構造地質學教學方法探索

鄭求根，吳懷春，劉 豪，辛仁臣

（中國地質大學（北京），北京 100083）

構造地質學是地質學的主要分支學科，是地學類各專業(yè)的基程課程，也是相關地學專業(yè)課進一步學習的基礎，涉及巖石學、地層學、材料力學、理論力學、流變學等眾多的學科，概念多，理論多，研究對象時空變化大，需要有時空想象力[1-3]，而且實踐性很強。構造地質學的內容不能單純靠記憶，更重要的是理解、空間想象和實際應用。不僅僅是要知道自然界中可能出現(xiàn)的構造現(xiàn)象，還要知道這種構造現(xiàn)象是怎樣形成的（形成機制），還要探索可能在什么條件下什么地方出現(xiàn)（預測），不僅要描繪構造形態(tài)（幾何學），還要追尋它的變形軌跡（運動學），不僅要分析其變形的歷史（構造演化），還要探求發(fā)生變形的動力學來源（動力學）。因此，構造地質學是一門學習難度較大的專業(yè)基礎課程。

一、構造地質學教學中存在的問題

由于構造地質學課程內容繁多，知識點龐雜，課時緊張，既有較多的基礎理論，又需要進行大量的實踐，要求培養(yǎng)較強的空間想象能力和實際動手能力，學生們普遍反映這門課程難度大，不好學。有些學生對課程的性質認識有偏差，沒有認識到該課程的重要性，學習動力不足，因而學習興趣不高。有部分同學死記硬背，沒有掌握學習方法，對于時空變化大，情況變化多的研究對象沒有吃透，對于一些重要的概念和理論沒有理解，對于一些基本的技能沒有真正掌握，不能靈活地加以運用。

二、構造地質學的教學方法

構造地質學的研究對象是涉及四維空間中的地質構造，涉及位態(tài)、機制、演化等復雜的時空問題。如何提振學生的學習熱情，并采用清晰易懂的方式把各個地質構造現(xiàn)象解析清楚，引導同學們勤學苦練，對于每位教師而言都是值得思考的問題。

（一）精心準備并講好緒論部分

緒論部分講好了，可以使學生精神為之一振，信心大增，求知欲迅速增強，為學好這門課程開了一個好頭。

作為第一堂課的緒論部分應該講清楚什么是構造，什么是構造地質學，構造地質學與其他學科相比的地位和作用，構造地質學的基礎，構造地質學的難點，構造地質學的研究和學習方法，強調時空觀的培養(yǎng)，闡明構造地質學的理論意義和實際意義，以及構造地質學的指導思想。

構造就是組成地殼的巖石、巖層和巖體在巖石圈中力的作用下發(fā)生變形或變位形成的各種現(xiàn)象[4]，而構造地質學就是研究構造的一門學科。研究的內容包括構造的幾何形態(tài)、組合型式、形成和演化機制，引起構造變形或變位的作用力的方向、方式和性質。研究手段可以分為構造幾何學（重在結構形態(tài)）、構造運動學（重在變形軌跡）、構造動力學（重在動力來源）、構造歷史分析（重在沉積巖、巖漿巖、不整合和構造旋回特征）。因為地質學的一個基本研究內容就對地球物質和結構狀態(tài)的研究，前者是巖石學和地球化學的研究范疇，后者是構造地質學的研究范疇，由此可見構造地質學的重要性。構造地質學、礦物巖石學及古生物地層學是地質學的三大支柱學科。礦物巖石學和古生物地層學是構造地質學研究的基礎，彼此之間必須密切配合，才能使構造地質學在理論方面和生產實踐方面發(fā)揮其獨特的重要作用。構造地質學的難點在于理論與實踐的高度結合，理論性和實踐性都很強，既要有較強的空間觀，又要有較強的時間觀，而且還要將空間思維與時間思維相結合。構造地質學的學習和練習，對于地質工作者需要具備的“地質思維”培養(yǎng)將有很大的幫助，因此需要同學們投入較多的時間進行學習、理解和訓練。講清課程的結構和學習要求，使同學們做到心中有數(shù)，說明動手實踐的重要性，加強時空想象，避免死記硬背。地質構造是構造運動的結果，我們無法直接觀察它們的形成過程，只能通過物理模擬和計算機模擬來再現(xiàn)。構造地質學中實驗數(shù)據(jù)和結果是重要的分析依據(jù)，隨著透射電鏡、高溫高壓設備的引入，從定性到定量，從宏觀的巖石實驗到微觀的模擬礦物變形實驗，從常溫常壓下的實驗到高溫高壓下的實驗，實驗條件有了很大的進步。野外地質調查和地質填圖是研究地質構造的重要手段，在地質制圖過程中會充分利用航空照片和衛(wèi)星照片。地下構造分析需要充分利用地球物理資料和鉆探資料。廣義的構造地質學按研究對象的規(guī)模分為大地構造學、（形態(tài)）構造地質學、顯微構造學和構造物理學。中國地質大學（北京）地質學專業(yè)，以變形構造地質學為專業(yè)基礎課，以大地構造學為專業(yè)主干課，以顯微構造學為專業(yè)選修課[5]。構造地質學的意義在于闡明地質構造空間分布特征和時間發(fā)展規(guī)律，探討構造運動的動力學起源，其實際意義在于運用地質構造的客觀規(guī)律，解決礦產的分布以及水文地質、工程地質和地震地質問題，需要舉出一些生動的實例來說明地質構造與內生礦床密切關系，地質構造對沉積礦產如油氣與煤炭形成和分布的重要影響，地質構造研究對防災減災中的重要作用。

