構(gòu)造地質(zhì)學(xué)：第四章褶皺3

1、第一節(jié) 褶皺和褶皺要素第二節(jié) 褶皺的集合形態(tài)及褶皺描述第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合第四節(jié) 褶皺的形成機制 第四章 主要內(nèi)容 褶皺的形成經(jīng)歷了一個漫長、復(fù)雜的變形過程, 它們的形成與多種內(nèi)在的和外在的因素有關(guān); 褶皺的形成方式與受力狀態(tài)、變形環(huán)境、以及巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。在不同的條件和環(huán)境下, 形成的褶皺的類型、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。第四節(jié) 褶皺的形成機制第四節(jié) 褶皺的形成機制 （一）縱彎褶皺作用 1.縱彎褶皺作用的概念: 原始水平狀態(tài)的巖層, 在受到側(cè)向的順層擠壓力的

2、作用后發(fā)生褶皺彎曲叫做縱彎褶皺作用。 （一）縱彎褶皺作用 2. 單層巖層的縱彎褶皺作用: 在結(jié)構(gòu)均一的單層板狀材料面畫上幾排小圓,側(cè)向擠壓使板狀材料褶皺彎曲, 其面的小圓有以下情況: (1) 彎曲層外凸的一側(cè)受到平行于彎曲面的引張而拉伸。 (2) 彎曲層內(nèi)凹的一側(cè)受到擠壓而壓縮。 （一）縱彎褶皺作用 2. 單層巖層的縱彎褶皺作用: (3) 二者之間的一排小圓表現(xiàn)為既無拉伸又無壓縮, 為一中和面。 (4) 中和面以上的張應(yīng)力呈水平方向分布。 (5) 中和面以下的壓應(yīng)力也呈水平方向分布。 （一）縱彎褶皺作用3.單層巖層縱彎褶皺中形成的小構(gòu)造: 在單一巖層受側(cè)向擠壓形成縱彎褶皺時,在巖層的不同部位可

3、形成一系列有規(guī)律分布的小構(gòu)造。 (1) 如果巖層韌性較高, 巖層外凸側(cè)因拉伸而變薄, 內(nèi)凹側(cè)因擠壓壓縮而變厚; （一）縱彎褶皺作用3.單層巖層縱彎褶皺中形成的小構(gòu)造: （2）如果是較脆性的巖層, 在褶皺巖層外凸側(cè)常形成與層面垂直呈扇形排列的楔形張節(jié)理或小型正斷層; 而在褶皺巖層的內(nèi)凹側(cè)因壓縮而形成逆斷層; 若內(nèi)凹側(cè)微層理發(fā)育, 還可形成一系列小型褶皺。 （一）縱彎褶皺作用4.彎滑作用: 沉積巖層是由許多單一巖層疊置組合而成的, 當(dāng)一套層狀巖層受到側(cè)向擠壓而發(fā)生縱彎褶皺時, 層面在形成褶皺的過程中起著重要的作用, 并以彎滑作用方式、彎流作用方式形成縱彎褶皺。 彎滑作用指一系列巖層在側(cè)向擠壓作用中

4、通過層間滑動而發(fā)生彎曲成為褶皺的作用。 （一）縱彎褶皺作用彎滑作用具有以下特點: (1) 在發(fā)生縱彎褶皺的一套巖層中, 各單層有各自的中和面, 而整個褶皺沒有中和面。各相鄰褶皺面保持平行關(guān)系, 各單層的真厚度在褶皺的各部位基本一致。因而縱彎引起的彎滑作用往往形成平行褶皺, 也即IB型褶皺。 （一）縱彎褶皺作用彎滑作用具有以下特點: (2) 縱彎褶皺作用引起的層間滑動是有規(guī)律的, 背斜中各相鄰的上層向背斜轉(zhuǎn)折端滑動, 而各相鄰的下層則向相反方向即向相鄰的向斜的轉(zhuǎn)折端滑動。由于層間的這種差異剪切滑動作用,在強硬巖層的翼部可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)剪節(jié)理和同心節(jié)理。 （一）縱彎褶皺作用彎滑作用具有以下特點: (3)

