶或扭力的作用,會發生斷裂。這些斷裂如果為數眾多,彼此平行,同時沿著斷裂面並未發生過相對運動的,就叫節理。節理不會單獨出現,通常成組發生,具有大致相同的走向與傾斜,叫節理組(Joint Set)。節理面大致是一個平面,但是也有呈彎曲的。節理面有的垂直,有的水平,也有的呈各種不同的傾角或傾向,都和岩層面呈一定角度相交。節理的大小寬深都隨地而有變化,沒有一定的規律。
 
節理在岩層中有的緊密有的疏鬆,相鄰兩節理間的距離有的僅數公分,有的可以寬達數公尺。如果兩組或者兩組以上的節理相交成一定的角度,這就構成了節理系(Joint System),如圖7-19及圖7-20。節理對於石材的採取關係很大,也對山色風景的形成有關。如台灣省台北縣海邊所常見的豆腐岩和野柳所見的奇景,就是砂岩中兩組略相直交的節理發生風化侵蝕作用後所造成的。節理對礦產的開發也有關係,石油和地下水都可以儲存在節理面中間,很多金屬礦脈的造成也是礦液沿著節理面沉積而成的。
     

      


不同的節理組往往在不同的環境下所造成,所以有不同的成因。有的節理是由於上覆岩層受風化侵蝕而消失,因之岩壓降低而岩石由解壓現象向上擴伸所造成,花崗岩或其他岩石中常見的頁狀節理(Sheeting),則多半由此而造成的(見圖6-2),這已經在風化章中討論過。此類節理的延展方向大致和地面平行,節理的間距在近地面處甚緊密,但愈至地下深處則間距愈大。另外一種節理是岩漿冷凝時收縮所造成,玄武岩中常見的柱狀節理(Columnar Jointing)即屬之(見圖7-21),這在火山作用章也已經討論過。有的節理是由於地下岩漿流動時的壓力,向圍岩衝擊時在後者中所造成的裂縫,岩脈常因此而造成。
 

       
 

 
岩層受擠壓形成褶皺時,時常同時也產生節理,所形成的節理或與褶皴旳軸面平行,或者和軸面正交,這類節理叫做張力節理(Tension Joints)。有的節理是由於剪力作用造成一定角度相交的兩個不同方向的節理組,和褶軸面間有一定旳幾何上排列方式,這時節理面多和主應力的方向成斜交,這名叫剪力節理(Shear Joints)。
 
節理的來源,相當複雜,僅簡單的說明如下:
 
(一)來自張力(Tension)的作用。
這是形成節理最主要的方式。所產生的節理,叫張力節理(Tensional Joints)。常由下列的地質變化產生:
 
1. 當岩漿冷卻凝固形成火山岩的時候,在這種情形下所產生的節理,叫冷裂節理(Cooling Joints)。
 
2.當沉積物乾固,水份喪失,體積縮小的時侯。由這種原因所產生的節理,叫乾裂節理(Dessication Joints)。

以上這兩種節理是因為均質的物質裏頭,如果收縮得十分均勻,則所產生的張力斷裂,必會發生在相鄰兩中心點之間的地方,而且各個方向相等。由於每一中心點,都與另外的六個中心為鄰,所以裂縫常會圍成六角的形狀(圖7-22)。這種節理,因為是和岩層的表面垂直,可以把岩石裂成柱狀,故又名為柱狀節理(Columnar Jointing)。
 
                                                

 
3.當岩層發生褶曲,在背斜頂部或向斜底部被拉張的時候產生。
 
可以由上方壓力的移去而產生。一些在深處遭受重壓的岩石,一旦當上力的負荷為侵蝕所逐漸移去,即會因解壓而自然膨脹。不過在水平方向的膨脹,因受四周的岩石所阻,無法進行,但向上方的膨脹,則比較容易,這樣一來,岩石便會上下分離,產生了一組與岩石表面平行的節理,叫解壓破裂(Release Fractures),或稱為床狀構造(Sheet Structure)。這在花崗岩中,最為常見。
 
(二)來自扭力(Torsion)的作用。
岩層發生扭曲的現象時,在接近地面之處,會形成節理,其走向通常與扭軸成45°。扭力產生節理的實驗,可以用圖7-23來表示。
 