構造地質學中的一些概念和術語是在演變的，比如Tectonics，現(xiàn)在是指大地構造學，而早先的含義包含很廣，大構造和小構造都包含在里面，后來由于工作的需要不同，觀察的方法增多，研究的尺度有大有小，才有了大構造、小構造的分別，Tectonics 才慢慢地被專用于大地構造。構造地質學的指導思想也是在演變的，需要給同學們強調現(xiàn)今的指導思想是活動論，其核心是水平運動為主導，漸進與突變相結合的旋回式發(fā)展。構造的形成和演化是多因、多級、多時、多性的。

（二）現(xiàn)場小實驗具有強烈振撼作用

巖石的抗壓強度遠大于抗張強度，抗剪強度大于抗張強度而小于抗壓強度，前人做了很多實驗得出了這一結論，因此在自然界中張節(jié)理和剪節(jié)理容易產生，而壓節(jié)理很難出現(xiàn)。我們在講授這部分內容時，不妨用教室里現(xiàn)存的粉筆在現(xiàn)場做一個小實驗：取出一支粉筆來，首先用手施以擠壓，盡管使了很大的勁，沒有發(fā)生破裂。然后換一種受力方式，用兩只手在粉筆的兩端輕輕一拉，粉筆就從中間斷裂了，這可以定性地說明材料的抗壓強度遠遠大于抗張強度，這種實驗可以重復，可以再現(xiàn)，成本低廉，但卻給同學們留下了一個深刻印象。

（三）圖示物理模擬實驗結果最有說服力

褶皺的成因機制有縱彎褶皺作用、橫彎褶皺作用，剪切褶皺作用和揉流褶皺作用，縱彎褶皺作用的一個最大的特點就是平行于巖層面的作用力使得受力彎曲的巖層存在一個中和面，中和面上既不拉伸也不壓縮，作用力為零；從中和面向外凸的部位處在拉伸力的作用下，從中和面向內凹的部位處在擠壓力的作用下[6]。為了使同學們理解縱彎褶皺作用存在中和面的事實，我們可以展示一下物理模擬實驗結果的示意圖（圖1）。如圖1（a）所示，如果我們在泥巴模擬實驗的時候，在給試件施力前，在試件的側面有規(guī)律地蓋上圓圈印，當給試件施以平行于層面的作用力后，圓圈的形狀就會發(fā)生變化（圖1（b）），外側的圓圈會變成長軸平行于層面的橢圓，說明外側處在拉伸狀態(tài)，愈往外橢圓愈扁，說明愈往外拉伸力愈大；內側的圓圈會變成長軸垂直于層面的橢圓，說明外側處在擠壓狀態(tài)，愈往內橢圓愈扁，說明愈往內擠壓力愈大。在靠中間的部位，存在一串圓圈的形態(tài)不變的條帶，說明既不拉抻，也不壓縮，這就是中和面的位置（圖1（b））。

