第九章 褶皺的成因分析

第九章褶皺的成因分析褶皺的成因概述一、根據(jù)褶皺過程中巖層的變形行為，可以劃分為：

主動褶皺（彎曲褶皺）、被動褶皺（剪切褶皺）二、根據(jù)褶皺過程中物質(zhì)運動方式，可以劃分為：

滑動褶皺作用、流動褶皺作用三、根據(jù)引起褶皺的作用力方式，可以劃分為：

縱彎褶皺作用、橫彎褶皺作用主動褶皺和被動褶皺主動褶皺：褶皺的形成是通過層的力學性質(zhì)和層理積極地控制著褶皺發(fā)育，又稱彎曲褶皺。形成條件：地殼中淺構(gòu)造層次（約10km以內(nèi)）。被動褶皺：層理的力學不均一性在褶皺形成過程不起主導作用，只是被動作為變形標志，這種褶皺稱為被動褶皺，它的層理并沒有發(fā)生真正的彎曲，而褶皺是通過沿平行剪切面的不均勻剪切而形成的，這種褶皺又稱剪切褶皺。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。巖石間的韌性差異很小，趨向于均一。流動褶皺和滑動褶皺流動：是指物質(zhì)的連續(xù)位移（A）?；瑒樱菏侵肝镔|(zhì)沿著許多一定間隔的不連續(xù)面的位移（B）?？v彎褶皺和橫彎褶皺縱彎褶皺：是在平行于巖層的水平擠壓作用下，巖層失穩(wěn)而彎曲，稱為縱彎褶皺。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，稱為橫彎褶皺?？v彎褶皺橫彎褶皺第一節(jié)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)向的順層擠壓力的作用后發(fā)生褶皺彎曲叫做縱彎褶皺作用。

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側(cè)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。

(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。

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形成一系列有規(guī)律分布的小構(gòu)造。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，若內(nèi)凹側(cè)微層理發(fā)育,還可形成一系列小型褶皺;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。內(nèi)部伴生的小構(gòu)造特點巖石韌性很小時，抗張強度差，發(fā)生脆性破裂，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，為脈體充填時則形成順層張裂脈。巖石韌性中等時，抗剪強度差，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，外側(cè)因拉伸而變薄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，也可形成次級小褶皺。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)向擠壓作用中通過層間滑動而發(fā)生彎曲成為褶皺的作用。(1)縱彎引起的彎滑作用往往形成平行褶皺,也即IB型褶皺。

平行褶皺(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。

(3)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。

樞紐(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。

(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。

層間小褶皺的軸面與它們上、下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。上述層間滑動規(guī)律可用來判斷巖層的頂面和底面,確定巖層層序是正常還是倒轉(zhuǎn);還可用來判斷背斜和向斜的位置。

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。(1)層內(nèi)物質(zhì)的流動方向,是從翼部流向轉(zhuǎn)折端,并導致在褶皺轉(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。相似褶皺(2)當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。(3)當硬巖層中夾有一大層層理發(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。(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?？v彎褶皺中發(fā)育的劈理型式可形成正扇形劈理、反扇形劈理、軸面劈理和劈理折射等。褶皺中劈理與層理關(guān)系的應用實例利用劈理與層理關(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)。第二節(jié)橫彎褶皺作用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。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。(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。(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的。(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,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。橫彎褶皺之一—底劈構(gòu)造底劈構(gòu)造：是一種特殊褶皺，是地下低粘度易流動物質(zhì)因浮力自下而上流動，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、儲油構(gòu)造，具有重要的經(jīng)濟價值。動力學原因是由于巖石密度倒置引起重力不穩(wěn)定性。 石鹽粘度1017Pa·s，密度2.2g/cm3

巖石粘度1022－1023Pa·s，密度2.5－2.7g/cm3巖漿侵入穿刺/

底劈構(gòu)造

當巖漿上升,侵入圍巖,使上覆巖層發(fā)生拱曲時,則可形成巖漿底辟/穿刺。橫彎褶皺之二—同沉積褶皺同沉積褶皺－巖層邊沉積邊形成褶皺。同沉積褶皺特征：

1）兩翼產(chǎn)狀傾角平緩，總體為開闊褶皺；

2）巖層厚度背斜頂薄，翼部厚；向斜核部厚度大；

3）背斜頂部沉積物為淺水粗粒物質(zhì)，向斜中心變細；

4）伴隨滑塌斷層。J-K——頁巖在頂部相變?yōu)樯暗[巖 P——頁巖層間小褶皺發(fā)育 C——細砂巖頂部發(fā)育楔狀節(jié)理 D——頁巖發(fā)育有層間小褶皺根據(jù)上圖背斜中各層小構(gòu)造、巖相及厚度變化特點分析并回答：1、地層之間的接觸關(guān)系；2、背斜由哪些褶皺作用形成；3、簡述該背斜的形成過程。第三節(jié)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面發(fā)生差異滑動而形成褶皺的作用叫做剪切褶皺作用。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)果的標志或參照系。