                                                                                                   
 
 
(三)來自壓力(Compression)的作用。
這種作用所產生的節理有1.剪力破裂(Shear Fracture),兩壓力的方向相反,但不在一直線上。2.伸長破裂(Extension Fracture),張力的方向相反,且在一直線上。3.解壓破裂(Release Fracture),是由壓力的解除而造成。
 
這類節理具有如下的特點:
1.它不管是發生在山上或是在盆地裏,都和岩石的表面平行。
2.它愈往深的地方,間隔愈大,反之愈接近地面,則間隔愈小。
3.它的潑生,和岩石本來的構造無關,而且可以通過各種原有的構造。
 
這三種節理發生的情形,可由圖7-24的實驗看出。
 
(四)來自力偶(Couple)的作用。
力偶產生節理的情形,有如圖7-25的實驗。A圖為一塊裝置在鐵框中,表面塗有石臘的橡膠。當它受到力偶作用的時候,會產生如B圖情況,石臘表面便可以產生很多有系統的裂隙,而形成這種節理。


      

 
斷層 (Fault) 
 
斷層也是一種屬於破裂性的變形,不過在破裂面兩側的岩層曾沿著裂面發生相對的移動,或是上下移動,或是左右前後移動。斷層有時為一清晰明顯的斷裂破碎面,名叫斷層面(Fault Plane),但通常都成為一個斷層帶(Fault Zone),具有
相當的寬度,斷層帶多由斷層兩側的破碎岩塊和碎土聚積膠結而成,其中有時尚含有若干小斷層,這時候要認識主斷面就比較困難。斷面可以作種種角度的傾斜。在斷面的上方的岩層稱為上盤(Hanging Wall),在斷面的下方的岩層稱為下盤(Foot Wall)。如果斷面垂直,就沒有上下盤的分別。
 
斷層兩側岩層所發生的移動,都是相對的,因為在斷層發生時究竟是上盤的岩層在移動,或者是下盤的岩層在移動,或者上下盤岩層都在活動都已經無法追究。所以主要斷層的分顃是以斷層兩側岩層所發生的相對移動為準,而不是它的絕對移動。根據這種標準,可以把斷層分為三大類,圖7-26即表示不同類型的斷層。
 

                                                                 

 
正斷層(Normal Fault)
這類斷層的上盤沿著斷面對下盤相對作下滑移動,常常代表地殼受到張力後沿著斷面向兩側拉裂所造成的斷面,或是地殼由下向上升起所形成,如圖7-27。正斷層主要是受垂直方向的重力影響所作的運動,在斷層移動後常常可以形成明顯的斷崖(Fault Scarp),大部分的斷面傾角在65至90度之間。正斷層的出現常不成一個單獨的斷面,而往往有一群互相平行的正斷層在同一地區出現。

                                                             
 
 
反斷層(Reverse Fault)
這類斷層的上盤沿著斷面對下盤相對的向上移升,往往是地殼受到兩側壓力推擠所造成的,代表地殼受到側向的擠壓緊縮所造成的斷面(見圖7-28),所以反斷層常和褶曲帶共同出現,也常常可以有極長距離的推移。有人把斷層面的傾角小於45度的反斷層叫做逆斷層(Thrust Fault),有時斷面也可以近於水平,見圖7-29。
 

        
 

 
橫移斷層(Strike-Slip Fault)
這類斷層沿著斷面沒有上下垂直的移動,主要的是沿著斷層面走向發生水平方向的移動,斷面常近於垂直。橫移斷層主要也是由壓力所造成的,可以再分為兩大類:如果斷層左方的斷塊相對向觀測者(他的視線和斷層走向平行)移近過來,這就叫做左移斷層(Left Lateral Fault)。如果斷層右方的斷塊相對向觀測者移近過來,這就叫做右移斷層(Right Lateral Fault)見圖7-26及7-30。
 
                                                                