圖1 縱彎褶皺模擬實驗試件側面圓圈形狀變化示意圖（b 圖據(jù)Hobbs，1976）

縱彎褶皺中和面的存在，可以解釋很多構造地質現(xiàn)象，比如為什么彎曲巖層的外側變薄，內側變厚，為什么彎曲巖層外側可以形成張節(jié)理、正斷層，而內側可以形成擠壓小褶皺或小型逆斷層，為什么在很多地方的地形特征表現(xiàn)為本來原始位置較高的背斜后來為谷，本來原始位置較低的向斜后來卻為峰，等等。

（四）用手頭的實物展示變形變位規(guī)律具有很好的啟發(fā)作用

比如巖層發(fā)生彎曲時，巖層之間可能會發(fā)生錯動，那么巖層是如何錯動的呢？要講清這個問題，實際上是比較難的，怎么辦呢？我們可以用一本稍微厚一點的書本，使其發(fā)生彎曲，如圖2 所示，雖然書本有一側是裝訂好了的，我們也能看出層與層之間的錯動方向：凸側巖層相對往轉折端方向移動，凹側巖層相對往翼部方向運動這個重要結論。如果忘記了，重新做一下這個實驗就會想起來，理解也會越來越深刻。

圖2 用書本彎曲演示巖層間的相對錯動方向示意圖

（五）對比容易混淆的現(xiàn)象或概念揭示內在聯(lián)系切實可行

我們知道，背斜、向斜是常用的術語，殊不知用錯的機率還很大，原因在于描述褶皺形態(tài)除了背斜、向斜外還有背形和向形。背斜與向斜是根據(jù)組成褶皺核部和翼部地層的相對新老關系來定義的，如果核部的地層較老，翼部的地層較新，即為背斜，如果相反，核部的地層較新，翼部的地層較老，則為向斜。背形與向形是根據(jù)褶皺的形態(tài)來定義的，如果褶皺面上凸式彎曲，則為背形，如果褶皺面下凹式彎曲，則為向形。背斜與背形，向斜與向形雖然感覺上相近，出發(fā)點卻是很不相同，含義相去甚遠，但也有統(tǒng)一在一起的時候，很容易混淆。我們可以用圖3 得到很好的說明，我們可以畫一個大的復式褶皺，這個復式褶皺的一個翼的地層層序是正常的（圖3左上翼），另一個翼的地層層序是倒轉的（圖3 右下翼），可以看出來，在地層層序正常的一翼，背形與背斜、向形與向斜統(tǒng)一在同一個褶皺實體里，在地層層序倒轉的一翼里，背形與向斜、向形與背斜統(tǒng)一在同一個褶皺實體里。也就是說，當我們看到一個背形，不能輕易地說它是一個背斜，因為當?shù)貙訉有虻罐D的時候，背形卻是一個向斜，當我們看到一個向形，不能輕易地說它是一個向斜，因為當?shù)貙訉有虻罐D的時候，向形卻是一個背斜，只有在地層層序正常的前提下，背形才是背斜，向形才是向斜。同學們看到這樣的圖示，聽到這樣的講解，就會恍然大悟，徹底明白這些概念的內涵和用法。

圖3 背形、背斜、向形、向斜解釋示意圖

（六）靈活用好剖面圖、平面圖、立體圖，可能會收到事半功倍的效果

比如講到斷層效應時，我們可以靈活地用好剖面圖和立體圖。

斷層效應問題，不僅是斷裂構造部分最難的，也可以說是構造地質學里最難的內容。原因是各種情況多，紛繁復雜，需要很強的空間想象和邏輯思維能力。當我們的空間想象力還不夠強時，必然要借助剖面圖和立體圖來加以展示，找出規(guī)律，增強想象力。