(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。

巖層面滑動面(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。

滑動面巖層面第四節(jié)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)復雜多變的褶皺。例如,鹽丘構(gòu)造的底辟核的膏鹽層就是一種形態(tài)復雜的柔流褶皺、

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。

腸狀褶皺第五節(jié)膝褶作用膝褶作用:

這類褶皺主要發(fā)生在巖性較均一的脆性薄巖層或面理化巖石中,脆性薄巖層在一定圍巖的限制下,受到與層理或面理平行或稍微斜交的壓應力作用,使巖層發(fā)生層間滑動,但又受到某種限制,常常使滑動面發(fā)生急劇轉(zhuǎn)折,即相當于軸面的膝褶面折轉(zhuǎn)而成尖棱褶皺。

膝褶中的滑動褶皺作用常集中發(fā)生在不對稱膝褶的短翼部分,形成剪切帶,稱為膝褶帶;膝褶帶兩側(cè)的界面為膝褶面。兩個相鄰膝褶帶可以互相平行,也可呈共軛相交,形成箱狀褶皺或稱為共軛褶皺。一系列兩翼等長的對稱式尖棱褶皺常組成“人”字型,或手風琴式褶皺。第六節(jié)褶皺形成中的壓扁作用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,會引起平行主壓應力方向的縮短和垂直于主壓應力方向的伸長,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)部的應變分布都有顯著的影響。(1)在壓扁作用下,褶皺巖層內(nèi)各點應變狀態(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)各點應變橢球體的長軸X逐漸旋轉(zhuǎn)到與褶皺軸面平行的方向上,壓扁作用越強烈,應變橢球越扁,整個褶皺就越緊閉。(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。

(3)壓扁作用也使巖石中的鮞粒、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。(4)在壓扁作用下,位于褶皺翼部的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,形成以層面為標志面的剪切褶皺。(5)當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。(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力方向壓縮,垂直主壓應力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。第七節(jié)影響褶皺形成的主要因素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、巖石的力學性質(zhì)等。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,但是不會產(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。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,當對巖性相同或相似而厚度不同的巖層施加同樣的水平擠壓力時,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。3.巖層組合及其力學性質(zhì)對褶皺形成的影響:

巖石的力學性質(zhì)直接影響褶皺的形態(tài)和類型,當巖石力學性質(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。此外,強硬巖層在轉(zhuǎn)折端形成扇狀楔形張節(jié)理,而軟弱巖層在轉(zhuǎn)折端則形成反扇形流劈理。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。

巖層的“強硬”和“軟弱”是相對的,巖層的強弱除與巖層的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有關(guān)外,還要受變形時的溫度、圍壓、溶液、應變速率等因素的制約。在一個地區(qū)表現(xiàn)為強硬的巖層,在另一個地區(qū)可能表現(xiàn)為軟弱巖層。在一般情況下,砂巖和頁巖互層時砂巖為強硬巖層,石灰?guī)r與頁巖或泥灰?guī)r一起褶皺時,石灰?guī)r是強硬巖層,但石灰?guī)r與白云巖或硅質(zhì)灰?guī)r互層時,石灰?guī)r則表現(xiàn)為軟弱巖層。同一種巖石,厚層的往往表現(xiàn)為強硬巖層,薄層的則表現(xiàn)為軟弱巖層。Biot等人通過模擬實驗和野外實際,提出了側(cè)向擠壓力下縱彎褶皺作用發(fā)育機制中主導層的厚度及其有關(guān)巖石力學性質(zhì)控制著彎曲作用早期的褶皺波長－即主波長理論。該理論認為,巖石在小應力長期的作用下,可以看作是具有不同粘度的粘性固體,發(fā)生均勻縮短和失穩(wěn)而形成褶皺。粘性較高的巖層(強硬巖層)在褶皺作用中起主導作用。當粘度較高的巖層夾于粘度較低(軟弱巖層)的介質(zhì)層中,受到側(cè)向擠壓而發(fā)生褶皺時,其初始主波長(Wd)的公式為:Wd=2πT3√(h1/6h2)

公式中T為主導層的厚度,h1為主導層的粘度,h2為介質(zhì)層的粘度,h1>

h2。由公式可知,褶皺主波長與褶皺主導層厚度T成正比,與主導層和介質(zhì)層二者的粘度比(h1/6h2)的立方根成正