《斷層力學性質宏觀和細觀形跡鑒定》創新實驗教學

劉秀峰+陳祥軍

摘要：文章從分析創新實驗教學項目《斷層力學性質宏觀和細觀形跡鑒定》實施的具體步驟和方法入手，分別從野外斷層力學性質宏觀調查、巖礦定向標本采集、巖礦薄片標本的制作和薄片標本細觀形跡觀察等幾個方面談了項目實施步驟和方法，闡述了教學工程中成功的經驗以及其中存在的問題，為該項目的下一步改進和全面實施打下了基礎，同時也為類似項目的實施提供了一定的參考。

關鍵詞：斷層力學性質；宏觀特征；細觀特征；創新實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）25-0123-02

一、項目的設立目的

創新教育在我國已經經歷了30多年的探索與實踐。創新教育就是在教育過程中培養學生的創新精神、創新能力和創新素質的一種教育。石家莊鐵道大學重視學生的創新能力訓練。近幾年，每年都撥出專款，設立大學生創新能力訓練的項目。勘察技術與工程專業是石家莊鐵道大學于2011年新開設的一門專業，是由巖土工程系和地質工程系負責實施專業教學，其中地質工程系負責該專業的《普通地質學》、《礦物巖石學》、《構造地質學》、《水文地質學》和《工程物探》等五門課程的教學工作。根據教學大綱要求，這五門課程主要包括理論教學和實踐教學內容。各門課程自成體系，但各門課程之間缺少在可實施層面的必要溝通，因此該專業的學生缺少綜合層面的動手能力訓練。為了加強課程之間在理論與實踐中的聯系，鍛煉學生的動手能力，特別是提高勘察技術與工程專業學生綜合分析問題、解決問題的能力，筆者申請設立了“斷層力學性質宏觀和細觀形跡鑒定”這一創新項目，吸收了一些勘察技術與工程專業的大學三年級學生，幫助該專業的學生獲得進行綜合實驗的機會和平臺。本文的研究目的就是希望該創新實驗項目能在此基礎上進一步改進，將來可以獲得更好的教學效果。

二、項目的實施過程

1.斷層野外宏觀力學性質調查，地層受構造力作用遵循彈塑性力學的一般原理，斷層作為地層受構造力作用的產物，其特征也遵循一般介質材料受力后所表現的破裂、變形等特征，并且這種特征或多或少都會在地表上留下跡象，如地貌標志、構造標志、地層標志、水文地質標志等。如果以上斷層特征標志在地表出露較好，那么人們就可以直接利用以上特征進行綜合分析，判斷出斷層的位置以及斷層力學的特征。根據野外地質調查理論與實踐，斷層的觀察鑒定順序是：（1）從遠處宏觀觀察疑似斷層區的地形地貌，從地形地貌和地質構造的相關性角度來判斷斷層存在的可能性；（2）近處觀察和測量疑似斷層區的地層巖性及其產狀，并進行地層層位對比，特別是要充分利用標志地層；（3）近處仔細觀察疑似斷層破碎帶的構造巖特征，特別是注意觀察構造巖的空間組合關系；（4）斷層存在的其他可能特征。當然以上觀察順序并不是單向的，既有“遠觀”與“近觀”的反復，也有不同標志信息之間的反復。考慮到實踐教學的時間限制，為了避免太多的不確定性，筆者選取了井陘縣甘陶河右岸的隱鳳山疑似斷層為研究對象，分別從地形地貌角度、地層巖性對比角度和構造巖特征的角度對斷層的存在以及斷層的力學性質進行分析和判斷。根據現場調查的斷層特征，基本確定該斷層是受EW向擠壓和SN向順扭聯合作用形成的NNE向壓性逆斷層。因野外地質的復雜性和學生實踐水平的不足，在實際操作過程中，教師要在“旁觀”學生實踐的過程中適時指導并和學生展開一定的現場討論，以使整個野外操作過程的時間是可控的。

