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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(jī)制 第四章 主要內(nèi)容一、里卡德(Richard)的褶皺產(chǎn)狀分類 褶皺在空間的位態(tài)取決于軸面和樞紐的產(chǎn)狀。以橫坐標(biāo)表示軸面的傾角,縱坐標(biāo)表示樞紐傾伏角,可將褶皺分成七種類型 1、直立水平褶皺 軸面近于直立,傾角為9080,樞紐近水平,傾伏角為010(區(qū))。 2、直立傾伏褶皺 軸面近于直立,傾角為9080 ,樞紐傾伏角為1080(區(qū)) 3、傾豎褶皺 軸面近于直立,傾角為9080 ,樞紐傾伏角為8090(區(qū)) 。第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合 一、Richard的褶皺產(chǎn)狀分
2、類 4、斜歪水平褶皺 軸面傾角為8010,樞紐近水平,傾伏角為010 (區(qū)) 。 5、平臥褶皺 樞紐傾伏角和軸面傾角均為010(區(qū)) 。 6、斜歪傾伏褶皺 軸面傾角為8010 ,樞紐傾伏角為1080 (區(qū)) 。 7、斜臥褶皺 樞紐和軸面兩者傾向及傾角基本一致,軸面傾角為1080,樞紐在軸面上的側(cè)伏角為1080(區(qū)) 。 第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合 二、褶皺的橫截面分類 褶皺形態(tài)的變化主要反映在各褶皺面形態(tài)的相互關(guān)系和褶皺層的厚度變化上。據(jù)此,對(duì)褶皺進(jìn)行形態(tài)分類。 (一)根據(jù)組成褶皺的各褶皺層的厚度變化和幾何關(guān)系的分類 、平行褶皺 2、相似褶皺第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合 、平行褶皺:典型平行
3、褶皺的幾何特點(diǎn)是褶皺面作平行彎曲。同一褶皺層的厚度在褶皺各部分一致,所以也稱為等厚褶皺,彎曲的各層具有同一曲率中心,所以又稱為同心褶皺。二、褶皺的橫截面分類理想的平行背斜的幾何特征 平行褶皺特點(diǎn):由中心向外,褶皺面的曲率半徑逐漸增大,曲率變小,巖層越平緩;向著核部方向,曲率逐漸變大。例如,一個(gè)圓弧形直立的背斜,因?yàn)橐3竹薨檶拥暮穸炔蛔儯薨櫭娴膸缀涡螒B(tài)必須隨深度而調(diào)整。順其軸面向下,褶皺面的彎曲越來越緊閉,甚至成為尖頂狀背斜;再向下則消失于滑脫面上。順軸面向上,情況相反,褶皺面越來越平緩,褶皺趨于消失。二、褶皺的橫截面分類 2、相似褶皺 典型的相似褶皺的幾何特點(diǎn)是組成褶皺的各褶皺面作相似的彎
4、曲。各面的曲率相同,沒有共同的曲率中心。所以,褶皺的形態(tài)不隨著深度的變化而改變。同一褶皺層的厚度發(fā)生有規(guī)律的變化,兩翼變薄轉(zhuǎn)折端加厚,平行軸面呈出的視厚度在褶皺各部位保持一致。二、褶皺的橫截面分類相似褶皺 平行褶皺和相似褶皺是反映褶皺層的厚度變化和幾何關(guān)系規(guī)律性變化的兩種代表性型式,在自然界有一定的廣泛性,有助于對(duì)褶皺向深部變化的分析,是分析一個(gè)地區(qū)褶皺發(fā)育規(guī)律的有實(shí)際意義的概念。 平行褶皺和相似褶皺屬于協(xié)調(diào)式褶皺,和其相對(duì)應(yīng)是不協(xié)調(diào)褶皺。二、褶皺的橫截面分類不協(xié)調(diào)褶皺 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 平行褶皺和相似褶皺只是褶皺層可能出現(xiàn)的多種形態(tài)中的兩種簡(jiǎn)單類型。蘭姆賽根據(jù)褶皺層的相對(duì)曲率,提出
5、了一套形態(tài)分類,目前已被廣泛采用。 褶皺面的曲率變化可用等傾斜線表示。等傾斜線是褶皺正交剖面上層的上、下界面切線傾角相同的切點(diǎn)的連線 。二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 等斜線的作法如下: (1)在垂直褶皺樞紐的照片或從地質(zhì)圖上作出的正交剖面圖上,用透明紙描繪出各褶皺面彎曲形態(tài),并準(zhǔn)確地畫出軸跡或?qū)嵉厮骄€。 (2)在繪好的褶皺層正交剖面上,以標(biāo)出的水平線為基準(zhǔn)線,按一定角度間隔 (如以5或10為間隔)畫出兩相鄰褶皺面的切線。 (3)用直線將上、下層面上等傾角的切點(diǎn)連接起來,即為等斜線。二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形
