从这一期专栏开始，我将开辟一个全新的合集——“KC地质笔记”。这一合集主要是我在大学四年所上的地质专业课笔记，以及我对这些课堂笔记的个人理解和讨论。

P.S. 写这些专栏最困难的一部分是如何把全英文的笔记准确无误地翻译成中文，尤其是一些专业术语，如有翻译错误轻喷。

那我们开始吧。

壹  地质构造的类型

绝大部分地质构造都可以分成两大类：

• 面状构造（planar structure）：指的是构成平面的一种构造。

• 线状构造（linear structure）：指的是构成线条的一种构造。

1.1 常见的面状构造分为以下几类：

• 沉积岩层（Sedimentary beds）：顾名思义来自于地球三大岩类之沉积岩。沉积岩层一个比较显著的特征是，在岩石露头（rock outcrop）上可以看到由很多大小不一的粒径（grain size）构成的岩层，通常一种粒径构成一层。沉积岩层通常是水平的；如果岩层经历了一些构造过程（tectonic processes），这些岩层可能会倾斜，即tilted sedimentary beds。

典型的沉积岩层横切面例子，大小不一的粒径构成了厚度不一的沉积岩面。（Source: https://mareabravacostarica.com/fr/les-caract%C3%A9ristiques-du-terrain-litragestratification/）

• 断层（Fault）：断层是一种沿破裂面两侧岩石块发生的显著相对位移的构造。如果我们把其中一侧的岩块移除掉，另一侧裸露的岩石面就是断层面。需要注意的是，断层线（fault line/trace）指的是断层面和地面或者裸露岩石截面形成的交线，属于线状构造，而断层本身属于面状构造。

逆冲断层（Thrust fault）的一个典例。理论上我们可以站在裸露的断层面上测量产状。Source: Wikimedia Commons

• 岩脉（Dike）和岩床（Sill）：岩脉是一种分布较为普遍的脉状侵入体，一般火成岩（igneous intrusive）或沉积岩居多；岩脉需要将一些地质构造（比如岩层）切割成不整合状态（unconformable）。而岩床指的是一种侵入在火山熔岩或者沉积岩层之间，或者沿变质岩的叶理（foliation）方向侵入的岩体。区分岩脉和岩床的一个简单方法就是熟悉这两个侵入体相对于被侵入的岩层的方位：岩脉一般会切割岩层，而岩床和被侵入的岩层平行。

岩脉（Dike）和岩床（Sill）。Source: Wikimedia Commons

• 褶皱翼（Fold limbs）：褶皱指的是层状岩石受力后形成的波状弯曲的地质构造。构成褶皱的基本单位是褶皱曲，而褶皱曲的两侧则是褶皱的翼。褶皱在构造地质学中非常重要，我会在后面的文章着重介绍，这里做一个引入。

褶皱。红色的曲线表示褶皱曲，即褶皱的基本单位，这里标注的褶皱曲是背斜（Anticline）；绿色曲线表示褶皱曲两侧的褶皱翼。Source: Wikimedia Commons

• 叶理（Foliation）：常出现于变质岩（metamorphic rocks），这些岩石因为高压发生形变，使得岩石中一些矿物排列组合，呈现板状习性，即弯弯曲曲的片。如下图所示。

片麻岩（Gneiss）是一种具有叶理构造的变质岩。Source：https://www.worldatlas.com/articles/how-are-metamorphic-rocks-formed.html

• 不整合面（Unconformity）：是一层将几种不同年代岩体或地层分隔开，以此表明沉积物堆积出现了时间不连续的面。不整合面在沉积岩层中很常见。假设某个地方在4000万年前（40Ma）按照时间顺序沉积了若干层岩体，用时1000万年沉积10层，即每100万年沉积一层。之后这些岩体因为构造运动被抬升甚至是倾斜，随后并遭受剥蚀损失了几层岩体，导致部分沉积下来的地层被永久抹除。比如这次剥蚀损失了30-32Ma期间沉积的岩层，随后新的一轮沉积开始直到现在。地质学家在考察这一区域的岩层时，从下往上分别测量了每一层的年龄：39Ma, 38Ma, ..., 35Ma, 34Ma, 33Ma, 29Ma, 28Ma, 27Ma,...。33Ma和29Ma形成的沉积岩层之间形成了不整合接触，而不整合接触形成的平面就是不整合面。

