構造地質學：第9章 褶皺的成因分析

1、地球科學學院,第九章 褶皺的成因分析,褶皺的形成經(jīng)歷漫長、復雜的變形過程, 它們的形成與內(nèi)在和外在因素有關; 褶皺的形成方式與受力狀態(tài)、變形環(huán)境以及巖層巖石力學性質有著密切的關系。 在不同條件和環(huán)境下, 褶皺的類型、形態(tài)、樣式是不同的。根據(jù)褶皺的形成條件、褶皺類型及形態(tài)，可將褶皺的形成機制分為：縱彎褶皺作用、橫彎褶皺作用、剪切褶皺作用、柔流褶皺作用。,褶皺的成因分析: 各種褶皺控制因素，如側向壓力、重力、巖石的力學性質、褶皺層的組合關系等在褶皺形成中的作用； 褶皺的發(fā)育過程； 褶皺內(nèi)部應變特征及其它構造的內(nèi)在聯(lián)系。,褶皺成因分析褶皺形成機制,根據(jù)褶皺過程中巖層的變形行為，可以劃分為： 主動褶皺

2、（彎曲褶皺） 被動褶皺（剪切褶皺） 根據(jù)褶皺過程中物質運動方式，可以劃分為： 滑動褶皺作用 流動褶皺作用 根據(jù)引起褶皺的作用力方式，可以劃分為： 縱彎褶皺作用 橫彎褶皺作用,褶皺的形成方式與其受力狀態(tài)、變形環(huán)境及其巖層的變形行為密切相關,主動褶皺,褶皺的形成是通過層的力學性質和層理積極地控制著褶皺發(fā)育，又稱彎曲褶皺。 形成條件：地殼中淺構造層次（約10km以內(nèi)）。,被動褶皺,層理的力學不均一性在褶皺形成過程不起主導作用，只是被動作為變形標志，這種褶皺稱為被動褶皺，它的層理并沒有發(fā)生真正的彎曲，而褶皺是通過沿平行剪切面的不均勻剪切而形成的，這種褶皺又稱剪切褶皺。 形成條件：地殼的下構造層次，溫度

3、和壓力增高，各層巖石均顯示很大韌性。巖石間的韌性差異很小，趨向于均一。,主動褶皺和被動褶皺,流動：是指物質的連續(xù)位移（A）。 滑動：是指物質沿著許多一定間隔的不連續(xù)面的位移（B）。,流動褶皺和滑動褶皺,縱彎褶皺：是在平行于巖層的水平擠壓作用下，巖層失穩(wěn)而彎曲，稱為縱彎褶皺。（左圖） 橫彎褶皺：是指在垂直于巖層的作用力的作用下使巖層發(fā)生彎曲，稱為橫彎褶皺。 （右圖）,縱彎褶皺和橫彎褶皺,第一節(jié),縱彎褶皺作用,縱彎褶皺形成的前提：巖層層理和巖層間力學性質的差異在褶皺形成過程中起關鍵作用。 如果巖石在力學性質上是均勻巖石，則產(chǎn)生均勻壓扁； 如果巖石力學性質不一致，則：強硬層（能干層）正弦曲線狀彎曲；

4、 軟弱層（非能干層）均勻壓扁。 如果兩層巖石力學性質（特別是韌性）差異較小，則兩層巖石受到總體壓扁作用。,巖層在受到側向的順層擠壓力的作用后發(fā)生褶皺彎曲叫做縱彎褶皺作用,1.1 主導波長理論,設有一厚度為d的高粘度（1）強硬層夾于低粘度（2）的軟弱巖層中，使其受側向擠壓而發(fā)生縱彎作用。 式中：d強硬層的厚度，1，2 強硬層和軟弱層的粘度（12）。 褶皺主波長與力的大小無關，只與介質的力學性質有關。 褶皺主波長與褶皺層厚度d成正比、與強硬層和軟弱層的粘度比的立方根成正比，厚度、粘度比越大，褶皺的波長就越大。,縱彎褶皺的成因機制,單層褶皺的發(fā)育機制,當強硬層與介質的能干性差大時，形成腸狀褶皺。 當

5、強硬層與介質的能干性差小時，形成尖圓褶皺。,褶皺層厚度變大，波長和波幅變小，褶皺越不明顯。,不同能干性差的褶皺形態(tài),縱彎褶皺的應變分布型式可以歸納為兩種模式： 中和面褶皺作用 順層剪切作用 彎流褶皺作用 彎滑褶皺作用,縱彎褶皺的應變分布型式與小型構造,由于層的切向長度變化而成的單層彎曲，類似于力學中所講的平板梁的彎曲。因其中有一個無應變面中和面，故稱為中和面褶皺作用。強硬層往往以此方式彎曲。 層內(nèi)的應變特征為： 屬平面應變，褶皺軸為中間應變軸。 垂直層面厚度不變，形成IB型平行褶皺形態(tài)。 順層發(fā)生長度變化，表現(xiàn)為外弧伸長，內(nèi)弧縮短。在巖層中部具中和面，各點應變橢球體的壓扁面在中和面外側平行層面

