《斷層力學(xué)性質(zhì)宏觀和細(xì)觀形跡鑒定》創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

劉秀峰+陳祥軍

摘要：文章從分析創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目《斷層力學(xué)性質(zhì)宏觀和細(xì)觀形跡鑒定》實(shí)施的具體步驟和方法入手，分別從野外斷層力學(xué)性質(zhì)宏觀調(diào)查、巖礦定向標(biāo)本采集、巖礦薄片標(biāo)本的制作和薄片標(biāo)本細(xì)觀形跡觀察等幾個(gè)方面談了項(xiàng)目實(shí)施步驟和方法，闡述了教學(xué)工程中成功的經(jīng)驗(yàn)以及其中存在的問題，為該項(xiàng)目的下一步改進(jìn)和全面實(shí)施打下了基礎(chǔ)，同時(shí)也為類似項(xiàng)目的實(shí)施提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：斷層力學(xué)性質(zhì)；宏觀特征；細(xì)觀特征；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）25-0123-02

一、項(xiàng)目的設(shè)立目的

創(chuàng)新教育在我國已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的探索與實(shí)踐。創(chuàng)新教育就是在教育過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質(zhì)的一種教育。石家莊鐵道大學(xué)重視學(xué)生的創(chuàng)新能力訓(xùn)練。近幾年，每年都撥出?？睿O(shè)立大學(xué)生創(chuàng)新能力訓(xùn)練的項(xiàng)目?？辈旒夹g(shù)與工程專業(yè)是石家莊鐵道大學(xué)于2011年新開設(shè)的一門專業(yè)，是由巖土工程系和地質(zhì)工程系負(fù)責(zé)實(shí)施專業(yè)教學(xué)，其中地質(zhì)工程系負(fù)責(zé)該專業(yè)的《普通地質(zhì)學(xué)》、《礦物巖石學(xué)》、《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》、《水文地質(zhì)學(xué)》和《工程物探》等五門課程的教學(xué)工作。根據(jù)教學(xué)大綱要求，這五門課程主要包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。各門課程自成體系，但各門課程之間缺少在可實(shí)施層面的必要溝通，因此該專業(yè)的學(xué)生缺少綜合層面的動(dòng)手能力訓(xùn)練。為了加強(qiáng)課程之間在理論與實(shí)踐中的聯(lián)系，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，特別是提高勘察技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力，筆者申請(qǐng)?jiān)O(shè)立了“斷層力學(xué)性質(zhì)宏觀和細(xì)觀形跡鑒定”這一創(chuàng)新項(xiàng)目，吸收了一些勘察技術(shù)與工程專業(yè)的大學(xué)三年級(jí)學(xué)生，幫助該專業(yè)的學(xué)生獲得進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)和平臺(tái)。本文的研究目的就是希望該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，將來可以獲得更好的教學(xué)效果。

二、項(xiàng)目的實(shí)施過程

1.斷層野外宏觀力學(xué)性質(zhì)調(diào)查，地層受構(gòu)造力作用遵循彈塑性力學(xué)的一般原理，斷層作為地層受構(gòu)造力作用的產(chǎn)物，其特征也遵循一般介質(zhì)材料受力后所表現(xiàn)的破裂、變形等特征，并且這種特征或多或少都會(huì)在地表上留下跡象，如地貌標(biāo)志、構(gòu)造標(biāo)志、地層標(biāo)志、水文地質(zhì)標(biāo)志等。如果以上斷層特征標(biāo)志在地表出露較好，那么人們就可以直接利用以上特征進(jìn)行綜合分析，判斷出斷層的位置以及斷層力學(xué)的特征。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查理論與實(shí)踐，斷層的觀察鑒定順序是：（1）從遠(yuǎn)處宏觀觀察疑似斷層區(qū)的地形地貌，從地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造的相關(guān)性角度來判斷斷層存在的可能性；（2）近處觀察和測(cè)量疑似斷層區(qū)的地層巖性及其產(chǎn)狀，并進(jìn)行地層層位對(duì)比，特別是要充分利用標(biāo)志地層；（3）近處仔細(xì)觀察疑似斷層破碎帶的構(gòu)造巖特征，特別是注意觀察構(gòu)造巖的空間組合關(guān)系；（4）斷層存在的其他可能特征。當(dāng)然以上觀察順序并不是單向的，既有“遠(yuǎn)觀”與“近觀”的反復(fù)，也有不同標(biāo)志信息之間的反復(fù)。考慮到實(shí)踐教學(xué)的時(shí)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(duì)象，分別從地形地貌角度、地層巖性對(duì)比角度和構(gòu)造巖特征的角度對(duì)斷層的存在以及斷層的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析和判斷。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)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(lián)合作用形成的NNE向壓性逆斷層。因野外地質(zhì)的復(fù)雜性和學(xué)生實(shí)踐水平的不足，在實(shí)際操作過程中，教師要在“旁觀”學(xué)生實(shí)踐的過程中適時(shí)指導(dǎo)并和學(xué)生展開一定的現(xiàn)場討論，以使整個(gè)野外操作過程的時(shí)間是可控的。

