节理是力作用下的产物,根据其形成机制可将节理分为剪节理和张节理两类。
1.剪节理
剪节理是由于剪应力超过岩石的抗剪强度而在岩体中产生的剪破裂面,具有以下主要特征:
(1)剪节理产状较稳定,沿走向和倾向延伸较远。
(2)剪节理较平直光滑,有时具有因剪切滑动而留下的擦痕,当剪节理未被矿物质充填时是闭合的,如被充填,脉宽较为均匀,脉壁较为平直。
(3)发育于砾岩和砂岩等岩石中的剪节理,一般都穿切砾石和砂粒等粒状物体(图5-3)。
图5-3 剪节理直切砾岩中的砾石
(傅昭仁摄,宋姚生素描)
(4)典型的剪节理常常组成共轭X型节理系。这种节理系发育良好时,则将岩石切成菱形或棋盘格状(图5-4)。如果一组节理发育而另一组不太发育时,则形成一组平行延伸的节理。不论是X型节理或一组平行节理,节理往往成等距排列。
图5-4 山东诸城白垩系砂岩中发育的两组共轭剪节理
(5)主剪裂面常常由羽状微裂面组成。羽状微裂面与主剪裂面交角一般为5°~15°,相当于内摩擦角(φ)的一半。图5-5是剪切实验形成的两组羽状剪节理A与B。A组微剪裂面与主剪裂面MN夹角为α(不超过15°),夹角尖端指示本盘剪切错动方向;B组微剪裂面与MN夹角为γ。图56和图57是剪节理的发育实例,图56中只有一组微剪切羽列发育,羽列方向代表主剪裂面,图5-7中有两组微剪切羽列,根据相对位置分左列和右列,各代表一条主剪裂面。
(6)各剪节理尾端变化或连接形式有三种:折尾、菱形结环和分叉(图5-8)。这三种形式均反映了两组共轭剪节理的结合方式。
图5-5 剪切实验形成的两组共轭剪节理
图5-6 剪节理及其微剪切羽列
左图为北京三家店侏罗系砂岩(宋鸿林摄);右图示作用力方式
图5-7 湖北黄陵南部寒武系灰岩中剪节理羽列
(据马宗晋等,1965)
图5-8 剪节理尾端变化的三种形式
(据马宗晋等,1965)
1与2、3与4分别为两组共轭剪节理
X型节理系是节理的最典型形式,两组剪节理的夹角为共轭剪裂角。两组剪节理的交线代表σ2,两组剪节理的夹角平分线分别代表σ1和σ3。X型节理与主应力轴的关系是对节理进行分期、配套、分析应力状态和探求应力场的基础和依据,这种关系分别适用于挤压、引张和剪切状态(图5-9),多年来地质学家几乎总认为X型节理的锐角平分线与σ1一致,即剪裂角小于45°,可是实际观察发现,共轭剪节理的共轭剪裂角常等于甚至大于90°,即剪裂角可等于或大于45°(图5-10)。这里要强调指出的是,在韧性岩石发育地区不应简单地把X型剪节理的锐角平分线方位作为σ1方位或主应变轴C方位,应当观察剪节理的剪切方向来确定其反映的应力方位。
图5-9 共轭剪节理与主应力轴的相互关系
图5-10 湖北均县杨家堡页岩中的共轭剪节理,示共轭剪节理钝交角指向主压应力轴
(宋鸿林摄,杨光荣素描)
在脆性较强的岩层中,发育了垂直层理的张节理
2.张节理
张节理是由于张应力超过岩石的抗张强度而在岩体中产生的张破裂面,具有以下主要特征:
(1)张节理产状不甚稳定,延伸不远,单条节理多短而曲折,一组节理有时呈侧列产出(图5-11)。
(2)张节理面粗糙不平,无擦痕。
(3)在砾岩或砂岩中的张节理常常绕过砾石和粗砂粒,其破裂面凹凸不平。
(4)张节理多开口,常被矿脉充填,脉宽变化较大,脉壁不平直。
(5)张节理有时呈不规则的树枝状,各种网络状,有时也构成一定几何形态,如追踪X型节理的锯齿状张节理,单列或共轭雁列式张节理(图5-12,图5-13),以及放射状或同心圆状的组合形式。
(6)张节理尾端变化或连接形式有树枝状、多级分叉状等(图5-14)。
张节理是在平行于节理面的压应力或垂直于节理面的张应力作用下形成的,因此张节理面的垂线方向代表σ3方向,张节理与应变椭球体的长轴A直交。在上拱作用下形成的张节理,总体常常排列成放射状或同心圆状。在剪切作用下形成的张节理常成雁列状(图5-13)。
上述剪节理和张节理的特征是在一次变形中形成的节理所具有的。如果岩石或岩层经历了多次变形,早期节理的特点在后期变形中常被改造或被破坏。此外,即使在一次变形中,由于各种因素的干扰,也会使节理并不具有上述典型特征。因此,在鉴别节理的力学性质时,首先,必须选取未受后期改造的节理,并且要综合考虑各种特点;其次,不能只依据个别露头上节理的特点,而应对区域内许多测点或露头上多数节理的特点加以分析对比;第三,鉴别节理力学性质时应结合与节理有关的构造和岩石的力学性质全面考虑。
图5-11 湖北古近系砂岩中张节理的侧列现象
(据马宗晋等,1965)
图5-12 右侧是一对共轭剪节理,先剪后张,被方解石脉充填,左侧是追踪两组剪节理而形成的锯齿状张节理
(宋鸿林摄,杨光荣素描)
图5-13 某岩石中沿共轭剪切带形成的两组雁列张节理(A)共轭剪切带中雁列张节理反映的运动方向(B)
图5-14 张节理尾端变化形式
(据马宗晋等,1965)
3.复合成因的节理
由于构造变形作用的递进发展和相应转化,会发生应力的转向和变化,因而常出现一种节理兼具两类力学性质的特征或过渡特征,表现为张剪性等。如图5-15是一条主干节理及其派生节理。以主干节理与派生节理的组合排布上,显示主干节理具右行剪切滑动性质(垂直节理走向观察,对盘岩块向右剪切滑动称为右行;反之为左行)。但是,主干节理中发育的石英纤维晶体却与主干节理壁以约50°相交,该方向恰与张应力作用方向一致。这种现象说明,在剪切滑动过程或其晚期,由于张应力的作用剪裂面被拉开了。再者,派生分支节理中的石英纤维晶体,在分支节理的末端垂直节理壁,而与主干节理汇合部位,与节理壁成60°夹角,这说明分支节理的末端是张性的,与主干节理汇合部位是张剪性的。主干节理实为剪应力与张应力同时作用的产物,应属张剪性节理。有时一条剪节理顺走向转变为一条雁列张节理(图5-16)。
图5-15 北京西山一条张剪性节理
(据宋鸿林)
注意剪节理中纤细石英晶体与主节理壁的交角
图5-16 湖南锡矿山上泥盆统灰岩剪切带中张剪节理的变化
(据万天丰,1988)
注意剪切带中剪节理b沿节理带的走向变为雁列张节理
一些早期形成的剪节理,在后期构造变形中会被改造或叠加,发生先剪后张或先张后剪等节理性质的转化(图5-17)。
图5-17 在南北向挤压下形成的一对共轭剪节理(A),后期沿先形成的一组剪节理形成(B)或(C)形式的张节理