知名大學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)講義第9章褶皺成因分析

1、徐海軍地球科學(xué)學(xué)院第九章 褶皺的成因分析褶皺的形成經(jīng)歷漫長(zhǎng)、復(fù)雜的變形過(guò)程, 它們的形成與內(nèi)在和外在因素有關(guān); 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(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。在不同條件和環(huán)境下, 褶皺的類(lèi)型、形態(tài)、樣式是不同的。根據(jù)褶皺的形成條件、褶皺類(lèi)型及形態(tài)，可將褶皺的形成機(jī)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(cè)向壓力、重力、巖石的力學(xué)性質(zhì)、褶皺層的組合關(guān)系等在褶皺形成中的作用；褶皺的發(fā)育過(guò)程；褶皺內(nèi)部應(yīng)變特征及其它構(gòu)造的內(nèi)在聯(lián)系。褶皺成因分析褶皺形成機(jī)制根據(jù)褶皺過(guò)程中巖層的變形行為，可以劃分為：主動(dòng)褶皺（彎曲褶皺）被

2、動(dòng)褶皺（剪切褶皺）根據(jù)褶皺過(guò)程中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式，可以劃分為：滑動(dòng)褶皺作用流動(dòng)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(guān)主動(dòng)褶皺褶皺的形成是通過(guò)層的力學(xué)性質(zhì)和層理積極地控制著褶皺發(fā)育，又稱(chēng)彎曲褶皺。形成條件：地殼中淺構(gòu)造層次（約10km以?xún)?nèi)）。被動(dòng)褶皺層理的力學(xué)不均一性在褶皺形成過(guò)程不起主導(dǎo)作用，只是被動(dòng)作為變形標(biāo)志，這種褶皺稱(chēng)為被動(dòng)褶皺，它的層理并沒(méi)有發(fā)生真正的彎曲，而褶皺是通過(guò)沿平行剪切面的不均勻剪切而形成的，這種褶皺又稱(chēng)剪切褶皺。形成條件：地殼的下構(gòu)造層次，溫度和壓力增高，各層巖石均顯示很大韌性。巖石間

3、的韌性差異很小，趨向于均一。主動(dòng)褶皺和被動(dòng)褶皺流動(dòng)：是指物質(zhì)的連續(xù)位移（A）。滑動(dòng)：是指物質(zhì)沿著許多一定間隔的不連續(xù)面的位移（B）。流動(dòng)褶皺和滑動(dòng)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(chēng)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(chēng)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(xué)性質(zhì)的差異在褶皺形成過(guò)程中起關(guān)鍵作用。如果巖石在力學(xué)性質(zhì)上是均勻巖石，則產(chǎn)生均勻壓扁；如果巖石力學(xué)性質(zhì)不一致，則：強(qiáng)硬層（能干層）正弦曲線狀彎曲； 軟弱層（非能干層）均勻壓扁。如果兩層巖石力學(xué)性質(zhì)（特別是韌性）差

4、異較小，則兩層巖石受到總體壓扁作用。巖層在受到側(cè)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(dǎo)波長(zhǎng)理論設(shè)有一厚度為d的高粘度（1）強(qiáng)硬層夾于低粘度（2）的軟弱巖層中，使其受側(cè)向擠壓而發(fā)生縱彎作用。式中：d強(qiáng)硬層的厚度，1，2 強(qiáng)硬層和軟弱層的粘度（12）。褶皺主波長(zhǎng)與力的大小無(wú)關(guān)，只與介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。褶皺主波長(zhǎng)與褶皺層厚度d成正比、與強(qiáng)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(zhǎng)就越大?？v彎褶皺的成因機(jī)制單層褶皺的發(fā)育機(jī)制當(dāng)強(qiáng)硬層與介質(zhì)的能干性差大時(shí)，形成腸狀褶皺。當(dāng)強(qiáng)硬層與介質(zhì)的能干性差小時(shí)，形成尖圓褶皺。褶皺層厚度變大，波長(zhǎng)和波幅變小，褶皺越不明顯。

5、不同能干性差的褶皺形態(tài)縱彎褶皺的應(yīng)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(yīng)變分布型式與小型構(gòu)造由于層的切向長(zhǎng)度變化而成的單層彎曲，類(lèi)似于力學(xué)中所講的平板梁的彎曲。因其中有一個(gè)無(wú)應(yīng)變面中和面，故稱(chēng)為中和面褶皺作用。強(qiáng)硬層往往以此方式彎曲。層內(nèi)的應(yīng)變特征為：屬平面應(yīng)變，褶皺軸為中間應(yīng)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(zhǎng)度變化，表現(xiàn)為外弧伸長(zhǎng)，內(nèi)弧縮短。在巖層中部具中和面，各點(diǎn)應(yīng)變橢球體的壓扁面在中和面外側(cè)平行層面排列，在中和面內(nèi)側(cè)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(gòu)造特點(diǎn)巖石韌性很小時(shí)，抗張強(qiáng)度差，發(fā)生