5、 由于層間滑動產(chǎn)生的上下巖層之間的摩擦, 可在層面上形成層面擦痕,這些線狀擦痕的延伸方向與褶皺的樞紐延伸方向垂直。 （一）縱彎褶皺作用彎滑作用具有以下特點: (4) 由于兩翼巖層的層間相對滑動, 往往在褶皺的轉(zhuǎn)折端形成空隙空間,造成虛脫現(xiàn)象,這些虛脫空間若后來被成礦物質(zhì)充填, 則可以形成鞍狀的礦床或礦體。 （一）縱彎褶皺作用 （一）縱彎褶皺作用彎滑作用具有以下特點: (5) 在兩個強硬巖層之間夾有層理發(fā)育的韌性巖層的條件下, 巖層發(fā)生縱彎褶皺作用時, 則會在層間滑動的剪切力偶的作用下, 在韌性的薄巖層中會產(chǎn)生層間小褶皺。位于主褶皺翼部的這些層間小褶皺為不對稱褶皺, 層間小褶皺的軸面與它們上、下

6、相鄰的強硬巖層面所夾銳角的方向, 指示其相鄰巖層的相對滑動方向。 （一）縱彎褶皺作用5.彎流作用: 是指縱彎褶皺作用使巖層發(fā)生彎曲變形時, 巖層間不僅發(fā)生層間滑動, 而且某些巖層的內(nèi)部還出現(xiàn)物質(zhì)流動現(xiàn)象; 上下巖層面對褶皺層內(nèi)物質(zhì)的流動起著控制作用。 （一）縱彎褶皺作用彎流作用主要變形特征是: (1) 層內(nèi)物質(zhì)的流動方向, 是從翼部流向轉(zhuǎn)折端, 并導(dǎo)致在褶皺轉(zhuǎn)折端部位巖層厚度有不同程度的增加, 而褶皺翼部的巖層厚度則相對減薄, 從而形成II類的相似褶皺或III類的頂厚褶皺。 （一）縱彎褶皺作用彎流作用主要變形特征是: (2) 當(dāng)軟巖層與硬巖層互層, 受到順層擠壓時, 硬巖層難以發(fā)生流動, 仍形

7、成IB型平行褶皺;而軟巖層容易發(fā)生流動并去充填由于層間滑動形成的虛脫空間, 從而形成與硬巖層褶皺形態(tài)不同的頂厚褶皺。 （一）縱彎褶皺作用彎流作用主要變形特征是: (3) 當(dāng)硬巖層中夾有一大套層理發(fā)育并相對容易流動的韌性巖層時, 物質(zhì)的流動并不順其微層理發(fā)生層間差異流動, 而是在主褶皺的翼部和轉(zhuǎn)折端形成從屬褶皺, 這些從屬褶皺顯示了層內(nèi)物質(zhì)向轉(zhuǎn)折端流動的特征。 （一）縱彎褶皺作用彎流作用主要變形特征是: (4) 在側(cè)向擠壓力作用下, 軟巖層發(fā)生強烈層內(nèi)流動, 可產(chǎn)生線理、劈理(兼有變質(zhì)作用)等小構(gòu)造; 如果軟巖層中夾有脆性的薄層, 還可形成構(gòu)造透鏡體。第四節(jié) 褶皺的形成機制 （二） 橫彎褶皺作用

8、: 1.橫彎褶皺作用的概念: 巖層受到與層面垂直的外力作用而發(fā)生彎曲形成的褶皺叫做橫彎褶皺作用。 這類褶皺主要是由于地殼的差異升降運動、巖漿及巖鹽底辟作用以及同沉積作用所造成的, 與縱彎褶皺作用所形成的褶皺相比, 橫彎褶皺作用所形成的褶皺是次要的。（二） 橫彎褶皺作用 2. 橫彎褶皺作用的特點: (1) 橫彎褶皺的巖層整體處于拉伸狀態(tài), 一般不存在中和面, 其應(yīng)力軌跡線圖與縱彎褶皺的應(yīng)力軌跡線圖逥然不同。（二） 橫彎褶皺作用 2. 橫彎褶皺作用的特點: (2) 橫彎褶皺作用往往形成IA型的頂薄褶皺, 尤其是巖漿侵入或高韌性的巖體上拱造成的穹隆構(gòu)造更是如此; 在這種情況下, 褶皺頂部巖層不僅拉伸

