當代構(gòu)造地質(zhì)學進展與前沿研究生課程羅金海

1、當代構(gòu)造地質(zhì)學進展與前沿,2004年10月,羅金海,E-mail: ,本多媒體主要為內(nèi)部教學使用，其中使用了他人尚未出版的資料，不可出版和翻印。 如果出現(xiàn)任何違反知識產(chǎn)權(quán)事件，責任由非法使用者承擔。,作者聲明,一、構(gòu)造地質(zhì)學的發(fā)展趨勢 二、 斷層相關(guān)褶皺理論 三、生長地層與構(gòu)造變形速率 四、伸展斷層相關(guān)褶皺 五、前陸基底卷入型構(gòu)造 六、平衡地質(zhì)剖面技術(shù) 以上是中-小尺度構(gòu)造地質(zhì)學的主要進展,主要內(nèi)容,一、當代構(gòu)造地質(zhì)學的主要發(fā)展趨勢,從定性向定量 有限應(yīng)變測量、古地磁測量、古應(yīng)力測量、生長地層測定、遙感遙測、衛(wèi)星定位、重磁測量、地震測量、層析成像技術(shù)和超深鉆技術(shù)，等 2. 研究范圍從巖石圈上部

2、向巖石圈下部、地幔，甚至地核擴展,一、當代構(gòu)造地質(zhì)學的主要發(fā)展趨勢,從宏觀到微觀 從微觀尺度考察地質(zhì)構(gòu)造的運動學 4. 新構(gòu)造運動與全球環(huán)境變化 地質(zhì)災(zāi)害（地震、地裂縫、地面沉降、滑坡）與工程地質(zhì)等；青藏高原的隆升與全球環(huán)境、氣候變化，等 5. 盆地與造山帶耦合動力學研究,斷層相關(guān)褶皺理論是揭示褶皺與斷層之間相互關(guān)系的理論，主要包括斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用（fault-bend folding)、斷層傳播褶皺作用（fault-propagation folding）和滑脫褶皺作用（detachment folding）三種端元模型。,二、斷層相關(guān)褶皺理論,斷層相關(guān)褶皺理論的三種端元模型,二、斷層相關(guān)褶

3、皺理論,斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用 上盤斷塊沿非平板狀斷面滑動時發(fā)生彎曲而形成褶皺的過程。 由于巖石的強度不允許上盤斷塊與斷面之間存在較大的空洞，上盤在滑動時必與斷面緊密接觸，從而使上盤斷塊在斷層轉(zhuǎn)折處（斷坡）上方發(fā)生扭曲變形而形成褶皺。 由這種方式形成的褶皺往往呈具平頂?shù)膶捑忨薨櫋?二、斷層相關(guān)褶皺理論,一個簡單斷坡上斷層轉(zhuǎn)折褶皺的運動學演化 活動軸面：相對于下盤固定，上盤物質(zhì)通過其向前陸方向運動 不活動軸面（固定軸面）：相對于上盤固定，同上盤物質(zhì)一起向前陸方向運動,一個簡單斷坡上斷層轉(zhuǎn)折褶皺的運動學演化 褶皺隨著膝折帶變寬而生長。,龍門山前茂縣正河地區(qū)石炭系灰?guī)r中的斷層轉(zhuǎn)折褶皺,二、斷層相關(guān)褶皺理論

4、 1.斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用,由地震剖面揭示的斷層轉(zhuǎn)折褶皺,二、斷層相關(guān)褶皺理論 1.斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用,多轉(zhuǎn)折斷層轉(zhuǎn)折褶皺模型（據(jù)Medwedeff等，1997）,二、斷層相關(guān)褶皺理論 1. 斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用,多轉(zhuǎn)折斷層轉(zhuǎn)折褶皺：在斷面發(fā)生多次轉(zhuǎn)折的情況下，斷面的每一次轉(zhuǎn)折都會在上盤巖層中形成相應(yīng)的褶皺構(gòu)造，由不同斷面轉(zhuǎn)折端形成的褶皺構(gòu)造必然會發(fā)生相互干擾，由此將導(dǎo)致褶皺形態(tài)復(fù)雜化。,二、斷層相關(guān)褶皺理論 1. 斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用,在多轉(zhuǎn)折斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用（multi-bend folding）理論中，褶皺軸面數(shù)（m）與斷面轉(zhuǎn)折點數(shù)（n）之間具有如下關(guān)系（Medwedeff等，1997）： 可見軸面數(shù)