6、脆性破裂，外側(cè)形成張節(jié)理呈正扇形分布；內(nèi)側(cè)形成順層張裂，為脈體充填時(shí)則呈順層張裂脈分布。巖石韌性中等時(shí)，抗剪強(qiáng)度差，形成共軛剪裂。其內(nèi)側(cè)共軛剪裂可發(fā)展為逆沖斷層；外側(cè)共軛剪裂可發(fā)展為頂部地塹。巖石韌性大時(shí)，外側(cè)因拉伸而變薄或形成平行層理的流劈理；內(nèi)側(cè)因擠壓而加厚，可形成正扇形劈理，也可形成次級(jí)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(jié)合不牢的薄的強(qiáng)巖層之間，或多個(gè)薄的強(qiáng)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。彎流褶皺作用：易發(fā)生在韌性高的巖層中，如泥灰?guī)r、頁(yè)巖、鹽巖類(lèi)巖層中。它們的共同應(yīng)變特征是：平面應(yīng)變，褶皺軸為中間應(yīng)變軸；層厚不變，形

7、成IB型平行褶皺，但層內(nèi)無(wú)中和面； 褶皺面為剪切面，相當(dāng)于應(yīng)變橢球體圓切面，無(wú)應(yīng)變；最大應(yīng)變軸方向從兩翼向彎曲的頂部收斂，呈反扇形排列；在轉(zhuǎn)折端處無(wú)剪應(yīng)變，在拐點(diǎn)處應(yīng)變最強(qiáng)。彎滑和彎流褶皺形成的地質(zhì)條件彎滑褶皺中次級(jí)小構(gòu)造特征彎流褶皺中次級(jí)構(gòu)造特征相似褶皺（II型）頂厚褶皺（III型）劈理張節(jié)理強(qiáng)烈壓扁作用對(duì)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(guān)系判斷正常地層和倒轉(zhuǎn)地層；判斷經(jīng)驗(yàn)法則：在正常翼，劈理與層理傾斜一致，劈理傾角比層理的傾角陡，為正常層序，判斷背斜在左側(cè)；在倒轉(zhuǎn)翼，劈理傾向與層理一致，劈理傾角比層理傾角緩，為倒轉(zhuǎn)層序，背斜在右側(cè)。褶皺中劈理與層理關(guān)系的應(yīng)用實(shí)例第二節(jié)橫彎褶

8、皺作用巖層受到與層理面垂直的應(yīng)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(zhì)流動(dòng)：頂薄，翼厚；層間從屬褶皺為反向牽引褶皺，判斷方向：背離轉(zhuǎn)折端方向。底劈構(gòu)造：是一種特殊褶皺，是地下低粘度易流動(dòng)物質(zhì)因浮力自下而上刺穿上覆巖層，引起上覆巖層上拱的構(gòu)造。底劈構(gòu)造是一種鹽丘構(gòu)造、儲(chǔ)油構(gòu)造，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。動(dòng)力學(xué)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(gòu)造同沉積褶皺巖層邊沉積邊形

9、成褶皺。同沉積褶皺特征：兩翼產(chǎn)狀傾角平緩，總體為開(kāi)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(zhì)，向斜中心變細(xì)；伴隨滑塌斷層。橫彎褶皺之二 同沉積褶皺當(dāng)巖漿上升, 侵入圍巖, 使上覆巖層發(fā)生拱曲時(shí), 則可形成巖漿底辟。巖漿侵入穿刺底劈構(gòu)造第三節(jié)其它褶皺作用剪切褶皺又稱(chēng)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。剪切褶皺的基本特征：原始層理（S0）只作為標(biāo)志面，不起任何控制作用，由于差異剪切而產(chǎn)生被動(dòng)彎曲；變形每一點(diǎn)都是平面應(yīng)變；剪切面平行于褶皺軸面；典型的相似褶皺，頂厚翼??；形成于深層次高級(jí)變質(zhì)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(dòng)但受到剪切面限制，便沿剪切面急劇轉(zhuǎn)折，繞相當(dāng)于軸面的膝折面轉(zhuǎn)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(dòng)面形成的褶皺。通常是高溫固體流變褶皺。在深變質(zhì)巖和混合巖或侵入體接觸熱動(dòng)力變質(zhì)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(yīng)用對(duì)褶皺的野外認(rèn)識(shí)與研究是了解褶皺類(lèi)型、分析褶皺成因等的重要步驟，通常包括以下幾個(gè)方面