第九章 褶皱成因分析 概述 纵弯褶皱作用 重点 纵弯褶皱层内的应变分布与小型构造 其它褶皱作用 1 褶皱成因概述 褶皱成因分析的目的 了解褶皱多样的形态及组合特点 褶皱的区域展布及与地壳运动的关系 对矿产的控制规律 侧压力 重力 岩石力学性质等控制因素在 褶皱发育过程中的作用 褶皱层内部应变及其与其它构造的内在联系 2 褶皱的形成机制 主动褶皱作用 岩石的力学性质 和层理积极地控制着褶皱的发育 褶皱的成因分析 岩石的 变形行为 被动褶皱作用 层理在褶皱变形中不具有力学 上的不均一性 只是被动地作为变形的标志 滑动褶皱作用 物质沿许多一定间隔的 不连续面滑移 从而形成褶皱 流动褶皱作用 物质连续滑移从而形成褶皱 实际上是晶粒尺度或晶格尺度的微小滑动 物质的 运动方式 纵弯褶皱作用 岩层受到顺层挤压力的作用 而形成褶皱的过程 横弯褶皱作用 岩层受到与层面垂直的外力 作用而形成褶皱的过程 剪切褶皱作用 岩层沿着一系列与层面不平行 的密集劈理面发生差异滑动而形成褶皱 柔流褶皱作用 岩石发生类似粘稠流体那样的流动 从而形成复杂多变褶皱的过程 力的作用方 式与物质运 动方式 3 褶皱成因概述 褶皱成因分类 据物质运动 方式分类 滑动 流动 据作用力方 式分类 纵弯 横弯 4 1 纵弯褶皱作用的发育机制 纵弯褶皱作用 岩层受到顺层挤压力而 形成褶皱的作用 岩层之间的力学性质差异起主导作用 硬层主动褶皱 软层被动缩短 5 纵弯褶皱作用 单层褶皱的发育机制 岩层褶皱的阻抗来自强硬层内部和相邻 的软弱层 强硬层内部 趋于形成大波长 软弱层 阻止大波长形成 根据最小功原理 褶皱波长为二者之间的调 和中间值 6 7 纵弯褶皱作用 褶皱主波长理论 Biot 等根据计算和实验提出 把岩层视作弹性板 d 岩层厚度 1 强层粘度 2 弱层 基质 粘度 主波长理论表明 初始主波长与强岩层 的厚度和强岩层与介质的粘度比有关 而与作用力无关 8 纵弯褶皱作用 褶皱主波长理论 褶皱主波长与强岩层厚度成正比 9 纵弯褶皱作用 褶皱主波长理论 1 2 褶皱主波长与强岩层粘度 1 与介质粘度 2 的比值有关 2种典型 极端 情况 1 2 50 来自基质的阻抗很小 设想为强岩层处于 近于自由空间的环境中 1 2 50 1 2 50 来自基质的阻抗很小 11 纵弯褶皱作用 褶皱主波长理论 不同的粘度比 12 纵弯褶皱作用 褶皱主波长理论 粘度比小 形成肠状褶皱 13 纵弯褶皱作用 多层岩层的褶皱发育 控制褶皱形态的影响因素 各层的能干性 相邻层互相影响 强层间的距离 接触应变带的宽度 14 纵弯褶皱作用 接触应变带 接触应变带指的是 硬层 褶皱对介 质的影响范围 接 触应变带以外 介 质不产生明显的褶 皱 仅仅发生均匀 缩短 接触应变带的宽度 强硬层初始主波长 i 15 纵弯褶皱作用 接触应变带与强硬层间距 两 硬层 间隔远 互 不影响 形 成各自的特 征波长褶皱 整个岩系 不协调 16 纵弯褶皱作用 接触应变带与强硬层间距 两 硬层 间 隔小 相互干 扰 但厚度 粘度相同 形 成协调褶皱 17 纵弯褶皱作用 接触应变带与强硬层间距 不规则互层岩系 硬层间隔小 位 于接触应变带内 各层的粘度 厚度不同 形 成复协调褶皱 18 纵弯褶皱作用 规则互层岩系的褶皱 令 n d2 d1 d1 硬层厚度 d2 软层厚度 1 2 1 硬层粘度 2 软层粘度 19 纵弯褶皱作用 多层规则相间的强硬层的褶皱 n高 软层较厚 1 2低 20 纵弯褶皱作用 多层规则相间的强硬层的褶皱 n中等 1 2低 褶皱形态明显 进一步压 扁后成压扁的平行褶皱 21 纵弯褶皱作用 多层规则相间的强硬层的褶皱 n小 软层很薄 