5、是斷面轉(zhuǎn)折次數(shù)的四次方函數(shù)，說明褶皺構(gòu)造的總體形態(tài)將極大地受到斷面轉(zhuǎn)折次數(shù)的影響。,二、斷層相關(guān)褶皺理論 1. 斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用,2. 斷層傳播褶皺作用 正在向上擴展的沖斷層前端上方地層由于吸收了下伏沖斷層的位移量而形成褶皺的過程。,二、斷層相關(guān)褶皺理論,穩(wěn)定層厚斷層傳播褶皺作用（據(jù)Suppe，1983）,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,簡化的厚度不變模型（據(jù)Suppe，1983）,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,斷層傳播褶皺的形成過程 厚度不變模型,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,在厚度不變的情況下斷層傳播褶皺的形成過程 相同位移量不同斷層轉(zhuǎn)折角斷層傳播褶

6、皺的形態(tài)對比 可見斷面轉(zhuǎn)折角度明顯地影響著斷層傳播褶皺的形態(tài),二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,斷層傳播褶皺,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,突破斷層對斷層傳播褶皺的改造 在斷層傳播褶皺形成之后，如果斷層的位移量繼續(xù)增加，則斷層可能成為突破斷層（breakthrough fault），對先期形成的斷層傳播褶皺進行改造。,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,經(jīng)典的斷層傳播褶皺模型,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,突破斷層沿背斜軸面突破,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用突破斷層,突破斷層沿前翼高角度突破,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用

7、突破斷層,突破斷層沿向斜軸面突破,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用突破斷層,美國Elk盆地中Greybull砂巖油藏剖面 具有突破構(gòu)造的特點,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用突破斷層,美國Elk盆地中的突破構(gòu)造剖面,二、斷層相關(guān)褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用突破斷層,3. 滑脫褶皺作用 強硬巖層由于下伏塑性層中的斷層滑動而形成褶皺的過程。,二、斷層相關(guān)褶皺理論,瑞士侏羅山經(jīng)典的滑脫褶皺,二、斷層相關(guān)褶皺理論 3. 滑脫褶皺作用,塔里木盆地地震剖面揭示的滑脫褶皺,二、斷層相關(guān)褶皺理論 3. 滑脫褶皺作用,生長提離褶皺,二、斷層相關(guān)褶皺理論 3. 滑脫褶皺作用,秘魯東部烏卡亞利

8、盆地Cashiriari背斜和圣馬丁背斜地震剖面 （據(jù)Shaw等，1999） 斷層傳播褶皺和斷層轉(zhuǎn)折褶皺,秘魯東部烏卡亞利盆地Istmo背斜地震剖面 （據(jù)Shaw等，1999） 斷層轉(zhuǎn)折褶皺與反沖斷層,4. 斷層相關(guān)褶皺的組合型式,二、斷層相關(guān)褶皺理論,（1）斷層轉(zhuǎn)折褶皺與構(gòu)造楔 斷層轉(zhuǎn)折褶皺與反沖的斷層轉(zhuǎn)折褶皺聯(lián)合形成構(gòu)造楔,構(gòu)造楔的發(fā)育過程,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (1)構(gòu)造楔,由斷層轉(zhuǎn)折褶皺和反沖斷層構(gòu)成構(gòu)造楔,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (1)構(gòu)造楔,構(gòu)造楔的疊置樣式,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (1)構(gòu)造楔,疊瓦狀

9、構(gòu)造楔的實際剖面,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)干涉構(gòu)造,干涉構(gòu)造模型,（2）干涉構(gòu)造：不同方向的構(gòu)造相互干擾現(xiàn)象。,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)干涉構(gòu)造,實驗?zāi)M得到的干涉構(gòu)造,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)干涉構(gòu)造,實際的干涉構(gòu)造,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)雙重構(gòu)造,逆沖雙重構(gòu)造的演化（動畫） 多個斷層轉(zhuǎn)折褶皺的復(fù)合構(gòu)成了雙重逆沖構(gòu)造,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)雙重構(gòu)造,多轉(zhuǎn)折的疊瓦狀逆沖構(gòu)造的演化（動畫） 多個斷層轉(zhuǎn)折褶皺的復(fù)合構(gòu)成了雙重逆沖構(gòu)造,二