角度不整合面（Angular unconformity），以红色曲线表示。Source：Wikimedia Commons

1.2 常见的线状构造分为以下几类：

• 多个面状构造形成的交线：在几何学里，当两个平面以某个角度相交时，相交的一部分是一条直线。在地质构造里面同样如此：比如当断层面和地面或者露头截面（Cross section of outcrop）相交时，我们会得到一条断层线（fault line/fault trace）。大部分情况下，我们能直观看到的“断层”其实是断层线，但是我们会自动将这条线脑补成一个平面。此外，我们在地图上表示的“断层”也是断层线。

正断层（normal fault），红色曲线表示断层线，由断层面和露头的横切面形成。箭头表示走向。Source：Britannica

• 线理（Lineation）：指的是岩石内线性纹理的构造。部分岩石的线理形成于构造变形，而部分岩石的线理形成于成岩期间。

常见的几种线理。Source：https://doi.org/10.1016/S0191-8141(01)00045-1

贰  地质构造产状（Orientations of Geological Structures）

产状的全称是产出的状态，直接理解这个名词很困难，简单来说就是某一个地质构造的空间方位，比如水平沉积的岩层以水平状态产出，倾斜的岩层产状就是倾斜的。

2.1 走向-倾角：面状构造产状要素（Orientations of Planar Structures）

走向（strike）和倾角（dip）示意图。Source: Wikimedia Commons

面状构造的产状通常用“走向-倾角”（strike and dip）确定。

假设我们面对一个倾斜的岩层，我们该如何确定其走向和倾角呢？因为我们已知岩层的产状是倾斜的，所以该岩层的层面一定与任意一个假想水平面相交，其中相交形成的线称走向线（strike line）。根据这个性质我们可以得出如下推论：

推论/Corollary：走向线是同一层面上任意两个等高点的连线。

这个推论在绘制切面图及确定未知岩层的倾角时非常重要。走向线两端延伸的方向称岩层的走向；从中我们可以推出，岩层的走向有两个且互差180°方位角。

以垂直于走向线的方向，沿倾斜的岩层层面向下方所画出的直线称为倾斜线（dip line）。倾斜线的方位角称为倾向（dip direction），而倾斜线和其在这个岩层的假想水平面的水平投影线所形成的夹角称为倾角（dip）。需要注意的是，走向与倾向总是相差90°。

现在我们了解了走向和倾角的定义，接下来我们就可以表示这个岩层的产状了。表示面状构造的产状需要遵循一定的书写规则，即“方位角在前，倾斜角在后”，也是大部分构造地质学教材介绍的产状表示规则。

走向倾角表示法之右手定则。Source: https://doi.org/10.5194/gc-5-29-2022

2.1.1 走向倾角右手定则（Strike and dip right hand rule）

此外，走向有两个方位角，而记录走向只记录一个，因此按照惯例使用右手定则记录走向和倾角，如上图(b)所示：将右手拇指张开，并且闭紧其余四个手指，将四个手指指向平行于倾向的方向，则右手拇指所指的方向就是该岩层的走向。下面是根据右手定则记录的某一岩层的走向和倾角：

S/D = 146°/28°

其中，146°表示岩层走向方位角，28°表示岩层的倾角。后面的“ ° ”符号可以省略。部分教材也会使用象限角表示方位角，比如N30°E，S16°W表示北偏东30°和南偏西16°。需要注意的是，使用象限角时，通常将N或S放前面，而E或W放后面，表示“北偏东”“南偏西”“北偏西”“南偏东”这四个方向。

练习：将上面的走向倾角例子中的146°改写成象限角。此外，将象限角N62°W改写成方位角。

答案：146°表示南偏东象限，偏角为180°-146°=34°，因此为S34°E。N62°W表示北偏西62°，因此方位角是360°-62°=298°。

特别注意：倾角一定是两位数（这是因为一个平面最大的倾角是90°），而方位角一定是三位数，包括占位的0，比如“北偏东45°”的象限角用方位角表示就是045°而不是45°，这样写是为了避免和倾角和象限角混淆。