1.走向斷層的斷層效應用剖面演變圖效果最佳

所謂走向斷層，就是指斷層的走向與巖層的走向近于平行。如圖4-1A 所示，斷層的傾向與巖層傾向相反，圖4-1B 反映發(fā)生正斷，圖4-1C 反映剝蝕夷平后，在地表從左至右數(shù)一數(shù)出現(xiàn)的地層編號，就能直接看出斷層的左側有地層5、6、7 層，過斷層后有6、7、8 層，產生地層重復現(xiàn)象。當斷層的傾向與地層傾向相同，斷層傾角大于地層傾角時（圖4-2A），發(fā)生正斷（圖4-2B），圖4-2C 反映剝蝕夷平之后，在地表上觀察能直接看出斷層作用引起了地層的缺失。當斷層的傾向與巖層傾向相同，斷層傾角小于巖層傾角時（圖4-3A），發(fā)生正斷（圖4-3B），遭受剝蝕夷平后（圖4-3B），從地表觀察，地層又是重復的。以上是走向正斷層引起的斷層效應。

走向逆斷層產生的斷層效應與走向正斷層引起的斷層效應剛好相反，當斷層的傾向與巖層的傾向相反（圖4-4A），發(fā)生逆斷時（圖4-4B），剝蝕夷平后（圖4-4C），能從地表看出來斷層效應是地層的缺失；當斷層的傾向與巖層的傾向相同，斷層的傾角大于巖層的傾角時（圖4-5A），發(fā)生逆斷（圖4-5B），剝蝕夷平后（圖4-5C），從地面上看，發(fā)生了地層的重復現(xiàn)象；當斷層的傾向與巖層的傾向相同，斷層的傾角小于巖層的傾角時（圖4-6A），發(fā)生逆斷（圖4-6B），剝蝕夷平后，從地面上觀察，斷層效應表現(xiàn)為斷層活動引起了地層的缺失。

圖4 走向斷層引起地層重復和缺失剖面示意圖

以上6 種情況，雖然看起來繁雜，但變化是有規(guī)律的（表1），即“相鄰相反”，只要知道了其中的一種斷層效應，其他五種的斷層效應也就知道了。

表1 走向斷層引起的斷層效應統(tǒng)計表

2.傾向斷層的斷層效應用立體圖效果良好

如圖5 所示，立體圖能展示傾向斷層引起的斷層效應。所謂傾向斷層，就是指斷層的走向與巖層的傾向近于平行。平面上發(fā)生平移的斷層，盡管斷層的兩盤并沒有上下相對運動，但給人發(fā)生了正斷或逆斷的錯覺，往巖層下傾方向平移的那一盤在縱剖面上呈現(xiàn)相對上升的假象（圖5-A、B）；發(fā)生正斷或逆斷的斷層，盡管實際上沒有發(fā)生平移，但在平面上出現(xiàn)發(fā)生了平移的假象，上升盤有相對沿巖層下傾方向平移的假象（圖5-C、D）[7]。

圖5 平移和正逆傾向斷層產生斷層效應的立體圖（據(jù)Billings 等，1956，修改）

沿斷層面發(fā)生斜向運動的傾向斷層的斷層效應更加復雜，只有立體圖才能說清楚（圖6）。在傾向斷層的斷面上，當運動跡線（箭頭所示）與地層跡性（虛線所示）平行或重合時，雖然斜向運動既有平移分量，也有傾向上的分量，但觀察到的現(xiàn)象既不反映正斷或逆斷，也不反映發(fā)生了平移，因此形成平面上沒有平移傾向上也沒有正或逆斷的假象（圖6A）[7]。

在傾向斷層的斷面上，如果運動跡線（箭頭所示）的側伏角大于地層跡線（虛線所示）的側伏角時，實際上的下降盤在縱剖面上顯示相對下降，在平面上下降盤顯示出往巖層上傾方向發(fā)生相對錯動，與實際平面上的左旋錯動方向相反（圖6B）[8]。

圖6 斜滑運動傾向斷層的斷層效應立體圖（A 和B 據(jù)Bilings 等，1956，修改；C 據(jù)徐開禮等，1984，修改）

在傾向斷層的斷面上，如果運動跡線（箭頭所示）的側伏角小于地層跡線（虛線所示）的側伏角時，在縱向剖面上下降盤顯示相對上升，與實際的相反，在平面上下降盤顯示出向巖層的下傾方向發(fā)生相對移動，與實際的移動方向一致。