6、排列，在中和面內(nèi)側垂直層面成正扇形排列。,1.2 中和面褶皺作用,內(nèi)部伴生的小構造特點 巖石韌性很小時，抗張強度差，發(fā)生脆性破裂，外側形成張節(jié)理呈正扇形分布；內(nèi)側形成順層張裂，為脈體充填時則呈順層張裂脈分布。 巖石韌性中等時，抗剪強度差，形成共軛剪裂。其內(nèi)側共軛剪裂可發(fā)展為逆沖斷層；外側共軛剪裂可發(fā)展為頂部地塹。 巖石韌性大時，外側因拉伸而變薄或形成平行層理的流劈理；內(nèi)側因擠壓而加厚，可形成正扇形劈理，也可形成次級小褶皺。,順層剪切褶皺作用（彎滑褶皺作用和彎流褶皺作用）,彎滑褶皺作用：易發(fā)生在結合不牢的薄的強巖層之間，或多個薄的強巖層之間夾極薄的軟巖層之中，如中薄層砂巖、砂葉巖互層等巖層。 彎

7、流褶皺作用：易發(fā)生在韌性高的巖層中，如泥灰?guī)r、頁巖、鹽巖類巖層中。 它們的共同應變特征是： 平面應變，褶皺軸為中間應變軸； 層厚不變，形成IB型平行褶皺，但層內(nèi)無中和面； 褶皺面為剪切面，相當于應變橢球體圓切面，無應變； 最大應變軸方向從兩翼向彎曲的頂部收斂，呈反扇形排列；在轉折端處無剪應變，在拐點處應變最強。,彎滑和彎流褶皺形成的地質條件,彎滑褶皺中次級小構造特征,彎流褶皺中 次級構造特征 相似褶皺（II型） 頂厚褶皺（III型） 劈理 張節(jié)理,強烈壓扁作用對褶皺的影響,縱彎褶皺中發(fā)育的劈理型式,利用劈理與層理關系判斷正常地層和倒轉地層； 判斷經(jīng)驗法則：在正常翼，劈理與層理傾斜一致，劈理傾角

8、比層理的傾角陡，為正常層序，判斷背斜在左側；在倒轉翼，劈理傾向與層理一致，劈理傾角比層理傾角緩，為倒轉層序，背斜在右側。,褶皺中劈理與層理關系的應用實例,第二節(jié),橫彎褶皺作用,巖層受到與層理面垂直的應力作用而發(fā)生的彎曲。,橫彎褶皺作用,橫彎褶皺的基本特征,作用力方向垂直于層面； 巖層總體處于拉伸狀態(tài)，一般不存在中和面； 褶皺型式為頂薄褶皺（IA）； 層面間物質流動：頂薄，翼厚； 層間從屬褶皺為反向牽引褶皺，判斷方向：背離轉折端方向。,底劈構造：是一種特殊褶皺，是地下低粘度易流動物質因浮力自下而上刺穿上覆巖層，引起上覆巖層上拱的構造。底劈構造是一種鹽丘構造、儲油構造，具有重要的經(jīng)濟價值。 動力學

9、原因是由于巖石密度倒置引起重力不穩(wěn)定性。 石鹽粘度1017Pas，密度2.2g/cm3 巖石粘度10221023Pas，密度2.52.7g/cm3,橫彎褶皺之一 底劈構造,同沉積褶皺巖層邊沉積邊形成褶皺。 同沉積褶皺特征： 兩翼產(chǎn)狀傾角平緩，總體為開闊褶皺； 巖層厚度背斜頂薄，翼部厚；向斜核部厚度大； 背斜頂部沉積物為淺水粗粒物質，向斜中心變細； 伴隨滑塌斷層。,橫彎褶皺之二 同沉積褶皺,當巖漿上升, 侵入圍巖, 使上覆巖層發(fā)生拱曲時, 則可形成巖漿底辟。,巖漿侵入穿刺底劈構造,第三節(jié),其它褶皺作用,剪切褶皺又稱滑褶皺，是巖層沿著一系列與層面交切的密集面發(fā)生不均勻的剪切而形成的褶皺。 剪切褶皺

10、的基本特征： 原始層理（S0）只作為標志面，不起任何控制作用，由于差異剪切而產(chǎn)生被動彎曲； 變形每一點都是平面應變； 剪切面平行于褶皺軸面； 典型的相似褶皺，頂厚翼薄； 形成于深層次高級變質巖系或高韌性巖系（如含鹽巖層）或大型韌性剪切帶中。,剪切褶皺作用,成因上兼具彎滑和剪切作用兩種特征； 形成于巖性均一的脆性薄層巖層或面理化巖層中，如板巖、片巖等 ； 形成方式上，巖層受力作用發(fā)生層間滑動但受到剪切面限制，便沿剪切面急劇轉折，繞相當于軸面的膝折面轉折成膝折帶或形成尖棱狀褶皺。,膝折作用（Kinking）,柔流褶皺是一種固態(tài)流變條件下由粘性流動面形成的褶皺。通常是高溫固體流變褶皺。在深變質巖和混合巖或侵入體接觸熱動力變質帶發(fā)育的褶皺（如湖北大冶鐵山）。,柔流褶皺作用,第四節(jié),褶皺的研究與應用,對褶皺的野外認識與研究是了解褶皺類型、分析褶皺成因等的重要步驟，通常包括以下幾個方面： 確定褶皺