2.1.2 倾向-倾角（Dip direction - Dip）表示法

部分教材也会使用倾向表示方位角，如下面的例子所示：

D.D./D = 236°/28°

前面提到，倾向和走向形成的夹角为90°，因此我们可以通过DD-D推测出岩层的走向。根据右手定则，我们需要将右手拇指顺时针旋转90°才能和倾向平行，即：

根据这个公式，236°的倾向换算成走向就是236°-90°=146°。

2.1.3 走向-倾角-倾向表示法

此外，我们可能还会遇到下面表示面状构造产状的表示方法：

146°/28°SW

28°倾角后面的SW表示倾斜线的大致方位，即倾向，因此我们可以推断出前面的146°表示的是走向而不是倾向，因为146°位于东轴和南轴构成的象限内。这种表示法可以作为检查是否使用右手定则的辅助手段。

练习：判断下列面状构造产状是否存在并说明理由。

N22°W/45°NW, 335°/92°, S22°E/47°NW, 128°/62°(DD-D)

2.1.4 走向倾角符号

在地质平面图上，走向-倾角通常用一个T形符号表示，其中T的横线比竖线长，长线和走向平行，而短线的方位角与倾向一致，即下坡的方向；短线旁加注的数字为倾角。如下图所示。此外，如果岩层是水平产状，用类似于十字螺丝的标志表示；如果岩层是垂直产状，T形符号的短线需要穿过长线。

走向倾角符号。Source：Wikimedia Commons

2.1.5 视倾角和真倾角（Apparent Dip and True Dip）

视倾角和真倾角的关系。Source：https://doi.org/10.1016/j.petlm.2017.05.001

前面已经提到，倾斜线和其在这个岩层的假想水平面的水平投影线所形成的夹角称为倾角。换句话说，如果我们将倾斜岩层比作一块奶酪，那么倾角就是将这块奶酪垂直于走向线竖直切下时倾斜面和水平面所形成的夹角，如上图角所示，这个角也叫真倾角（true dip）。如果我们不小心斜切了，刀子没有垂直于走向线切下去，那么这把刀子经过的迹线（trace line）和这条迹线在水平面上的投影所形成的夹角也是倾角，但是成为视倾角（apparent dip），如上图角所示。根据上图的几何关系我们可以推断：

推论1/Corollary 1: 任意一个倾斜岩层的真倾角总是大于视倾角。

推论2/Corollary 2: 视倾角指在不垂直岩层的走向线的任何方向上量得的倾角。

如上图所示，已知视倾角和“真倾向——视倾向”的夹角（obliquity angle），或者真倾向（true dip direction）和视倾向（apparent dip direction）的差值，即，那么我们可以通过计算得出这块岩层的真倾角。同时，我们已知和所组成的平面是水平面。因为垂直于走向线，所以即该岩层的真倾角，即。以作为媒介，那么通过三角函数关系，。因为是真倾角的迹线，垂直于走向线，即的平行线，那么我们可以得知在水平面的投影垂直于。因此：

2.2 倾伏向、倾伏角、侧伏角（Trend/plunge direction, plunge, rake）：线状构造产状基本要素

线状构造产状三要素之倾伏向、倾伏角和侧伏角。（Burg, 2020）

倾斜岩层表面通常会有各种各样的线状构造，比如断层面上擦痕面（slickenside）的擦痕，褶皱轴，甚至是矿物生长的线理等，因此了解线状构造的产状同样重要。一般地，我们主要研究在任意平面上的直线产状，如上图所示。

一条直线的产状是其在空间的方位和倾斜程度，其要素包含以下几类：倾伏向（trend）和倾伏角（plunge），这两个要素占主导地位。此外还有一个小要素：侧伏角（rake）。如上图所示，倾斜的岩层上有若干条平行的红色直线，这些直线在水平面上的垂直投影形成的直线所指的方位就是倾伏向，这些投影在水平面上的直线和岩面上的红色直线所形成的夹角就是倾伏角。而倾斜岩层层面的走向线和岩面上的直线所形成的夹角即侧伏角。

