構(gòu)造地質(zhì)學(xué)：第四章褶皺2

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，對褶皺進行形態(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: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，一個圓弧形直立的背斜，因為要保持褶皺層的厚度不變，褶皺面的幾何形態(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，有助于對褶皺向深部變化的分析，是分析一個地區(qū)褶皺發(fā)育規(guī)律的有實際意義的概念。 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)中的兩種簡單類型。蘭姆賽根據(jù)褶皺層的相對曲率，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)分為三個亞型 IA型 等斜線向內(nèi)弧強烈收斂，各線長短差別極大，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)分為三個亞型 IB型 等斜線也向內(nèi)弧收斂，各線長短大致相等

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一些，反映兩翼厚度有變薄的趨勢，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，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)模和不同級次的褶皺常以一定的組合型式展布。在同一構(gòu)造運動時期和同一構(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、褶皺的形成機制、區(qū)域應(yīng)變狀態(tài)及地殼運動性質(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，兩翼被次一級褶皺復(fù)雜化了的背斜和向斜。復(fù)背斜次一級褶曲軸面向下收斂，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動的關(guān)系，以及褶皺對礦產(chǎn)控制的規(guī)律。第四節(jié) 褶皺的形成機制 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)地討論了褶皺的運動學(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)分別從理論上和實驗中詳細(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)的時間等問題仍是難以用實驗來模擬的難題。 第四節(jié) 褶皺的形成機制 二、主動褶皺和被動褶皺 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，可把褶皺分為主動褶

12、皺和被動褶皺兩類。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，這種褶皺稱為主動褶皺。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) 褶皺的形成機制 三、褶皺形成機制的基本類型 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)運動規(guī)律和應(yīng)變分布情況，并結(jié)合實驗進行理論分析，可將褶皺形成機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，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。 如果巖系中各層的力學(xué)性質(zhì)不一致，則在順層擠壓下，強硬層 (能干層)就會因失穩(wěn)而發(fā)生正弦曲線狀的彎曲，形成褶皺;相對軟弱層 (非能干層)作為介質(zhì)在發(fā)生均勻壓扁的同時，被動地調(diào)整和適應(yīng)由強硬層引起的彎曲形態(tài)。如果兩者的韌性差較小，則在褶皺時要共同地受到總體的壓扁。 第四節(jié) 褶皺的形成機制 （一）縱彎褶皺作用 畢奧特等 (M.A

14、.Biot ,1961)對在順層擠壓下層的失穩(wěn)而形成的褶皺作了數(shù)學(xué)計算與實驗，提出了褶皺發(fā)育的主波長理論。闡明了褶皺初始發(fā)育的主波長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) 褶皺的形成機制 1、單層褶皺的發(fā)育機制 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。巖石在地表條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硬層。（一）縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機制 設(shè)想有一厚度為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(cè)向順層擠壓而發(fā)生縱彎作用 (圖9-2)。此時，要使強硬層發(fā)生縱彎曲存在著兩種阻力:一種阻力來自強硬層的內(nèi)部，因為巖層彎曲時，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，巖層彎曲的波長愈大，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（一）縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機制（一）縱

16、彎褶皺作用單層厚度為d,粘度為l的強硬層夾于粘度為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使強硬層形成褶皺，Wi為其初始主波長，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)育機制（一）縱彎褶皺作用圖9-3 可能的初始波長模式(據(jù)J.G.Ramsay等。1987)A. 強硬層內(nèi)部阻力要求形成大波長;B.基質(zhì)要求形成小波長（一）縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機制 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Wi，即這種波長的褶皺最易發(fā)育，因此，成為巖層彎曲的主導(dǎo)波長。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Wi為:式中:d強硬層的厚度，1、2強硬層、軟弱層的粘度， 12 。（一）縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育機制 從 上式中可以獲得如下認(rèn)識: (1)褶皺的主波長與所受作用力的大小沒有直接關(guān)系，而與強巖層的厚度及層與介質(zhì)粘度比有關(guān)。 (2)褶皺主波長與褶皺層的原始厚度d成正比。 當(dāng)巖性一定時，即層與介質(zhì)的粘度比1/2 ，為常數(shù)時，如果強硬層的厚度不同，所形成褶皺的波長也不同，厚度大者波長也大。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褶皺較寬緩，層薄的巖層形成的褶皺相對緊閉而量多。（一）縱彎褶皺作用 1、單層褶皺的發(fā)育