3.力學分析是構造成因機制分析的關鍵

比如拉分盆地是在走滑斷層的彎曲部位或雁列斷層的錯列部分形成的一種特殊類型的盆地，在走滑斷層的彎曲部位的拉分盆地的形成機理如圖7 所示，用兩條大致平行的曲線表示彎曲的走滑斷層，走滑的方向為右旋，在右端的拐彎處由于局部拉伸，拉張沉陷，就會形成拉分盆地，在左端的拐彎部位，由于走滑引起的局部擠壓，形成推隆構造。用這個圖做拉分盆地的形成機理分析，非常清晰明了。

圖7 走滑斷層的彎曲部位形成拉分盆地的力學分析圖

至于在雁列斷層的錯列重疊部分，就要復雜一些，雁列斷層的排列有左列和右列，走滑方向有左旋和右旋，因此組合起來需要分4 種情況：第一種情況是左列左旋（圖8A），在錯列重疊部位，由于走滑作用力在重疊單元邊界可以分解為剪切分力和拉張分力，形成一個剪切拉張的局部環(huán)境，因此形成拉分盆地；第二種情況是左列右旋（圖8B），在錯列重疊部位，由于走滑作用力在重疊單元邊界可以分解為剪切分力和擠壓分力，形成一個剪切擠壓的局部環(huán)境，因此形成推隆構造；第三種情況是右列左旋（圖8C），在錯列重疊部位，由于走滑作用力在重疊單元邊界可以分解為剪切分力和擠壓分力，形成一個剪切擠壓的局部環(huán)境，因此也形成推隆構造；第四種情況是右列右旋（圖8D），在錯列重疊部位，由于走滑作用力在重疊的邊界可以分解為剪切分力和拉張分力，形成一個剪切拉張的局部環(huán)境，因此形成拉分盆地。由此可見，在左列左旋和右列右旋的重疊部位形成拉分盆地，左列右旋和右列左旋的重疊部位形成推隆構造。

圖8 雁列斷層的錯列重疊部位拉分盆地形成的力學機制圖

4.前后內容來回穿插，互相對比，建立聯(lián)系，密切關系，形成體系

比如講力學分析的三個重要內容應力莫爾圓、庫倫-莫爾剪切破裂準則和安德森模式的時候，要注意首先講清楚莫爾圓是怎么通過應力分析和數(shù)學推導得來的，反映某一截面上正應力和剪應力與主應力關系的應力莫爾圓，為什么說明了剪應力最大的截面與最大主應力的方向相交45°或135°，共軛剪裂角理論上應該是45°，而實際的客觀存在卻是小于45°，由此引出庫倫-莫爾剪切破裂準則對這一現(xiàn)象的解釋。讓同學們感覺到“原來如此”。在講后面的安德森模式的時候，又需要回過頭來復習應力莫爾圓和庫倫-莫爾剪切破裂準則，讓同學們的認識更上一個臺階。

比如講橫彎褶皺作用的時候結合著縱彎褶皺作用來講；講節(jié)理的時候，對比著斷層來講；講張節(jié)理特征的時候，對比著剪節(jié)理來講；講逆斷層特征時候，對比著正斷層的特征來講；講轉換斷層時候，對比著走滑斷層來講；講斷層形成的應力狀態(tài)時，密切聯(lián)系斷層兩盤的相對運動與應力莫爾圓和庫倫-莫爾剪切破裂準則來講，并進一步推演不同性質的斷層形成時的動力學背景，等等，密切前后關系，形成完整體系，舉一反三，融會貫通。

三、結束語

構造地質學的教學方法不是一成不變的，需要任課教師在反復的教學實踐中不斷探索，不斷總結、不斷創(chuàng)新，不斷提高。在教學過程中突出學生的主體地位，發(fā)揮任課教師傳授指導和鼓勵的作用，切切實實地從學生位置設身處地地發(fā)掘學生容易理解和接受的授課方式，使得學生既學會了基本理論、基本知識，又掌握了基本技能、基本方法，為今后的學習和工作打下堅實的基礎。