9、而變薄,而且還可能造成放射狀斷層或同心圓狀環(huán)形斷層; 這些斷層若后來被成礦熱液充填, 就會形成放射狀或同心圓狀礦體。（二） 橫彎褶皺作用 2. 橫彎褶皺作用的特點: (3) 橫彎褶皺作用引起的彎流作用是使巖層物質(zhì)從褶皺彎曲的頂部向翼部流動, 從而形成頂部巖層薄, 翼部巖層相對較厚的頂薄褶皺。這與縱彎褶皺層間物質(zhì)從翼部流向轉(zhuǎn)折端的流動方向是剛好相反（二） 橫彎褶皺作用 2. 橫彎褶皺作用的特點: (4) 在橫彎褶皺作用形成的背斜中, 韌性巖層在翼部由于重力作用或?qū)娱g差異流動, 在翼部可形成一些層間褶皺, 這些層間褶皺的軸面與主褶皺的銳夾角方向指向兩翼巖層的傾斜方向, 表明巖層上層面相對于相鄰下層

10、面向背離背斜轉(zhuǎn)折端的方向位移, 這與縱彎褶皺中背斜內(nèi)層間褶皺指示主褶皺的各相鄰上層向背斜轉(zhuǎn)折端滑動的滑動方向剛好相反。第四節(jié) 褶皺的形成機制（三）剪切褶皺作用: 1.剪切褶皺作用的概念: 巖層沿著一系列與巖層不平行的密集劈理面(破裂面)發(fā)生差異滑動而形成褶皺的作用叫做剪切褶皺作用。剪切褶皺作用又稱滑褶皺作用。在這種褶皺作用中原始的巖層面已經(jīng)不起控制作用, 而只是作為滑動結(jié)果的標(biāo)志或參照系。（三）剪切褶皺作用2. 剪切褶皺作用的主要特點: (1) 在橫剖面上平行軸面(也就是劈理面或滑動面)方向所量得的褶皺不同部位的層的“厚度” 基本是相等的,所以,剪切褶皺的典型型式是相似褶皺。（三）剪切褶皺作用

11、2. 剪切褶皺作用的主要特點: (2) 剪切褶皺作用所形成的褶皺并非巖層面真正發(fā)生了彎曲變形, 而是層面沿密集的平行劈理或片理面發(fā)生差異滑動而顯現(xiàn)出彎曲的外貌。（三）剪切褶皺作用2. 剪切褶皺作用的主要特點: （3）在變質(zhì)巖中劈理和片理特別發(fā)育, 因此, 剪切褶皺作用多發(fā)生在變質(zhì)巖區(qū) 。剪切褶皺作用往往使層理或前期的劈理、片理錯動成鋸齒狀或其它形態(tài)的褶皺。第四節(jié) 褶皺的形成機制（四） 柔流褶皺作用: 柔流褶皺作用是指高韌性巖石(如巖鹽、石膏、或煤層等)或者是巖石處于高溫高壓環(huán)境下變成高韌性體, 受到外力的作用, 發(fā)生類似粘稠的流體那樣的流動變形,從而形成形態(tài)復(fù)雜多變的褶皺。 例如, 鹽丘構(gòu)造的