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

3.斷層構(gòu)造定向標(biāo)本薄片制作，依據(jù)定向標(biāo)本標(biāo)示的產(chǎn)狀信息，可在室內(nèi)切制巖石薄片。巖石薄片制作有成熟的規(guī)范要求，制作過程具體可分為以下步驟：切樣—粗磨—細(xì)磨—粘片—粗磨—細(xì)磨—精拋，等等。巖石薄片制作質(zhì)量除了與相關(guān)的設(shè)備和材料有關(guān)外，還與制作人員的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。為了保障實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)安全，我們采用教師試磨，學(xué)生觀摩，然后再讓學(xué)生試磨，教師指導(dǎo)的方式進(jìn)行。

4.斷層構(gòu)造定向標(biāo)本薄片觀察，定向標(biāo)本細(xì)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(biāo)本薄片中的顯微裂隙特征、顯微構(gòu)造巖特征。通過觀察顯微裂隙特征和顯微構(gòu)造巖特征，根據(jù)統(tǒng)計(jì)意義上的顯微裂隙特征和顯微構(gòu)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(nèi)微裂隙經(jīng)常密集成帶并具有分支再分、尖滅再現(xiàn)特征。顯微裂隙中，或在其旁側(cè)常見細(xì)小的、被壓扁的眼球狀巖屑或礦物；有時(shí)可見石英碎裂形成的沙狀構(gòu)造，它實(shí)際上是石英礦物沿“X”型扭裂紋方向破裂而形成。根據(jù)以上特征可以推測(cè)該定向標(biāo)本中的顯微裂隙為壓性斷裂面和壓性構(gòu)造巖。觀察時(shí)應(yīng)注意以下問題：

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

三、項(xiàng)目實(shí)施總結(jié)

該創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不論是從實(shí)驗(yàn)的方法、步驟，還是實(shí)驗(yàn)時(shí)間、安全等方面都是可控的、可操作的，而且該綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生的組織能力、動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力等都有較大的鍛煉和提升。但作為實(shí)驗(yàn)問題的本質(zhì)，斷層作為地層受構(gòu)造作用力的產(chǎn)物，從構(gòu)造力的級(jí)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(xù)的、各向同性的地質(zhì)體，即斷層的方向和構(gòu)造特征完全受構(gòu)造力的特征控制，而地層巖性等介質(zhì)屬性對(duì)斷層特征的影響基本可以忽略。但在細(xì)觀尺度上，微裂隙的特征除了受力的大小和力的性質(zhì)控制外，還要受到介質(zhì)特性的影響。所以在實(shí)踐中很難用少量的標(biāo)本顯微特征去推測(cè)斷層的宏觀特征，只有采集一定數(shù)量的定向標(biāo)本，從觀察到的細(xì)觀特征的統(tǒng)計(jì)意義上去推測(cè)斷層的宏觀特征才有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊德廣.現(xiàn)代高等教育思想探索[M].北京：人民教育出版社，2001.

[2]王好均.顯微構(gòu)造及構(gòu)造巖的研究與應(yīng)用[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，（3）：3.

[3]劉瑞，王旬.中國顯微構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的回顧[J].地質(zhì)論評(píng)，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