《断层力学性质宏观和细观形迹鉴定》创新实验教学

摘要：文章从分析创新实验教学项目《断层力学性质宏观和细观形迹鉴定》实施的具体步骤和方法入手，分别从野外断层力学性质宏观调查、岩矿定向标本采集、岩矿薄片标本的制作和薄片标本细观形迹观察等几个方面谈了项目实施步骤和方法，阐述了教学工程中成功的经验以及其中存在的问题，为该项目的下一步改进和全面实施打下了基础，同时也为类似项目的实施提供了一定的参考。

关键词：断层力学性质；宏观特征；细观特征；创新实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）25-0123-02

一、项目的设立目的

创新教育在我国已经经历了30多年的探索与实践。创新教育就是在教育过程中培养学生的创新精神、创新能力和创新素质的一种教育。石家庄铁道大学重视学生的创新能力训练。近几年，每年都拨出专款，设立大学生创新能力训练的项目。勘察技术与工程专业是石家庄铁道大学于2011年新开设的一门专业，是由岩土工程系和地质工程系负责实施专业教学，其中地质工程系负责该专业的《普通地质学》、《矿物岩石学》、《构造地质学》、《水文地质学》和《工程物探》等五门课程的教学工作。根据教学大纲要求，这五门课程主要包括理论教学和实践教学内容。各门课程自成体系，但各门课程之间缺少在可实施层面的必要沟通，因此该专业的学生缺少综合层面的动手能力训练。为了加强课程之间在理论与实践中的联系，锻炼学生的动手能力，特别是提高勘察技术与工程专业学生综合分析问题、解决问题的能力，笔者申请设立了“断层力学性质宏观和细观形迹鉴定”这一创新项目，吸收了一些勘察技术与工程专业的大学三年级学生，帮助该专业的学生获得进行综合实验的机会和平台。本文的研究目的就是希望该创新实验项目能在此基础上进一步改进，将来可以获得更好的教学效果。

二、项目的实施过程

1.断层野外宏观力学性质调查，地层受构造力作用遵循弹塑性力学的一般原理，断层作为地层受构造力作用的产物，其特征也遵循一般介质材料受力后所表现的破裂、变形等特征，并且这种特征或多或少都会在地表上留下迹象，如地貌标志、构造标志、地层标志、水文地质标志等。如果以上断层特征标志在地表出露较好，那么人们就可以直接利用以上特征进行综合分析，判断出断层的位置以及断层力学的特征。根据野外地质调查理论与实践，断层的观察鉴定顺序是：（1）从远处宏观观察疑似断层区的地形地貌，从地形地貌和地质构造的相关性角度来判断断层存在的可能性；（2）近处观察和测量疑似断层区的地层岩性及其产状，并进行地层层位对比，特别是要充分利用标志地层；（3）近处仔细观察疑似断层破碎带的构造岩特征，特别是注意观察构造岩的空间组合关系；（4）断层存在的其他可能特征。当然以上观察顺序并不是单向的，既有“远观”与“近观”的反复，也有不同标志信息之间的反复。考虑到实践教学的时间限制，为了避免太多的不确定性，笔者选取了井陉县甘陶河右岸的隐凤山疑似断层为研究对象，分别从地形地貌角度、地层岩性对比角度和构造岩特征的角度对断层的存在以及断层的力学性质进行分析和判断。根据现场调查的断层特征，基本确定该断层是受EW向挤压和SN向顺扭联合作用形成的NNE向压性逆断层。因野外地质的复杂性和学生实践水平的不足，在实际操作过程中，教师要在“旁观”学生实践的过程中适时指导并和学生展开一定的现场讨论，以使整个野外操作过程的时间是可控的。