 
因為橫移斷層主要是水平方向的移動,所以沒有明顯斷崖的造成,在地面上所看到的斷層常是一條直線,其表現都是由地形的不連續指示出來,例如在斷層兩邊有不同的構造現象、岩石種類、或地形表現等。有時道路、圍牆,果樹等也在橫移斷層兩側被切移,這也是斷層發生的證據(圖7-30)。水糸在通過橫移斷層時常會有錯動(Offset)而形成錯動的支流,當河流到達橫移斷層時,常先沿斷層流一短距離,再突然轉折而沿原來坡度向下流,這樣由河流錯動的方向就很容易指出左移或右移的橫移斷層。
 
橫移斷層的斷距常常可以達到數十或數百公里的長度,這類斷層常是要沿斷面經過幾百萬年的移動方始能造成,而不是短時期的一次斷移所形成的。世界上很多出名的大斷層都是橫移斷層,美國加里福尼亞州的聖安得里斯里斯斷層(San 
Andreas Fault)是一個右移斷層,在六千五百萬年內沿斷層的斷距大約移動了六百公里。另外一個著名的橫移斷層是英國蘇恪蘭的大格蘭斷層(Great Glen Fault),是一個左移斷層,移距有一百公里左右,目前已不再活動。
 
除上面所述三種最主要的斷層外,在一般普通地質與構造地質的教科書中,也可按照斷層發生後兩側斷塊的移動和斷面層態的關係來分,這樣也可分為三大類:
 
1.傾移斷層(Dip-Slip Fault) 斷層的移動方向和斷層面的傾向平行,這包括前述的正斷層和反斷層。
 
2.橫移斷層(Strike-Slip Fault) 斷層的移動方向和斷層面的走向平行,包括左移斷層和右移斷層。
 
3.斜移斷層(Oblique-Slip Fault) 斷層的移動方向既不和斷層面的走向平行,又不和其傾向平行,乃和上述斷面的走向及傾向斜交所發生的移動,這類斷層通常不容易看出來。
 
另外還有兩種斷層構造也值得一提,兩者主要都是由兩個正斷層所造成的狹長斷塊。一種是地塹(Graben),乃是一狹長的溝狀低地,是由兩個略相平行的正斷層構成,是中間的狹長地塊由張力向下降落,兩側地塊相對升起,成為略相平行的兩列正斷層斷崖,斷面皆傾向中間斷塊。另一種是地壘(Horst),也是由略為平行的正斷層所造成,但是兩斷層面各向外或相反的方向傾斜,使中間斷裂地塊相對上升,造成狹長的中間地塊的隆起,而兩側地塊則相對的向下降。(圖7-31)。

                                                                   


                                                             

在美國西南部的盆嶺地區(Basin and Range Province),正斷層作用造成了一系列南北走向的地壘和地塹構造,從墨西哥向北延長到愛達荷州(Idaho),由地壘造成的山嶺高達二千到四千公尺。世界上最聞名的地塹構造是非洲大裂谷
(African Rift Valley),由一系列的正斷層所造成,南端從坦桑尼亞的尚培西河(Zambesi River)向北一直延伸到衣索比亞,進入阿法窪地,全長約二千九百公里,寬度為三十至四十五公里。在這個裂谷內,也有岩漿迼成的火山活助。其他如西歐的萊茵(Rhine)河谷和中亞的貝加爾湖(Lake Baikal)都是有名的地塹,在全球的地體構造上極具意義。
 
斷層的存在和位置有時可以有明顯的斷面指示,有時卻不容易直接看到,要依據其他間接的證據來證明。最主要的是斷層兩側岩層構造現象的不連續或脫節 (圖7-27; 7-29),或有地層的重覆或缺失,但是這也可以由下面要討論的不整合作用所造成,必須要詳細研討。在斷層面上常見指示斷層的現象有擦面(Slickenside) (圖7-34),是因斷層移動時兩側岩面摩擦所造成的溝痕細槽。這種斷面稱為摩擦面,可以有無數條平行於斷層移動方向的小槽在斷面上出現。有時斷層上下岩盤相對摩擦可將岩石壓碎,造成斷層角礫岩,其作用強者可以把岩層碎成黏土狀物,名叫斷層泥。有時在斷層尾端的岩層因斷層移動的拖拉而發生彎曲,造成引曳(Drag),其彎曲的方向常常可以指示斷移的方向,這種構造表現多見於軟弱而容易發生可塑性變動的岩層中。
 

                                                                

 
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