1 2低 岩层普遍压扁 22 纵弯褶皱作用 多层规则相间的强硬层的褶皱 n高 软层较厚 形成相似褶皱 1 2高 23 纵弯褶皱作用 多层规则相间的强硬层的褶皱 n中等 1 2高 发育尖棱状褶皱 24 纵弯褶皱作用 多层规则相间的强硬层的褶皱 n低 1 2高 薄的硬层岩系 夹少量软层起润滑作用 没有初始特征波长 形成膝折 不规则尖棱褶皱 25 2 纵弯褶皱作用 的应变分布型式 又分为弯滑褶皱作用和弯流褶皱作用 1 弯滑褶皱作用 一系列岩层通过层间滑动而弯曲成为褶皱的过程 单层弯滑褶皱作用中的应变分布型式 中和面 26 纵弯褶皱层内的应变分布与小型构造 弯流作用与弯滑作用 视频 弯滑褶皱和弯流褶皱 27 弯滑褶皱作用的特点 单层纵弯曲的应变状态及内部小构造 拉伸 压缩 变薄 变厚 纵弯曲的应变状态韧性层的变形脆性层的断裂变形上部断裂下部褶皱 存在应力中和面 背斜上部拉伸 下部挤压 向斜上部挤压 下部拉伸 弯曲前 弯曲后 弯滑褶皱作用 28 各相邻层的上层相对向背斜转折端 滑动 下层则向相邻向斜的转折端滑 动 一方面在层面上形成垂直于枢纽 的擦痕 另一方面在转折端形成空隙 造成虚脱现象 擦痕 弯滑褶皱中发育的层面擦痕 由弯滑褶皱作用在转折端形成 的虚脱现象和鞍状矿体 同心状剪节理 旋转剪节理 弯滑褶皱中的节理 29 纵弯褶皱层内的应变分布与小型构造 弯流褶皱内的应变分布 平面应变 I 平行式 但无中和面 褶皱面为剪切面 相当 圆切面 无 应变 正交剖面上 1方向呈 反扇形 转 折端处无应变 拐点处应变最强 线理在赤平投影图上的变位轨迹为小圆 30 纵弯褶皱层内的应变分布与小型构造 弯流褶皱内应变分布 注意与中和面 褶皱作用应变 分布形式 左 上 的对比 31 纵弯褶皱层内的应变分布与小型构造 弯滑褶皱中的次级小型构造 韧性夹层中的小构造 不对称小褶皱 层间劈理 脆性层中的小构造 层面擦痕 垂直于褶皱轴 层间破碎带 转折端虚脱 可以形成鞍状脉和矿体 弯流作用发生在韧性高的层中 以发育反扇形 板劈理 或褶劈理 为特征 32 强硬层与软弱层不同的变形行为 陕西泾阳县口镇平卧褶皱中的虚脱现象 剖面直立 N 虚脱 33 强硬层与软弱层中的劈理折射现象 陕西省泾阳县口镇平卧褶皱 剖面直立 N 34 塑性层小褶皱的 轴面与其上 下相邻的 褶皱面所夹锐角指示其 相邻岩层的滑动方向 除平卧褶皱和翻卷 褶皱外 可以根据上述 层间滑动规律平判断岩 层顶 底面 从而确定 岩层层序是否正常 以 及背斜与向斜的位置 弯滑褶皱作用形成的层间小褶皱 可用于判断地层是否正常35 2 弯流褶皱作用 岩层弯曲变形时不仅发生层间滑动 而且某些岩层 的内部还出现物质流动现象 上下层面对褶皱层内物质 的流动起着控制作用 弯滑褶皱的内部构造 特点 往往呈相似褶皱或类顶厚 褶皱 翼部和转折端的塑性层内 往往形成从属褶皱 显示层 内物质向转折端流动的特征 36 3 纵弯褶皱中的劈理 在强硬层与软弱层相间的情况下 劈理 将在不同的岩层中发生折射 强硬层 软弱层 高韧性差 的岩层组合 低韧性差和 平均韧性大 的岩层组合 强烈压扁作用 下近于平行的 轴面劈理 低韧性差和 平均韧性大 的岩层组合37 2 横弯褶皱作用 岩层受到与层面 垂直的外力作用而形 成褶皱的过程 底辟构造是一种 典型的横弯褶皱作用 横弯褶皱中的应力轨迹 主应力 1 3 剪应力 38 横弯褶皱作用 横弯褶皱作用引起的弯流作用 请注意 层间小褶皱的轴面产状正好与弯滑褶皱作用引 起的层间小褶皱产状相反 弧形隆起基底 泥质岩层 39 横弯褶皱作用 作用力垂直于层面 特点 整体拉伸 无中和面 韧性层形成I 顶薄型 但 常在背斜顶部形成地堑 