2.断层构造定向标本采集，如上所述，一般情况下，通过野外宏观地质调查，断层的力学性质可被直接识别。但是，如果断层形成时间久远，地表剥蚀严重，地表第四系和植被覆盖厚，或者断层规模宏大，就会造成断层力学性质单靠野外宏观地质调查不易确定的现象。同时，根据断层产生的力学机理，地层在受力产生宏观上能被肉眼识别的断层以及相伴生构造特征之外，也会产生和宏观断层产状一致、力学性质相同的隐微节理，并且这种隐微节理因本身尺度因素而不受或少受地表环境影响往往易于保存。这种隐微节理存在于断层破碎带旁侧相对完整的岩层之中，而且依据其他仪器手段能被鉴定出来。为了进一步确定断层的存在及其力学性质，我们可以在疑似断层破碎带旁侧相对完整的岩体中采集一些定向标本。定向标本可为准确确定切制薄片位置和测量薄片本身的产状提供一定的信息。通过定向岩石薄片显微构造裂隙和显微构造岩的观察，可以获得与隐微裂隙有关的断层的构造几何学、运动学、动力学等多方面的定量地质信息。采集定向标本之前，一般要进行标本的产状信息标定。在标定标本的同时，还要在野外记录本上详细记录标本的用途、编号、采集位置、产状信息，必要时还要附有一定的照片或素描图。从理论和实践的角度来说确定定向标本的采集位置、采集方向和采集数量基本可行，但要在规定的位置和方向上采集一定数量的标本并非易事。考虑到标本采集的方便和安全性，一般会把标本采集的位置尽量确定在相对平坦的位置上，这样方便机械设备、器具和人员的操作和人员安全（采集标本需要大铁锤、橇棍、开石器、切割机、小型发电机等）。

3.断层构造定向标本薄片制作，依据定向标本标示的产状信息，可在室内切制岩石薄片。岩石薄片制作有成熟的规范要求，制作过程具体可分为以下步骤：切样―粗磨―细磨―粘片―粗磨―细磨―精抛，等等。岩石薄片制作质量除了与相关的设备和材料有关外，还与制作人员的经验密切相关。为了保障实验质量和实验安全，我们采用教师试磨，学生观摩，然后再让学生试磨，教师指导的方式进行。

4.断层构造定向标本薄片观察，定向标本细观形迹特征观察、分析，就是在偏光显微镜下观察按要求方向切制的标本薄片中的显微裂隙特征、显微构造岩特征。通过观察显微裂隙特征和显微构造岩特征，根据统计意义上的显微裂隙特征和显微构造岩特征，描述如下：显微裂隙无论在水平切片或是在垂直切片中，都具有明显的舒缓波状特征；水平切片内微裂隙经常密集成带并具有分支再分、尖灭再现特征。显微裂隙中，或在其旁侧常见细小的、被压扁的眼球状岩屑或矿物；有时可石英碎裂形成的沙状构造，它实际上是石英矿物沿“X”型扭裂纹方向破裂而形成。根据以上特征可以推测该定向标本中的显微裂隙为压性断裂面和压性构造岩。观察时应注意以下问题：

（1）在描述@微构造特征时，一定要先明确标本的方向，定向构造岩水平定向切片和垂直断层面定向切片（+b片）内的显微裂隙特征和显微构造岩特征是不同的；（2）断层细观特征本质受宏观构造力的特征控制，但也容易受局部介质不均一性影响，在确定显微构造特征时，标本的数量一定要充足，要具备概率上的代表性，不能以偏概全。

三、项目实施总结

该创新综合实验项目，不论是从实验的方法、步骤，还是实验时间、安全等方面都是可控的、可操作的，而且该综合实验对提高学生的组织能力、动手能力和理论联系实际的能力等都有较大的锻炼和提升。但作为实验问题的本质，断层作为地层受构造作用力的产物，从构造力的级别大小和边界范围等宏观尺度上来说，地层可以看成是均一、连续的、各向同性的地质体，即断层的方向和构造特征完全受构造力的特征控制，而地层岩性等介质属性对断层特征的影响基本可以忽略。但在细观尺度上，微裂隙的特征除了受力的大小和力的性质控制外，还要受到介质特性的影响。所以在实践中很难用少量的标本显微特征去推测断层的宏观特征，只有采集一定数量的定向标本，从观察到的细观特征的统计意义上去推测断层的宏观特征才有实际意义。

参考文献：

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[3]刘瑞，王旬.中国显微构造地质学的回顾[J].地质论评，2002，3（48）：2.

"The Fault Mechanics Properties of Macroscopic and Microscopic Identification Features" of Innovative Experimental Teaching

LIU Xiu-feng，CHEN Xiang-jun

（Department of Geological Engineering，School of Civil Engineering，

Shijiazhuang，Hebei 050043，China）

Abstract：The article analyzes the innovation of experimental teaching project "The Fault Mechanics Properties of Macroscopic and Microscopic Identification Features"，the concrete steps and methods of implementation，respectively from the macro mechanical properties field fault investigation，rock ore oriented specimen collection，the production of thin specimens and thin sections mesoscopic structural observation in the project implementation steps and methods from such aspects as，expounds the successful experience in the teaching project and the existing problems，and to a foundation for further improvement and full implementation of the program，at the same time provide some reference for similar project implementation.

Key words：fault mechanics properties；the macro characteristics；mesoscopic characteristic；innovation experiment