2.斷層構造定向標本采集，如上所述，一般情況下，通過野外宏觀地質調查，斷層的力學性質可被直接識別。但是，如果斷層形成時間久遠，地表剝蝕嚴重，地表第四系和植被覆蓋厚，或者斷層規模宏大，就會造成斷層力學性質單靠野外宏觀地質調查不易確定的現象。同時，根據斷層產生的力學機理，地層在受力產生宏觀上能被肉眼識別的斷層以及相伴生構造特征之外，也會產生和宏觀斷層產狀一致、力學性質相同的隱微節理，并且這種隱微節理因本身尺度因素而不受或少受地表環境影響往往易于保存。這種隱微節理存在于斷層破碎帶旁側相對完整的巖層之中，而且依據其他儀器手段能被鑒定出來。為了進一步確定斷層的存在及其力學性質，我們可以在疑似斷層破碎帶旁側相對完整的巖體中采集一些定向標本。定向標本可為準確確定切制薄片位置和測量薄片本身的產狀提供一定的信息。通過定向巖石薄片顯微構造裂隙和顯微構造巖的觀察，可以獲得與隱微裂隙有關的斷層的構造幾何學、運動學、動力學等多方面的定量地質信息。采集定向標本之前，一般要進行標本的產狀信息標定。在標定標本的同時，還要在野外記錄本上詳細記錄標本的用途、編號、采集位置、產狀信息，必要時還要附有一定的照片或素描圖。從理論和實踐的角度來說確定定向標本的采集位置、采集方向和采集數量基本可行，但要在規定的位置和方向上采集一定數量的標本并非易事。考慮到標本采集的方便和安全性，一般會把標本采集的位置盡量確定在相對平坦的位置上，這樣方便機械設備、器具和人員的操作和人員安全（采集標本需要大鐵錘、橇棍、開石器、切割機、小型發電機等）。

3.斷層構造定向標本薄片制作，依據定向標本標示的產狀信息，可在室內切制巖石薄片。巖石薄片制作有成熟的規范要求，制作過程具體可分為以下步驟：切樣—粗磨—細磨—粘片—粗磨—細磨—精拋，等等。巖石薄片制作質量除了與相關的設備和材料有關外，還與制作人員的經驗密切相關。為了保障實驗質量和實驗安全，我們采用教師試磨，學生觀摩，然后再讓學生試磨，教師指導的方式進行。

4.斷層構造定向標本薄片觀察，定向標本細觀形跡特征觀察、分析，就是在偏光顯微鏡下觀察按要求方向切制的標本薄片中的顯微裂隙特征、顯微構造巖特征。通過觀察顯微裂隙特征和顯微構造巖特征，根據統計意義上的顯微裂隙特征和顯微構造巖特征，描述如下：顯微裂隙無論在水平切片或是在垂直切片中，都具有明顯的舒緩波狀特征；水平切片內微裂隙經常密集成帶并具有分支再分、尖滅再現特征。顯微裂隙中，或在其旁側常見細小的、被壓扁的眼球狀巖屑或礦物；有時可見石英碎裂形成的沙狀構造，它實際上是石英礦物沿“X”型扭裂紋方向破裂而形成。根據以上特征可以推測該定向標本中的顯微裂隙為壓性斷裂面和壓性構造巖。觀察時應注意以下問題：

（1）在描述顯微構造特征時，一定要先明確標本的方向，定向構造巖水平定向切片和垂直斷層面定向切片（+b片）內的顯微裂隙特征和顯微構造巖特征是不同的；（2）斷層細觀特征本質受宏觀構造力的特征控制，但也容易受局部介質不均一性影響，在確定顯微構造特征時，標本的數量一定要充足，要具備概率上的代表性，不能以偏概全。

三、項目實施總結

該創新綜合實驗項目，不論是從實驗的方法、步驟，還是實驗時間、安全等方面都是可控的、可操作的，而且該綜合實驗對提高學生的組織能力、動手能力和理論聯系實際的能力等都有較大的鍛煉和提升。但作為實驗問題的本質，斷層作為地層受構造作用力的產物，從構造力的級別大小和邊界范圍等宏觀尺度上來說，地層可以看成是均一、連續的、各向同性的地質體，即斷層的方向和構造特征完全受構造力的特征控制，而地層巖性等介質屬性對斷層特征的影響基本可以忽略。但在細觀尺度上，微裂隙的特征除了受力的大小和力的性質控制外，還要受到介質特性的影響。所以在實踐中很難用少量的標本顯微特征去推測斷層的宏觀特征，只有采集一定數量的定向標本，從觀察到的細觀特征的統計意義上去推測斷層的宏觀特征才有實際意義。

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"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