2.2.1 直线产状数值表示方法

直线产状的表示方法和面状构造产状的表示方法类似，也遵循“方位在先，倾角在后”的原则，如下面的例子所示：

T/P = 153°/25° 或 T/P = S27°E/25°

其中T表示trend倾伏向，P表示plunge倾伏角。

在地质平面图上，直线的产状用一个长箭头表示，其中箭头所指的方位是倾伏向，箭头旁边的数值表示倾伏角。

叁 测量面状和线状构造的产状

3.1 磁差和指南针校准

指南针是测量方位角（azimuth angle）的一种重要仪器，但是在地质考察时指南针并不是打开直接使用，在使用前我们需要将罗盘上的N-S两极和真子午线对齐。

定义/Definition: 真子午线（true meridian）指的是连接地球南北两极的子午线。磁子午线（magnetic meridian）指的是连接地磁南北两极的子午线。

需要注意，真子午线并不与磁子午线重合。因此一般情况下正北方向和磁北方向并不相同，两个方向相差的角度就是磁偏角（magnetic declination）。如果地磁北位于正北的西侧，磁偏角为负数；如果地磁北位于正北东侧，则磁偏角为正数。我们可以根据所在地的经纬度查询该地的磁偏角，以下是我比较常用的查询网站：

http://www.magnetic-declination.com/

https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/calculators/magcalc.shtml#declination

比如在多大附近某地，其磁偏角就是 10°13'W ± 0°24'，如下图所示。然而在实际使用时我们一般精确到整数度，因此该地用于校准指南针的磁偏角是-10°。

多伦多大学附近某地磁偏角查询结果。Source: NOAA

在地质考察中使用率比较高的指南针是Brunton和Silva这两款（一般同时配备水平仪和倾斜仪），所以接下来的内容我就主要介绍这两款指南针。

3.1.1 Brunton指南针

Brunton指南针的部件介绍（罗盘部分）Source：未知

Brunton指南针的罗盘盘面结构如上图所示。其中：

• A：倾斜仪（clinometer），用于测量倾角。使用时需要将盘面垂直于被测量的斜面。

• B：水平仪（"Bull's eye level"），主要用于测量方位角，因为在测量时需要让罗盘盘面保持水平。

• C：磁针（magnetic needle）。

• D：方位角刻度盘（graduated circle/azimuth scale），用于显示方位角。

• E：倾斜仪刻度盘（clinometer scale），用于显示倾角。

• F：磁针固定装置（lift pin），用于锁定磁针的位置方便使用者读取方位角值。

• G：倾斜仪臂和指示线（clinometer arm）。指南针背后会有一个活动的扳手，搬动它就可以让倾斜仪臂旋转，再读取指示线在倾斜仪刻度盘上的位置即得倾斜角。

• H：磁石。

• J：磁北指示针（index pin），该指针的读数即磁北方位在真北方位系统上的度数。

Brunton指南针整体介绍（https://earthrule.wordpress.com/2015/10/01/the-brunton-type-compass/）

在了解完Brunton指南针的关键结构后我们就可以校准磁偏角了。校准螺丝一般位于指南针长边（指南针完全打开时）的侧面，类似于一字螺丝。校准时用一个足够硬的且没有磁性的片状物旋转校准螺丝，这时整个方位刻度盘会转动。在转动螺丝前我们需要用“东加西减”的方法计算出目标方位角，比如前面提到的多伦多大学附近某地的磁偏角10°W，那么index pin上指示的目标真方位角就是360°-10°=350°，如下图所示；如果是磁偏角是8°E，则index pin上指示的目标真方位角就是000°+10°=008°。校准后的指南针磁针显示的方位角和真方位角一致。