6、態(tài)分類 等斜線的作法如下: 二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 蘭姆賽根據(jù)褶皺層的等斜線型式和厚度變化參數(shù)所反映的相鄰褶皺曲率關(guān)系,將褶皺為三類五型 (圖8-26) I類 這類褶皺的等斜線向內(nèi)弧呈收斂狀,內(nèi)弧曲率總是大于外弧曲率,故外弧傾斜也總是小于內(nèi)弧傾斜度。根據(jù)等斜線的收斂程度 ,再細(xì)分為三個(gè)亞型二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 I類 再細(xì)分為三個(gè)亞型 IA型 等斜線向內(nèi)弧強(qiáng)烈收斂,各線長(zhǎng)短差別極大,內(nèi)弧曲率遠(yuǎn)大于外弧曲率。為典型的頂薄褶皺。 二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 I類 再細(xì)分為三個(gè)亞型 IB型 等斜線也向內(nèi)弧收斂,各線長(zhǎng)短大致相等
7、,褶皺層真厚度不變,內(nèi)弧曲率仍大于外弧曲率,為典型的平行褶皺。 二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 I類 再細(xì)分為三個(gè)亞型 IC型 等斜線向內(nèi)弧輕微收斂,轉(zhuǎn)折端等斜線比兩翼附近的要略長(zhǎng)一些,反映兩翼厚度有變薄的趨勢(shì),內(nèi)弧曲率略大于外弧曲率。這是平行褶皺向相似褶皺的過渡型式。二、褶皺的橫截面分類 (二)蘭姆賽的褶皺形態(tài)分類 類 等斜線互相平行且等長(zhǎng),褶皺層的內(nèi)弧和外弧的曲率相等,即相鄰褶皺面傾斜度基本一致,為典型的相似褶皺。 類 等斜線向外弧收斂向內(nèi)弧撒開,呈倒扇狀,即外弧曲率大于內(nèi)弧曲率,為典型的頂厚褶皺。二、褶皺的橫截面分類 三、同沉積褶皺和底辟構(gòu)造 1、同沉積褶皺:在巖層沉積
8、的同時(shí)逐漸變形而形成的褶皺(P75 圖4-19)同沉積褶皺。 第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合 三、同沉積褶皺和底辟構(gòu)造 2、底辟構(gòu)造:地下高韌性巖體如巖鹽、石膏、粘土或煤層,在構(gòu)造力的作用下,或者由于巖石物質(zhì)間密度的差異而引起的浮力作用下,向上流動(dòng)并擠入上覆巖層之中而形成的一種構(gòu)造(P75 圖4-19) 。第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合 四、褶皺的組合型式 在地殼一定區(qū)域或一定大地構(gòu)造單元里,不同形態(tài)、不同規(guī)模和不同級(jí)次的褶皺常以一定的組合型式展布。在同一構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期和同一構(gòu)造應(yīng)力作用下,在成因上有聯(lián)系的一系列背斜和向斜組成的具有一定幾何規(guī)律的褶皺總體樣式,稱為褶皺的組合型式。研究褶皺的組合型式,
9、可以進(jìn)一步探討褶皺發(fā)育區(qū)的大地構(gòu)造屬性、褶皺的形成機(jī)制、區(qū)域應(yīng)變狀態(tài)及地殼運(yùn)動(dòng)性質(zhì)等。常見的有以下幾種組合類型。第三節(jié) 褶皺的類型及褶皺組合 1、復(fù)向斜和復(fù)背斜:一種規(guī)模巨大,兩翼被次一級(jí)褶皺復(fù)雜化了的背斜和向斜。復(fù)背斜次一級(jí)褶曲軸面向下收斂,構(gòu)成扇形;復(fù)向斜向上方收斂,構(gòu)成房蓋形。四、褶皺的組合型式 1、復(fù)向斜和復(fù)背斜四、褶皺的組合型式 1、復(fù)向斜和復(fù)背斜:四、褶皺的組合型式 2、隔檔式和隔槽式褶皺:一系列平行排列的背斜和向斜發(fā)育程度不等的褶曲的剖面組合形式。 隔檔式:“窄背斜+寬向斜”,背斜緊閉,向斜開闊。 隔槽式:“寬背斜+窄向斜”,背斜開闊,向斜緊閉。四、褶皺的組合型式 2、隔檔式和隔