10、、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)雙重構(gòu)造,一個堆垛式逆沖構(gòu)造的演化（動畫） 多個斷層轉(zhuǎn)折褶皺的復(fù)合構(gòu)成了雙重逆沖構(gòu)造,二、斷層相關(guān)褶皺理論 4.斷層相關(guān)褶皺的組合型式 (2)雙重構(gòu)造,一個對沖式逆沖構(gòu)造剖面的演化（動畫） 多個斷層轉(zhuǎn)折褶皺的復(fù)合構(gòu)成了雙重逆沖構(gòu)造,生長地層是在沖斷層活動的同時沉積的地層，又稱同沉積地層。 由于褶皺的生長主要是通過膝折帶（翼寬）遷移的方式生長的，褶皺的翼長將隨著褶皺的生長而增加，同時翼傾角保持不變。 如果在褶皺生長期間有沉積作用發(fā)生，則在生長地層范圍內(nèi)，褶皺的翼長將向上減?。ㄒ驗橄虏康貙拥脑黾臃缺壬喜康貙拥脑黾臃却螅蚨纬梢粋€三角形的

11、生長地層區(qū)域，稱為生長三角（growth triangle）。 生長三角是在地震剖面上鑒別生長地層的重要標志。,三、生長地層與構(gòu)造變形速率 1.生長地層與生長三角,一個簡單斷坡上斷層轉(zhuǎn)折褶皺的運動學演化 褶皺隨著膝折帶變寬而生長。,地震剖面揭示的生長三角,三、生長地層與構(gòu)造變形速率1. 生長地層與生長三角,斷層轉(zhuǎn)折褶皺及相關(guān)的生長地層與前生長地層、生長三角 箭頭指示質(zhì)點位移方向,三、生長地層與構(gòu)造變形速率1. 生長地層與生長三角,斷層轉(zhuǎn)折褶皺及相關(guān)的生長地層與前生長地層、生長三角的演化模型,斷層傳播褶皺及相關(guān)的生長地層與前生長地層、生長三角的演化模型,在滑脫褶皺的運動學模型中，由于下伏滑脫斷層

12、位移量的增加而引起的不對稱膝折型滑脫褶皺的漸近演化過程（據(jù)Poblet等，1996）請注意：雖然運動學過程不一樣，但終構(gòu)造的形態(tài)則是完全一樣的。,不同的運動學過程可以形成幾何形態(tài)完全相同的終構(gòu)造，但生長地層的特征則是不相同的。,三、生長地層與構(gòu)造變形速率 1.生長地層與生長三角,不同斷層相關(guān)褶皺形成的生長地層,三、生長地層與構(gòu)造變形速率1. 生長地層與生長三角,2. 構(gòu)造生長速率 利用生長 地層可以 確定構(gòu)造 的生長速 率。,三、生長地層與構(gòu)造變形速率 2.構(gòu)造生長速率,沖斷斷坡之上向上變窄的膝折帶或生長三角模型 （據(jù)Suppe等，1992和Shaw等，1996）,生長三角內(nèi)部地層單元的形成時

13、代和翼寬可以用來測算翼部的擴展速率和褶皺生長速率(Suppe等，1992)。 在滑脫面之間有簡單斷坡的情況下，斷層滑動速率在傾向方向的分量等于翼寬變化量與形成該翼寬變化量的時間之比。在同一生長三角中至少兩套地層（如X層和Y層）的形成時代已知的情況下，褶皺翼部加寬的速率（L/T，或平均斷層滑動速率）是可以測定的，平均斷層滑動速率為 由于兩側(cè)地層厚度不同，生長軸面不平分褶皺翼間角。,三、生長地層與構(gòu)造變形速率 2.構(gòu)造生長速率,在生長三角內(nèi)部，在時 間t內(nèi)，翼長L除以生長 地層厚度Tb即可得到一 個無量綱的生長速率G： 。對每一生長地 層段 Tb 有 。 若能確定生長地層中標 志層的時間范圍t，則