校准后的Brunton类型指南针。Source：自己

3.1.2 Silva指南针

Silva是另一种常用的地质考察指南针，其结构如下图所示。部分型号在罗盘周围会放置一个水平仪，并且在罗盘里面内置一个倾角指针（clinometer arm）配合偏角刻度盘（declination scale，下图3）使用；有些仿制Silva的指南针有两条方位角指针（bearing line），这样就直接避免因为拿反指南针造成的180°读数偏差。

Silva指南针结构名称。Source：https://www.trailhiking.com.au/navigation/anatomy-of-a-compass/

Silva及其类似指南针的校准螺丝位于表盘正面或者背面，校准时使用随赠的小钥匙进行旋转。

校准后的Silva类型指南针。红圈内的磁北指示针指向10°西磁偏角，蓝圈是该指南针的校准螺丝，而绿圈是内置的倾角指针，需要配合declination scale磁偏角表盘一起使用。Source：自己。

3.2 目测物方位角测量（Measuring bearing/azimuth）

假设我的正前方有一块世界计划的神高祭活动的挂牌，如下图所示，那么我该如何确定我正对挂牌右侧瑞希的方位呢？

挂牌右侧的瑞希为此次方位角测量的待测目标。注：挂牌为笔者自购收藏。

3.2.1 Brunton指南针

对于Brunton指南针，首先我们要牢记，使用Brunton指南针测量目标方位角时，可转动的对物觇板long sight arm需要指向被测物体，而镜子一侧则需要靠近自己（即远离被测物体）。换句话说，在瞄准前将罗盘南端指向自己，北端指向目标，否则会出现180°读数偏差。，在瞄准时我们将long sight拨到竖直状态，并直接用单眼透过long sight对准待测目标。对准后调整指南针的姿态，使其水平仪的气泡处于中心位置。如下图所示。

使用Brunton指南针进行精度不太高的目标方位角测量。待测目标处于long sight的中间，如上端红圈所示，同时需要调整指南针姿态使得左下角红圈内的水平仪气泡居中。

在磁针稳定后，按下锁定按钮避免磁针摆动，随后我们就可以读数了。需要注意的是，因为我们将罗盘的北端靠近目标，所以我们在读数时读指北针所指向的方位角度数。如下图所示，磁针北极（指北针）指向283°，即我（观测者）对挂牌上瑞希（目标）的方位角，并在笔记本上记录“Mizuki, az = 283”等字样。需要注意，这种方法一般用于对目标大致方位的确定，会有一些测量误差。

然而，，就需要使用指南针配备的镜子了。下面介绍一种考察中比较常用的一种较高精度方位角测量方法。如下图所示。

镜面法测量被测物体的方位角。Source：Derek Bristol (via YouTube, 2020)

和前面低精度测量法一样，在测量目标方位角时我们始终将long sight arm处于靠近目标的方向，而镜子一面靠近自己。首先我们将可旋转的long sight arm调整到合适的角度，使得我们在向下观察罗盘的时候能通过靠近自己的镜面上同时看到目标和long sight arm。然后将long sight arm顶端的peep sight（对物觇板的小孔）拨到竖直状态。接着将指南针靠近自己的腹部正中央，镜子盖可以贴着腹部，这样可以让自己可以直面向下看到罗盘。此刻我们就可以开始微调自己的姿态，最重要的就是让自己小范围转向，使得待测目标—对物觇板的小孔—镜子上的中线位于同一条直线上。接着调整姿态使得罗盘上的水平仪气泡居中。

如下图所示，其中蓝色的光点是待测目标，此时目标和对物觇板的小孔都位于镜子的中线上，我们就可以在水平仪气泡居中以及磁针稳定的时候按下指针锁定磁针并读数。和前面一样，我们根据磁针北端（指北针）所指的方位角来读数。根据这个方法，笔者测得瑞希的方位角是286°。

Source: Derek Bristol (via YouTube, 2020)

3.2.2 Silva指南针

使用Silva指南针测量目标方位角时，方法和Brunton指南针的基本一致，只是多了一个步骤。当然，在使用前确保index pin指针指向目标而不是自己。在对准目标以及让磁针处于稳定状态（如果有水平仪的话还要让里面的气泡居中）后，我们需要旋转整个罗盘表面使得磁针和磁北指示箭头标志重合，如下图所示。下图中，因为靠近折叠镜的index pin靠近目标，所以读数时以此标线读出目标方位角，即286°。