10、槽式褶皺:四、褶皺的組合型式 3、雁行褶皺:由一系列短軸褶曲呈平行斜列組合而成的雁行狀褶曲組合形態(tài),向斜或背斜,或向斜、背斜相間組合。四、褶皺的組合型式 褶皺的成因分析在于了解:各種褶皺控制因素,如側(cè)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)育過程;褶皺內(nèi)部應(yīng)變特征及其與其他構(gòu)造的內(nèi)在聯(lián)系。從而了解褶皺與地殼運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,以及褶皺對(duì)礦產(chǎn)控制的規(guī)律。第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 一、概述 1、多納斯等(F.A.Donath和R.B.Parker,1964)在褶皺和褶皺作用一書中,詳細(xì)地討論了褶皺的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。 2、蘭姆賽 (J.G.Ramsay,1967)在巖石的褶皺作用
11、和斷裂作用及蘭姆賽等在現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法,卷2 中,對(duì)褶皺作用及其內(nèi)部應(yīng)變特征作了詳細(xì)分析。 3、畢奧特(M.A.Biot,1961)和蘭伯格 (H.Ramberg,1960)分別從理論上和實(shí)驗(yàn)中詳細(xì)論述了褶皺的發(fā)育規(guī)律。 第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 一、概述 其后又有許多地質(zhì)學(xué)家從事這方面的研究,提出了許多頗有見解的理論或假設(shè),但目前仍有許多問題有待解決,尤其是重力在褶皺形成中的作用及褶皺作用延續(xù)的時(shí)間等問題仍是難以用實(shí)驗(yàn)來模擬的難題。 第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 二、主動(dòng)褶皺和被動(dòng)褶皺 褶皺的形成方式與其受力狀態(tài)、變形環(huán)境及巖層的變形行為密切相關(guān)。從褶皺過程中巖層的變形行為來看,可把褶皺分為主動(dòng)褶
12、皺和被動(dòng)褶皺兩類。當(dāng)受褶皺的層狀巖系,各層之間巖石的韌性差比較顯著,即層的力學(xué)性質(zhì)和層理積極地控制著褶皺的發(fā)育時(shí),這種褶皺稱為主動(dòng)褶皺。多納斯等稱其為彎曲褶皺。它們通常形成于地殼的中淺構(gòu)造層次 (約10km以內(nèi))。 第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 三、褶皺形成機(jī)制的基本類型 根據(jù)褶皺形態(tài)及其伴生構(gòu)造所反映的褶皺形成過程及其在形成過程的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)變分布情況,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論分析,可將褶皺形成機(jī)制分成以下幾種類型。 (一)縱彎褶皺作用 (二)橫彎褶皺 (三)剪切褶皺作用 (四)柔流褶皺作用第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 (一)縱彎褶皺作用 縱彎褶皺作用是指巖層受到順層擠壓力的作用而形成的褶皺。這時(shí),巖層間
13、力學(xué)性質(zhì)的差異在褶皺形成中起著主導(dǎo)的作用。 第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 (一)縱彎褶皺作用 如果巖石是各向同性的均質(zhì)巖石,如塊狀花崗巖體及高溫高壓條件下使層理失去力學(xué)上各向異性的變質(zhì)沉積巖系:則水平擠壓只能引起巖層或巖體的均勻壓扁,在平行擠壓方向上縮短和平行最大拉伸方向上伸長(zhǎng)。 如果巖系中各層的力學(xué)性質(zhì)不一致,則在順層擠壓下,強(qiáng)硬層 (能干層)就會(huì)因失穩(wěn)而發(fā)生正弦曲線狀的彎曲,形成褶皺;相對(duì)軟弱層 (非能干層)作為介質(zhì)在發(fā)生均勻壓扁的同時(shí),被動(dòng)地調(diào)整和適應(yīng)由強(qiáng)硬層引起的彎曲形態(tài)。如果兩者的韌性差較小,則在褶皺時(shí)要共同地受到總體的壓扁。 第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 (一)縱彎褶皺作用 畢奧特等 (M.A