14、褶皺的絕對生長速率（Ga）為： （式中 為沉積速率）。這說明，在生長地層沉積期間，褶皺的絕對生長速率Ga是褶皺生長速率的幾何表述。,三、生長地層與構(gòu)造變形速率 2.構(gòu)造生長速率,沖斷斷坡之上向上變窄的膝折帶或生長三角模型 （據(jù)Suppe等，1992和Shaw等，1996）,生長地層應(yīng)用舉例 美國加利福尼亞圣巴巴拉海峽一個構(gòu)造的翼長為2.5km，生長地層厚2.1km，無量綱生長速率（G）為1.2，生長地層的時間范圍為24Ma，則絕對褶皺生長速率（Ga）約為0.61.3mm/a（Suppe等，1992）。 對阿根廷中部貝爾梅霍前陸盆地中與沖斷相關(guān)的生長地層的研究表明，沖斷帶東部的前科迪勒拉構(gòu)造開始

15、于2.7Ma之前，尼奎威爾背斜的抬升速率約為0.3mm/a，拉斯薩里拉斯背斜的抬升速率約在0.6mm/a與0.38mm/a之間（Zapata等，1996）。,三、生長地層與構(gòu)造變形速率 2.構(gòu)造生長速率,關(guān)于伸展背景下的正斷層與逆牽引構(gòu)造 在伸展背景下通常會發(fā)育正斷層，長期活動的正斷層的上盤往往會發(fā)育逆牽引構(gòu)造，這種逆牽引構(gòu)造實際上也是一種斷層相關(guān)褶皺作用，被稱為伸展斷層相關(guān)褶皺作用。 可以利用斷層相關(guān)褶皺的一般理論來分析伸展斷層相關(guān)褶皺作用。,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,正斷層相關(guān)褶皺作用的一般特點,（1）張性環(huán)境中主張應(yīng)力軸近于水平，主壓應(yīng)力軸近于垂直； （2）張性環(huán)境中巖石強度較弱，易于沿庫侖

16、剪面發(fā)生破裂變形； （3）分割不同傾斜域的軸面由庫侖剪切破裂準則限定； （4）庫侖剪裂面的傾角取決于巖石特征，多數(shù)巖石介于60和70 之間； （5）正斷層相關(guān)褶皺作用期間地層的層厚和層長可以不守衡，但面積守衡； （6）正斷層相關(guān)褶皺的軸面不平分翼間角。,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,同沉積正斷層上盤的伸展斷層相關(guān)褶皺 以往把這種褶皺籠統(tǒng)地稱之為逆牽引構(gòu)造（或滾動褶皺，rollover fold),四、伸展斷層相關(guān)褶皺,伸展斷層相關(guān)褶皺作用的一般模型 所謂的犁式斷面實際上是由斷面的多次轉(zhuǎn)折形成的，斷面轉(zhuǎn)折的結(jié)果在上盤中形成活動的剪切軸面和不活動的軸面，這兩種類型的軸面決定著上盤褶皺

17、的形態(tài)與演化。,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,滾動背斜的術(shù)語,活動剪切面(活動軸面)、前生長不活動軸面、生長軸面、生長地層和前生長地層,斷層滑動速率,沉積速率,在不同沉積速率與斷層滑動速率情況下伸展褶皺的形態(tài)特征 請注意：生長地層厚度變化和褶皺形態(tài)變化 a、c、e和g中褶皺形態(tài)類似， b、d、f和h中褶皺形態(tài)類似。可見斷層滑動速率對伸展褶皺的構(gòu)造樣式影響顯著。,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,兩次轉(zhuǎn)折的伸展斷層轉(zhuǎn)折褶皺模型 兩個滾動翼（膝折帶，rollover)在水平方向?qū)挾认嗟?，并且等于水平伸展量。滾動翼的寬度也等于任一前生長地層（如X層）的水平錯斷量,沉積沉降比率(EPTD)：靠近斷層測得的上盤厚度除以斷層

