断层是一种分开两种进行相对运动的岩体的岩石破裂面[1]。断层通常出现在地壳活动频繁的区域,并与地震海啸等天灾有关联性。断层通常集体出现[2];他们大小不等,大的断层可纵贯整个岩石圈,水平则可绵延几千千米,但大部分均形成于地壳浅部深约5到10千米的脆性剪切带[3]。明显的断层均需求两侧岩层发生显著的相对位移。

大型的断层通常是板块运动造成地壳活动的结果,无论是两个板块分离、挤压、隐没、相对旋转或是平移都有可能产生断层。断层也有可能不在板块边缘上,例如欧亚板块就是板块内断层发达的地区。断层的产生有可能是因为山体不稳定、岩石因为重力下滑,拉出破裂面,例如破火山口的环状断层。断层偶然是一个单一、清楚的破裂面,但是大多数的情况下都是一组断面的集合,称为断层带。断层带具有相当的长度及宽度,规模巨大的断层带则通常叫做断裂带[2][4]并不是所有具备断层构造的露出都是有活跃活动的断层。如同火山,断层也有分为活动断层及不活动断层。也因为并不是每一个断层都有近期活动的可能,活动断层附近并不一定代表那个地方一定或有比较高几率会发生地震[5]

断层有断层面断层线断层盘三要素。断层面是指岩层受力后发生相对位移的破裂面,通常成呈面状或弧形展布,具有一定的走向、倾向、倾角;断层面有的光滑,有的是擦痕,有的呈波状起伏较粗糙。断层线是指断层面与地面的交线。可直可弯,甚至形成一条宽窄不等、成带状分布的破碎地带。断层磐是指断层面两侧的断块称为断层盘。位于断层面上方的称为上磐,下方的称为下磐;相对上升的一盘称为上升磐,相对下降的一盘称为下降磐[2]。断层错动摩擦可以将岩层磨碎,造成断层角砾岩糜棱岩等岩石,这些断层岩具备高压、低温的变质特性。作用强者甚至将岩石磨成泥状,称为“断层泥”。断层角砾岩或断层泥是断层面所在位置的常见指引。

一般来说,一个地区的断层都具备类似的方向、性质;但如果几个相近的断层活动方式不相同的话,就有机会产生地堑(或裂谷)或地垒。地堑是一系列约略平行的断层造成中间狭长断块下陷、两侧相对升高的沟状段层构造,著名的例子包括东非裂谷中国甘肃。如果中间岩盘突出、两侧相对下降,则称为地垒,如中国泰山。一个地区也有可能同时出现很多地堑和地垒,例如美国中部的山脉盆地区(Basin and Range Province)。[2][6]

和断层相对的概念称为节理。节理是指岩石受到外力而产生破裂面,但是破裂面两侧却未发生相对位移的地质构造。节理一旦发生移动,即可产生断层。[7]

构造分类编辑

分类断层的方法,是依照断层两侧岩体相对位移的方式[8]。在野外,找到一个断层面并不难,但如果需要判断相对位移方向,则须知道岩层受力方向。在野外判断受力方向则较不容易[9];常见的做法是利用两侧岩石摩擦产生的擦痕来判断位移方向[10]

倾向断层编辑

断层滑动方向和倾向(断层面和水平面的夹角)平行的断层称为走向滑移断层。一般分为正断层及逆冲断层。

正断层是岩层因为受张力或是重力的作用而产生拉裂的断层,上盘相对下降,下盘相对上升。由于受张力作用,因此断层面较粗糙,擦痕一般不太发育,产状较陡;其破碎带中常形成棱角明显的断层角砾岩。大规模的正断层活动易造成陷落,形成盆地等下沉构造。例如台北盆地即为沿着西北缘的山脚断层而陷落。[11]

逆冲断层是岩层因为受到挤压的力量而产生的断层。上盘相对上升,下盘相对下降。断层面呈舒缓波状,断层擦痕较发育;断层破碎带中角砾岩常被压扁,棱角不明显;断层面倾角大小不等,大于45°为高角度逆断层或高角度逆冲断层,小于45°为低角度逆断层。一般来说,逆冲断层的长度可达数十千米,是东亚地区最常见的断层型态,例如与集集大地震有关的车笼埔断层即为一例。[11]

下图图左为逆冲断层,图右为正断层,A为上磐,B为下磐,此图为剖面。逆冲断层的倾角(α)通常小于45°,正断层的倾角(β)通常大于65-90,但也存在许多例外。

走滑断层 (平移断层)编辑

 
新疆塔克拉玛干沙漠北部天山山前的北北西向的皮羌断层,是仍在活动的左旋走滑断层,长约70km,宽约50m,对侧的地层水平滑距4km。[12]