12、底辟核的膏鹽層就是一種形態(tài)復(fù)雜的柔流褶皺。第四節(jié) 褶皺的形成機制（四） 柔流褶皺作用: 在變質(zhì)巖或混合巖化的巖體中有些長英質(zhì)脈巖受力作用而形成的腸狀褶皺就是一種柔流褶皺。這在太古代和其它深變質(zhì)巖中是較為普遍的一種構(gòu)造現(xiàn)象,這類腸狀褶皺或者是早期侵位的巖脈在圍巖發(fā)生變形和變質(zhì)過程中發(fā)生流變而形成; 或者是在強烈變形時期, 貫入到褶皺巖層中的脈巖, 后來又與圍巖一起變形而成。 第四節(jié) 褶皺的形成機制（四） 柔流褶皺作用: 柔流褶皺作用與前面所講述的受層理控制的縱彎褶皺作用中的彎流褶皺作用常有互相過渡的現(xiàn)象, 例如有些煤層遭受強烈的彎流褶皺作用時, 相對較韌性的煤層會發(fā)生柔流并突破巖層的限制,在局部

13、地段形成腸狀褶皺, 造成煤層在一處變厚, 在另一處變薄甚至尖滅的現(xiàn)象。 第四節(jié) 褶皺的形成機制 二、褶皺形成中的壓扁作用: 巖層在側(cè)向順層擠壓力的作用下, 會引起平行主壓應(yīng)力方向的縮短和垂直于主壓應(yīng)力方向的伸長, 即壓扁作用。巖層在形成褶皺的整個發(fā)育過程中都有壓扁作用, 壓扁作用對褶皺的形態(tài)及其內(nèi)部的應(yīng)變分布都有顯著的影響。二、褶皺形成中的壓扁作用 褶皺形成中的壓扁作用有以下特點: (1)在壓扁作用下,褶皺巖層內(nèi)各點應(yīng)變狀態(tài)也隨之發(fā)生有規(guī)律的變化, 例如, 隨著縱彎褶皺作用增強, 壓扁作用也隨之增強, 褶皺層內(nèi)各點應(yīng)變橢球體的長軸X（1）逐漸旋轉(zhuǎn)到與褶皺軸面平行的方向上,壓扁作用越強烈,應(yīng)變橢

14、球越扁,整個褶皺就越緊閉。二、褶皺形成中的壓扁作用 褶皺形成中的壓扁作用有以下特點: (2)在褶皺形成過程中, 因壓扁作用而使褶皺巖層的厚度也相應(yīng)發(fā)生變化,表現(xiàn)為翼部巖層變薄,轉(zhuǎn)折端巖層變厚, 從而使整個褶皺由平行褶皺向相似褶皺發(fā)展。 二、褶皺形成中的壓扁作用 褶皺形成中的壓扁作用有以下特點: (3)壓扁作用也使諸如巖石中的鮞粒、礫石以及具對稱要素的化石(如三葉蟲、腕足類、筆石、羊齒）等,或礦物晶體如黃鐵礦、石榴子石等發(fā)生變形;對它們變形后的形狀與變形前的原始形狀進行對比, 可以推斷壓扁作用的程度。 二、褶皺形成中的壓扁作用 褶皺形成中的壓扁作用有以下特點: (4)在壓扁作用下,位于褶皺翼部的

15、脆性薄巖層往往在垂直壓縮方向的拉伸下形成石香腸、構(gòu)造透鏡體;如若是韌性巖層褶皺并經(jīng)受強烈壓扁作用,則會形成與褶皺軸面平行的密集的軸面劈理,當(dāng)壓扁作用不均勻時,則會沿劈理面發(fā)生差異滑動,形成以層面為標(biāo)志面的剪切褶皺。 二、褶皺形成中的壓扁作用 (5)當(dāng)褶皺是由脆性和韌性巖層相間組成時,在經(jīng)受強烈持續(xù)的壓扁作用之后,韌性巖層就會產(chǎn)生劈理,強硬巖層則會因強烈壓扁形成“無根鉤狀褶皺”, 這種變形現(xiàn)象在強烈褶皺的變質(zhì)巖區(qū)較為普遍。 二、褶皺形成中的壓扁作用 (6)在厚層韌性巖層(如泥巖)夾薄層強硬巖層(如石英砂巖)組成的巖系受到側(cè)向順層擠壓尚未發(fā)生褶皺時, 巖系先整體平行主壓應(yīng)力方向壓縮, 垂直主壓應(yīng)力