在了解完基本的方位角测量操作后，我们就可以测量面状和线状构造的产状了。

3.3 产状测量

假设下图中的世界计划公式书是断层面，一歌和miku脚踩的白色斑马线是这个断层面上的一条擦痕线（slickenline）。因此，“世界计划公式书”是一种面状构造，而“白色斑马线”则是线状构造。现测得断层面S/D = 121°/24°，擦痕线T/P = 272°/20°。那么我们是如何测量这两个产状呢？

Source：自己

3.3.1 面状构造产状：走向和倾角

首先我们需要确定面状构造走向的大致方位，一般使用右手法则：

将右手拇指张开，并且闭紧其余四个手指，将四个手指指向平行于倾向的方向，则右手拇指所指的方向就是该岩层的走向。

确定了走向之后，接下来将指南针完全打开至摊开的状态，包括long sight arm。接下来，将整个指南针的长边完全与断层面靠拢，并与走向线平行，且使long sight arm指向走向线的方位（即镜子背对右手定则的走向方位）。随后调整指南针的姿态使得水平仪的气泡居中，并根据指北针的读数确定该平面的走向。如下面两幅图所示。

测量倾斜面状构造的走向时，长边需要与走向线平行，且long sight arm指向右手定则下走向的方位。

调整指南针姿态使得罗盘上的圆形水平仪气泡居中，根据指北针（N磁针）指向的方位角进行走向读数。注：本图拍摄于水平仪气泡即将居中的瞬间。

测量倾斜平面的倾角时，将长边和走向线的垂线平行，并且使长边平面和该平面完全靠拢，如下图所示。

测量倾斜平面的倾角时，将长边和走向线的垂线平行，并且使长边平面和该平面完全靠拢。

接下来，如下图所示，调整指南针背后的旋钮使得倾斜仪刻度盘旋转，并使倾斜仪气泡居中，这时我们就可以根据倾斜仪指针进行读数了，即24°。

调整指南针背后的旋钮使得倾斜仪刻度盘旋转，并使倾斜仪气泡居中。倾斜仪指针对应在倾角刻度盘上的数值就是倾角。

需要注意的是，如果使用Silva系列指南针测量倾斜平面的走向，则比Brunton指南针的操作多两步。第一，在测量前需要确定表盘中线附近的指示针index pin的位置，该指示针需要指向通过右手定则确定的走向方位。第二，在磁针稳定后，手动旋转罗盘使得磁针北端和红色的磁北指示箭头重合。最后根据最初选择的index pin读取罗盘上的方位角。

使用Silva指南针测量倾斜平面的倾角时，比Brunton指南针操作多一步：在将长边靠拢走向线的垂线前，需要将罗盘的东或西指示标志对齐任意一个index pin（下图红圈所示），并使得倾角刻度盘靠近倾斜平面。靠拢倾斜平面后直接读倾角指针（下图蓝圈所示）在倾角刻度盘上的读数，即24°（图中因为手机拍摄角度原因指针指向26°）。

3.3.1 线状构造产状：倾伏向和倾伏角

倾伏向和倾伏角示意图回顾。

测量线状构造倾伏向的方法和测量目标方位角的方法基本一致，但是比后者多了一个至关重要的步骤。根据倾伏向的几何定义，该方位远离倾斜平面，即指向测量者。然而，在测量这条线的方位角时，index pin或者long sight arm指向被测目标（即倾斜面上的待测线状构造），因此我们不可以直接用指北针（N磁针）在方位角刻度盘上的读数作为倾伏向，相反我们需要通过S磁针指向的方位角确定。

测量线状构造倾伏角的方法和测量面状构造倾角方法完全一致，这里不再赘述。

Reference：

https://www.youtube.com/watch?v=mUFi2PNh33c&t=477s

https://www.trailhiking.com.au/navigation/anatomy-of-a-compass/

Wikimedia Commons （各种示意图）

https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-80795-5_14

https://doi.org/10.1016/S0191-8141(01)00045-1