走滑断层是岩层受到水平方向的剪切力而产生左右位移的断层。走滑断层两侧的岩层以水平方向相互位移,分类上分为左移断层及右移断层。如果站在断层一侧,向对面看过去,发现对面岩层向右移动,称该断层为右移断层;反之,如果发现对面岩层向左移动,则称为左移断层。[9]

转换断层编辑

转换断层是出现于板块边界的一种断层,尤以洋中脊处的转换断层最为著名。转换断层是一系列巨大、垂直、沿着张裂型板块边界平行排列、把洋中脊走向切割为不同块段的一种大规模水平位移断层;转型断层形成的断裂带通常长达数千千米,宽约100到200千米千米。转换断层在断层作用中无压力也无张力,不造成板块的表面积的增加或消灭,只造成两板块的边界互相滑动擦过而已。具备转换断层的板块边界也被称为板块保守边界。[3][13][14]

斜向断层编辑

假如断层的移动方向既不是水平,也非垂直,而是在断层面上具备水平及垂直分量的移动,则称之为“斜移断层”、“斜滑断层”或是“斜向断层”[15]。有时为了描述斜向断层,科学家会用兼用倾向断层及走滑断层的表示方法,例如称呼一个断层为“具备左移成分的逆冲断层”[9]。斜向断层通常不容易看出来[16],已观测到的数量约占断层总数的三分之一左右[17]

环状断层编辑

环状断层(英语:Ring faults),又称为陷落火山口断层,是一种出现在破火山口内或是火流星撞击点的断层。环状断层是一系列相互重叠的正段层呈环状分布所形成的正段层。环状断层的断层面如果被火成岩侵入,就会形成环状岩脉。环状断层在破火山口崩塌的过程有重要影响:当火山崩塌时,环状断层有机会促成相当厚度的(>30米厚)的地表火山灰山崩,影响范围可超过260千米。环状断层造成的崩塌也有机会造成新的高角度逆冲断层或不整合面的产生。[18][19]

铲形断层编辑

 
红线即为铲形断层

铲形断层(英语:Listric faults),又称为“上凹断层”、“弧形断层”或“犁形断层”,是断层面有弧度的断层。铲形断层之名来自于其形状──因为通常其弧度随着高度递减;有时,铲形断层可能会被整平,成为水平的分层。这张图片展示了一面断层面沿着铲形断层滑落的情况。其中一边断层面已经消失的铲形断层,除了会形成山壁之外,还有可能促使剩下的另一边岩体产生更多的铲形断层。一般来说,铲形断层都只发生在沉积岩中,在其他岩种中之案例非常稀少。铲形断层通常与正断层相仿,少数才会有逆冲断层的特性;目前通行的理论认为,具备正断层和逆冲断层特性的铲形断层在顺序上可能是有相关的──例如,当造山带延伸时,逆冲断层型可能可以被重新活化为正断层型;当大陆边缘的板块活动从被动阶段到活跃阶段时,正断层型又有可能被挤压,变回成逆冲断层型。[20]

铲形断层最早奥地利地质学家爱德华·修斯在其著作《地球的面貌》(德语:Das Antlitz der Erde)中提出。他当时观察法国北部、比利时德国鲁尔煤矿区向上凹曲的断层面,并注意到这种断层的横断面形态类似铲子(希腊语Listron),是以以此命名。多年来,德国在煤矿区工作的地质学家一直采用这一术语;但,尽管如此,“铲形断层”的概念迄今除中欧以外其它地方几乎没有得到承认。[21]

断层的产物编辑

 
蒙古戈壁沙漠中,一个断层将左侧(深灰色)和右侧(浅灰色)的两种不同岩石类型分开,中间可见断层泥。

因为断层具备大规模岩体相互位移的特性,在移动中,会造成极大的压力与剪切力,有机会破坏界面附近的岩石,让他们发生磨碎、变质、甚至重新结晶的作用,产生新的岩石或矿物。虽然断层的特征岩石在实地考察时并不少见,可做为科学家判断断层所在位置的重要依据,但是目前人类对于这些岩时在断层演化上的重要性,却知道得不多。研究断层问题的难点主要在于如何推知数千万年前地层活动的方式、如何处理受多次断层影响的岩石,及如何面对出露风化的问题;在构造地质学上要重建断层带的变形机制和构造历史常常是非常困难而关键的。[22]

断层岩的分类通常根据其胶结程度,分为“胶结类”和“非胶结类”二种。非胶结类的岩石例如从角砾岩和断层泥。胶结类的岩石则通常依据母岩颗粒的破碎程度及细粒基质相对于岩屑和残留粗晶体的含量分类。[22][23]