18、滑動量的垂直分量，即：沉積厚度/沉降量=上盤厚度/斷層滑動量的垂直分量。,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,Expansion ratio(擴充率 PRINCETON):區(qū)域上盤厚度除以下盤厚度，即：Expansion ratio =上盤厚度/下盤厚度,Expansion rate（SED）：靠近斷層測得 的上盤厚度除以下盤厚度，Expansion rate =上盤厚度/下盤厚度,上凸、上凹斷層形成的不同生長地層,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,伸展斷層相關(guān)褶皺實例,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,下凹和上凸型斷面轉(zhuǎn)折處 伸展斷層相關(guān)褶皺的軸面分析,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,下凹和上凸型多轉(zhuǎn)折斷面轉(zhuǎn)折處伸展

19、斷層相關(guān)褶皺的軸面分析,多轉(zhuǎn)折伸展斷層相關(guān)褶皺作用實例,上一頁地震剖面的運動學演化模型 斷層的幾何形態(tài)、剪切（軸面）方位、地層厚度是從上一頁下圖（7B）中獲得的，并被用于反演運動學過程。初始階段反映區(qū)域上早于斷裂作用的掀斜，后續(xù)階段反映了槽地內(nèi)構(gòu)造和地層幾何學的演化過程。最后階段（階段5）顯示褶皺的同構(gòu)造沉積樣式（生長三角和一個角度不整合），這種構(gòu)造樣式與上一頁地震剖面上觀察到的構(gòu)造樣式類似。,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,箕狀盆地（半地塹盆地）中滾動背斜的軸面趨近,實際的箕狀盆地及上盤的滾動背斜 （軸面分析見下頁）,對上一頁箕狀盆地中滾動背斜的軸面分析,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,多

20、轉(zhuǎn)折伸展斷層相關(guān)褶皺作用的演化模型（一）,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,多轉(zhuǎn)折伸展斷層相關(guān)褶皺作用的演化模型（二）,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,多轉(zhuǎn)折伸展斷層相關(guān)褶皺作用的演化模型（三）,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,多轉(zhuǎn)折伸展斷層相關(guān)褶皺作用的演化模型（四）,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,多轉(zhuǎn)折伸展斷層相關(guān)褶皺作用的演化模型（五）,渤海裂谷盆地實例,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,渤海裂谷盆地實例,四、伸展斷層相關(guān)褶皺,South Rift盆地地震測線和解釋剖面 示犁式正斷層作用，犁式斷層實際上是斷面的多次轉(zhuǎn)折,五、前陸基底卷入型構(gòu)造,前陸基底卷入型構(gòu)造（foreland basement-involved

21、structure)是山前沖斷構(gòu)造帶中常見的一種構(gòu)造類型，常以狹長的不規(guī)則鏈狀隆起帶的形式出現(xiàn)在前陸盆地中，它是在蓋層或蓋層-基底分界面附近（包括少量基底巖石）由基底主斷層的位移向上傳遞而形成的構(gòu)造。 由于同時涉及到基底和蓋層兩套巖石力學性質(zhì)差異較大的地層，基底主斷層的位移量在向上傳遞過程中，蓋層和蓋層-基底分界面附近對主斷層位移量的響應(yīng)比較復(fù)雜。,五、前陸基底卷入型構(gòu)造,在前陸基底卷入型構(gòu)造中，把主斷層位移量轉(zhuǎn)移到變形帶的可能機制,在前陸基底卷入型構(gòu)造中，基底主斷層位移量向上傳遞的可能機制主要有3種：（a）三角變形帶發(fā)育于基底斷層末端上方的沉積蓋層中；（b）以基底中大量次級斷層為特征的變形帶；（c）三角變形帶發(fā)育于特定深度的基底中。,五、前陸基底卷入型構(gòu)造,關(guān)于前陸基底卷入型構(gòu)造成因的主要模型,在前陸基底卷入型構(gòu)造中，主變形帶往往呈一個向上變寬的三角形區(qū)域，由于該帶內(nèi)地層傾角通常較大，對地震波的反射不明顯。因此，前陸基底卷入型構(gòu)造在地震剖面上通常具有多解性。,平衡地質(zhì)剖面技術(shù)簡介 前提：在垂直構(gòu)造走向的剖面上，地層