14、.Biot ,1961)對(duì)在順層擠壓下層的失穩(wěn)而形成的褶皺作了數(shù)學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn),提出了褶皺發(fā)育的主波長(zhǎng)理論。闡明了褶皺初始發(fā)育的主波長(zhǎng)與褶皺層的厚度和粘度差的定量關(guān)系。這一理論較好地解釋了自然界中一些褶皺的形態(tài)及其內(nèi)部構(gòu)造特征,可以作為討論縱彎褶皺作用的基礎(chǔ) 第四節(jié) 褶皺的形成機(jī)制 1、單層褶皺的發(fā)育機(jī)制 在建立褶皺發(fā)育的幾何模式之前,首先必須考慮巖層的變形行為。巖石在地表?xiàng)l件下的變形基本上是彈性的,即應(yīng)力與應(yīng)變成正比??梢园褞r層作為彈性板來考慮,其形成的褶皺波長(zhǎng)與作用應(yīng)力的大小有關(guān)。 但在地下較高的溫壓條件下,在小應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,不同的巖石可以看作是粘度各異的粘性固體而變形的,巖石的粘度在變
15、形中起著主導(dǎo)作用。粘度較大的巖層在褶皺發(fā)育中起著骨干作用,這種巖層稱為能干層或強(qiáng)硬層。(一)縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機(jī)制 設(shè)想有一厚度為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)向順層擠壓而發(fā)生縱彎作用 (圖9-2)。此時(shí),要使強(qiáng)硬層發(fā)生縱彎曲存在著兩種阻力:一種阻力來自強(qiáng)硬層的內(nèi)部,因?yàn)閹r層彎曲時(shí),必須使外弧受拉伸和內(nèi)弧受壓縮。因此,層要彎曲必須克服這種內(nèi)部的阻抗。這時(shí),巖層彎曲的波長(zhǎng)愈大,則形成的弧形愈寬緩,其外弧拉伸和內(nèi)弧壓縮的變形愈小,內(nèi)部阻抗亦愈小。所以,如果沒有周圍介質(zhì)的包圍,它就趨向于形成最大的可能波長(zhǎng)(一)縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機(jī)制(一)縱
16、彎褶皺作用單層厚度為d,粘度為l的強(qiáng)硬層夾于粘度為2的基質(zhì)中的縱彎曲模型(據(jù)J.G.Ramsay等,1987)平行層的縮矩ex使強(qiáng)硬層形成褶皺,Wi為其初始主波長(zhǎng),小箭頭表示層內(nèi)外的阻抗。圖中ex及褶皺的幅度是夸大表示的 1、單層褶皺的發(fā)育機(jī)制(一)縱彎褶皺作用圖9-3 可能的初始波長(zhǎng)模式(據(jù)J.G.Ramsay等。1987)A. 強(qiáng)硬層內(nèi)部阻力要求形成大波長(zhǎng);B.基質(zhì)要求形成小波長(zhǎng)(一)縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機(jī)制 按照最小做功原理,巖層將選擇做功最小而又能抵消這兩種阻抗,使某一調(diào)和的中間值作為最易褶皺的初始主波長(zhǎng)Wi,即這種波長(zhǎng)的褶皺最易發(fā)育,因此,成為巖層彎曲的主導(dǎo)波長(zhǎng)。根據(jù)畢奧
17、特的推算,在粘性介質(zhì)中粘性較大的粘性板的褶皺的初始主波長(zhǎng)Wi為:式中:d強(qiáng)硬層的厚度,1、2強(qiáng)硬層、軟弱層的粘度, 12 。(一)縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機(jī)制 從 上式中可以獲得如下認(rèn)識(shí): (1)褶皺的主波長(zhǎng)與所受作用力的大小沒有直接關(guān)系,而與強(qiáng)巖層的厚度及層與介質(zhì)粘度比有關(guān)。 (2)褶皺主波長(zhǎng)與褶皺層的原始厚度d成正比。 當(dāng)巖性一定時(shí),即層與介質(zhì)的粘度比1/2 ,為常數(shù)時(shí),如果強(qiáng)硬層的厚度不同,所形成褶皺的波長(zhǎng)也不同,厚度大者波長(zhǎng)也大。因此,一套褶皺中的各層可因其厚度差異而形成緊程度不同的褶皺。層厚的巖層形成的單個(gè)褶皺較寬緩,層薄的巖層形成的褶皺相對(duì)緊閉而量多。(一)縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育
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