科学网-利用沉积层中的共轭剪面恢复古应力场实例简介-吕洪波的博文

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利用沉积层中的共轭剪面恢复古应力场实例简介

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2026-1-20 10:53

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本篇博文要点：

第一、什么是早期平面X剪节理？有什么特征？

第二、剪节理（shear jointing）这个词汇在国际构造地质学领域已经弃用几十年，为何咱还在使用？如果不用这个词汇，也可直接用“共轭剪面”来代替，这就与国际上的称谓一样了。本文使用“剪节理”无非是强调沿着解理面基本上没有位移而已。

第三、野外如何判别共轭剪面之最大主应力（σ1）方位？为何不用锐夹角包含最大主应力方位的判别准则？道理在哪里？

这些都是多年野外地质实践中的经验总结，往往在教材中看不见。如有不同认识或建议，欢迎在评论区讨论。

前文揭示狼山至少到晚白垩世才开始隆起，此处探讨狼山两侧相关盆地早白垩世沉积层的变形特征以恢复古应力场。首先分析狼山北侧巴音戈壁组中的变形构造，主要依靠砂岩层中发育的早期平面X剪节理（共轭剪面），很好地记录着该沉积层的变形特征。

尽管从1988年开始国际上已经弃用剪节理（shear jointing）这个词汇（Pollard and Aydin, 1988），但笔者认为国内地学界保留的剪节理概念逻辑清晰而且实用，因为无论是张节理还是剪节理，都可以从位移不明显的节理递进变形为位移明显的断层。如果两组共轭剪面一开始形成就直接跳过节理阶段而成为断层，难以理解最初的破裂机制。有人将最初的共轭剪面看作是两组张节理，后来又转变成共轭剪面，这种破裂性质的转变从机理上无法解释，更不符合递进变形的基本规律。本文使用的早期（沉积层褶皱之前）平面X剪节理是指在沉积岩层面上观察到的两组共轭剪面呈X形，均与岩层层面基本垂直。二者的交线代表中间应力轴（σ2），而两组共轭剪面之间的角平分线（与层面平行）分别代表最大主应力轴（σ1）和最小主应力轴（σ3）（见下图）。

巴音戈壁组地质构造测量和古应力场恢复.png

需要说明的是，构造地质学领域目前流行通过断层滑动矢量反演古应力场（如：张进等，2025），但并不意味着利用X共轭剪面恢复古应力场的方法已经过时。国外教材中称其为“共轭断层”（conjugate faults），其构造意义没有变化（如：Davis and Reynolds, 1996）。如果换一种说法，干脆叫共轭剪面（conjugate fractures）就与目前流行的说法一致了。此处用“剪节理”这个词汇无非是强调其没有发生明显的错动或位移罢了。笔者在野外实践中感悟到，利用早期平面X剪节理（或称共轭剪面）恢复沉积岩层褶皱之前的古应力场是最佳方法之一，它简单实用，关键是必须在野外现场判别最大主应力方位。

我们在野外同样采用地质填图的方法，跑遍几乎所有展示变形构造的露头。

很多构造地质学教材或文章中阐述一个判别标准：共轭剪面的锐夹角象限包含最大主应力轴（σ1）。实际上，这种判别思路是错的，因为其模型基于成岩块体在地表常温常压下所做挤压破碎实验的结果。

然而，常见的早期平面X剪节理是沉积层深埋于地下而在成岩过程中形成的，当时的沉积层处于不断压缩变硬的过程之中，其共轭剪面因水平方向挤压收缩必然发生旋转，结果常常是钝角象限包含最大主应力方位（吕洪波，2009）。灵山岛早白垩世滑塌褶皱层中的同沉积布丁构造是共轭剪面形成于成岩阶段的典型例子（吕洪波等，2011，见下图）。

上图是山东灵山岛早白垩世复理石滑塌体中的软沉积物变形构造，处于泥岩中间的薄砂层尚未完全成岩，可以用“半软不硬”描述其状态。在滑塌体重力的作用下（相当于最大主应力方位垂直）产生两组共轭剪面，因滑塌体继续向前蠕动导致一系列砂岩小型块体沿着共轭剪面位移旋转而形成同沉积布丁构造。可见图中红色笔尖所指部位“藕断丝连”，这说明共轭剪面就发生于成岩阶段，只不过这个是剖面X共轭剪面。

幻灯片23.PNG

上、下两图是灵山岛早白垩世复理石砂岩层中发育的早期平面X剪节理（这可不是软沉积物变形构造，而是典型的构造变形）。如果将锐夹角平分线看作最大主应力方位，实际上就与真实的主应力方位（σ1）垂直而导致结果错误。下图中的方位判别才是正确的。

幻灯片25.PNG

下图是山东新汶石炭系砂岩层中发育的早期平面X剪节理，最大主应力方位恰恰在明显的钝角象限（σ1），顺层的缩短导致该方位出现明显的钝头。这就是最好的最大主应力方位判别标志。

巴音戈壁组地质构造测量和古应力场恢复.png

上图中的例子更加明显：白垩纪火山碎屑岩中的早期平面X共轭剪面钝角象限包含最大主应力。

同样的道理，测老庙坳陷巴音戈壁组含砾砂岩中的X共轭剪面就因最大主应力方向的缩短而旋转，以至于在这对象限出现了顶角钝头，其夹角也成了明显的钝角（下图）。此时如果根据锐夹角包含最大主应力方位的认识去恢复古应力场，就会出现明显的矛盾：早期的“挤压方向”与后续的褶皱最大主应力方向垂直，不但不符合递进应变的基本规律，还会得出应力方位“突然转变”的错误结论。有些研究显示某区域古应力场在很短的时段内（如：早白垩世）发生伸展与挤压方向的多次交替转换可能就是使用错误的“锐夹角包含最大主应力轴”判断标准所致。

在确立了最大主应力（σ1）方位后，最简单的方法是利用野外记录本旋转方法进行现场赤平投影而直接获得挤压方位（σ1）：首先将野外记录本贴合于岩层层面上并使其长边与走向线重合，然后将罗盘底部贴合放在笔记本之上并让其长边与认定的σ1方位一致，然后旋转野外记录本至水平状态，此时的罗盘指针读数就是最大主应力方位（注意直线有两个值）。当然，也可根据层面和两组共轭剪面的产状在室内进行赤平投影操作而复原古应力场方位，结果是一致的。就本文野外照片中的实例（见发表论文中图10）而言，野外现场将地层恢复水平后所获得的水平挤压方向为NW—SE。根据野外露头测量结果（冯雪东，2017，表4-1），测老庙坳陷巴音戈壁组褶皱之前的古应力场：最大主应力优势方位为NW—SE方向。