16、方向伸長使厚度略增; 在持續(xù)擠壓下, 韌性厚巖層繼續(xù)壓縮,而其間的薄層強巖層則形成一系列小褶皺以適應(yīng)壓縮; 隨著整個巖系在縱彎褶皺作用下形成大型主褶皺, 這時強硬薄巖層中的小褶皺整體地也隨主褶皺而彎曲, 這些小褶皺在樞紐部位仍保持對稱式(M型), 在兩翼則變?yōu)椴粚ΨQ褶皺(左翼為Z型, 右翼為S型) 。這一理論較為圓滿地解釋了層間小褶皺不僅發(fā)育于大褶皺翼部, 也發(fā)育在大褶皺的樞紐部位)這一現(xiàn)象。 第四節(jié) 褶皺的形成機制三、影響褶皺形成的主要因素 褶皺的形態(tài)、規(guī)模和分布特點不僅與褶皺作用力的方式和方向有密切關(guān)系, 而且要受許多其它的因素的影響, 例如層理的發(fā)育情況、巖層的厚度、巖石的力學(xué)性質(zhì)巖層的

17、埋藏深度以及基底構(gòu)造等等。 三、影響褶皺形成的主要因素1.層理在褶皺形成中的作用: 巖石中的層理或成層構(gòu)造使巖石具不均一性(各向異性),當(dāng)層狀巖石受到力的作用時,可以通過層間滑動或?qū)觾?nèi)物質(zhì)的塑性流動而彎曲褶皺。而各向同性、結(jié)構(gòu)均一、無層理構(gòu)造的巖體(例如巖漿巖體)在受力變形時, 巖體被壓縮, 有時在與主壓應(yīng)力垂直的方向上形成由劈理或片理構(gòu)成的擠壓帶, 或者是形成一些其它方向的斷裂構(gòu)造,就是不會產(chǎn)生褶皺。因此, 層理或成層構(gòu)造是巖石產(chǎn)生褶皺的一個必要條件。 三、影響褶皺形成的主要因素2.巖層厚度對褶皺形成的影響: 巖層的厚薄對褶皺的狀態(tài)和大小也有顯著的影響,當(dāng)巖性相同或相似而厚度不同的巖層施加同

18、樣的水平擠壓力時, 則厚巖層往往形成曲率小、波長大的平緩開闊褶皺;而薄巖層則形成曲率大、波長小的緊閉褶皺。 三、影響褶皺形成的主要因素3.巖層組合及其力學(xué)性質(zhì)對褶皺形成的影響: 巖石的力學(xué)性質(zhì)直接影響褶皺的形態(tài)和類型, 當(dāng)巖石力學(xué)性質(zhì)不同的強硬巖層和軟弱巖層相間疊置并一起受力發(fā)生褶皺時, 其中強硬巖層的巖層厚度不變,以彎滑褶皺作用方式形成平行褶皺。而軟弱巖層則在轉(zhuǎn)折端顯著加厚,形成相似褶皺?；蛘呤菑娪矌r層形成平緩開闊褶皺, 軟弱巖層則形成緊閉褶皺。三、影響褶皺形成的主要因素3.巖層組合及其力學(xué)性質(zhì)對褶皺形成的影響: 一般來說, 強硬巖層在褶皺中表現(xiàn)為相對剛性層,軟弱巖層則顯示為相對韌性層。野外觀察和室內(nèi)實驗表明,一套強硬、軟弱巖層成互層的巖系發(fā)生褶皺,強硬巖層常常以彎滑褶皺作用為主形成平行褶皺, 并對整個褶皺的形態(tài)起控制作用,而軟弱巖層則被迫遷就強硬巖層形成的空間而變形,形成頂厚褶皺。三、影響褶皺形成的主要因素4.巖層埋藏深度對褶皺形成的影響: 一般來說,在地表常溫常壓條件下的巖層表現(xiàn)為脆性,其變形以斷裂為主。在地表以下,隨著溫度、圍壓的增大,巖石的韌性隨之增高。在地殼淺部,巖層表現(xiàn)為彈性且顯示層狀構(gòu)造的各向異性,