在断层带中,最常见的胶结类断层产物是角砾状的断层角砾岩。这种角砾岩肇因于是断层移动时两侧岩石的互相摩擦,将岩石剪碎,使骑呈尖角状。断层角砾岩在判断上与周围其他岩石的不同在于,和其他角砾岩一样,断层角砾岩并没有经过流水般运的过程,因此保留尖锐的外型,而不是鹅卵石状。如果在剪碎的过程中,过程更为剧烈的话,会形成断层粉粹岩。断层粉碎岩是经过压碎、磨碎、磨蚀等粉碎作用(Communition)而产生的新岩石,会把通常大小在0.1mm以下的岩石碎片夹在颗粒更小的基质中。断层粉碎岩具备较高内聚力的性质显示这种断层岩是在温度及压力稍高的环境下形成的。[23]

如果磨碎进行得更彻底,会在高压及摩擦后高热的情况下产生,造成断层带岩石碎细砾化。待事态回复到低温低压后,便会形成泥土状的断层泥。干燥的断层泥外观松散,类似泥土。当雨水等外物长期渗入岩层,可能产生化学变化变成黏性很强的黏土,此时断层泥呈黑色带状。[23]

非胶结类肇因于断层强烈的剪动作用所引发的重新结晶。常见的岩种为糜棱岩。糜棱岩因具备发达的平行叶理,因此外观上有明显的片状构造,并常镶嵌一些透镜状晶体。[23]

断层除了造成新种类岩石、矿物的产生,在某些断层区,强烈的断层作用也可能造成岩石磁性的丧失。常见的例子为洋中脊转换断层附近的岩石磁力空白区;断层造成的无磁区通常可达断层面左右各10到30千米左右。[3]

观察断层编辑

 
法国的一处断层。

野外观察编辑

生活中,由于地表多数被绿色植物或房舍掩蔽,因此要找到断层较不容易。最明显的观察方法是研究没有植被的大型垂直岩层出露,如本段附图。基于地质学原理,岩层会有水平叠置、且水平延伸的特性,当发现野外岩壁有一条使两岩层延续的不整合面、脱节或者是地层的重复或缺失,一般即有可能是断层。[9][16]

断层泥也是一种很好的判断方式。在一整块的岩石中,当注意到中间绿色的一条植物生长带特别突出,便极有可能是断层泥的分布地区,可以佐证岩性的观察。[9]

一般野外观察最大的劣势,就是无法观察到在地表上没有出露的盲断层。盲断层是尚未发展至地表,但在地底下已受到应力挤压而产生的断层。因为地质学家无法从地表观察到露头,所以不能确认断层的确切位置。尽管盲断层在地表上可能造成一些例如微隆起、背斜褶曲等的现象,但是因为会与其他原因所产生的隆起和皱褶混淆,因此研究盲断层主要还是只能仰赖本身就具有局限性的科学性仪器测量。盲断层尽管没有发展到地面,但是具备地震引发能力的盲断层,其威力并不一定会比可以地表上发现的断层小;如果盲断层突然引发地震,可能会带给居住在其上的人们意想不到的伤害。[9][24]

科学研究编辑

科学上,研究断层的所在位置对于建筑学地质学矿业工程学等科学有重要意义。常见的方法为利用人工制造地震、研究震波在经过岩体界面的反射、折射、吸收的的震波勘探法;利用两岩体密度不同的重力勘探法;利用两岩体磁力性质不同的电磁勘探法;以及人工在地下制造电流,研究不同电阻岩体界面造成的电流折射的地电勘探法。[9][11]

如果需要直接获得最精准的地下数据,最好的方法是利用钻井或槽沟。地质钻探是指挖一个深井,取出岩芯,进行各种实验。开挖断层槽沟,指的是在断层带上挖一个深槽,约数米,以直接分析断层过去的活动纪录。开挖槽沟是个大工程,通常地质学家在决定开挖之前,都需要进行许多评估,例如上述的震波测勘、地电测勘、以及参考地质图、地形资料、地下水资料等。开挖槽沟的难度也会随着人类活动在该处对地质和地下物质的影响而增加。[9][11]

断层对生活的影响编辑

地质工程学中,断层经常造成岩层之间的不整合面,并可能对隧道地基施工中的土壤和岩体力学性质(强度硬度等)受到影响。施工完成后,如果断层仍然活跃,代表断层面仍然会发生位移,会对于其上的建筑物产生结构性的影响。这种影响,无论是肇因于单一起地震的位移或是长年日月累积的“潜变”(Creep),对于建筑物的损失通常都是不可逆且威力极大,因此,许多国家皆有立法限制在断层地区的房屋建造。[25][26][27][28]

参考资料编辑

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参见编辑