底劈顶部形成放射状或环 状断裂系 基底断层上形 成挠曲 同沉积褶皱 一类特殊的横弯褶皱 40 同沉积褶皱 又称生长褶皱 是在岩层沉积的同时逐渐变形而形成的褶皱 特点 上平下陡 为开阔褶皱 背斜顶薄 向斜中心厚 边沉边 褶 岩石组构受构造控制 背斜顶水浅沉积粗 向斜中心水 深沉积细 有同沉积滑塌 41 底辟作用 底辟构造成因 上下岩层密度倒置 力学不稳定产生失稳 岩石发 生固态流动 由高应力处向低应力处流动 底辟构造类型 盐丘 岩浆底辟等 可以成为良好的储油构造 造成盐丘失稳的原因 上覆层厚度不等 差异剥蚀 盐层表面起伏不平 水平挤压 42 底辟作用 底辟构造剖面图 德国汉诺威附近的盐丘构造剖面图 据E S Hills修改 43 底辟构造 地下高韧性岩体在构造力的作用下 或由 于岩石物质间密度差异所引起的浮力作用下向 上流动并挤入上覆岩层之中而形成的一种构造 就是底辟构造 分为岩浆底辟和盐丘 Mz P z 塔里木盆地塔北隆起的岩浆底辟构造 44 底辟作用 盐丘构造 盐核 直径 km 边界陡立 下延数km 内 部发育轴面和枢纽陡立的复杂褶皱 围岩 顶部穹隆状隆起 发育正断层系 褶皱形态 为1A型顶薄褶皱 外围的翼部地带向上卷起 甚至形成围绕盐 核的向斜 45 3 剪切褶皱作用 特点 1 被动褶皱作用 2 褶皱层中发生 平面应变 同一剪 切面上各处的应变 值相等 3 相似褶皱 剪切褶皱作用模式 滑动方向垂直于褶皱层不均 匀差异滑动形成的剪切褶皱 沿着与褶皱层斜交 的滑动形成理想的 相似褶皱 滑动方向 46 剪切褶皱作用 岩层被动弯曲 层面不具有 力学意义上的 主动性 发生在韧性较 大的岩层中 如盐岩或韧性 差极小的岩系 地壳深部环 境 中 47 剪切褶皱特点 剪切面上每一点为平面应变 褶轴不一定平行于中间应变 轴 只有当层面垂直于剪切 方向时 二者才一致 无中和面 褶皱二翼剪切方向相反 属于 型相似式 平行于轴面方向上岩层厚度不变 顶加厚 翼减薄 并非由于物质流动引起 背形二侧 面成反扇形 可能形成反扇形劈理 48 4 柔流褶皱作用 发生在具有高韧性和低粘滞度的岩石中 常用来说 明其生成时的物理化学环境 形成于下构造 层次的柔流褶皱 49 柔流褶皱作用 固态流变条件下 岩 石具有高韧性和低粘 度 呈类似流体的粘 滞性流动 盐丘核部盐层的褶皱 冰川中冰层的流动和 砾石的变形 灯 盏石 肠状褶皱 高级变质 岩 混合岩中常见的 柔流褶皱 在物质的持续粘性流动中 既有层流 也有紊流 使得 褶皱形态十分复杂 较简单 层流条件下的柔流褶皱可看 作剪切褶皱作用进行研究 50 本章要点 纵弯褶皱作用 应力分布 形态 弯滑 弯流作用 伴生构造 纵弯褶皱作用与横弯褶皱作用的区别 51 思考题 褶皱有哪些形成机制 纵弯褶皱有何特点 怎样识别同沉积褶皱 自然界大部分褶皱是由纵弯褶皱作用形成的 从地壳变形的角度分析 这种现象反映了什么 问题 对于柔流褶皱作用 应该采用什么方法和手段 对其进行描述和研究 52 褶皱的观测研究 岩石圈中大量发育而又十分重要的地质构造之 一 53 一 褶皱作用的时间 形成于卷入褶皱的最新地层之后 覆盖褶皱的最 老地层之前 塔里木盆地塘北背斜地震剖面 54 二 褶皱的观测研究 褶皱形态的研究 褶皱形态的纵深变化 研究褶皱内部的小构造 确定褶皱的形成时代 55 1 褶皱形态的研究 了解区域总的构造轮廓 查明地层层序和追索标志 层 观察褶皱的几何形态 56 1 1了解区域总的构造轮廓 搜集资料 踏勘 尽可能了解区域构造基本轮 廓 57 1 2 查明地层层序和追索标志层 区分层理和次生面理 查明岩层的产状 确定背斜向斜的位置 标志层 层位稳定 分布广泛 在岩石成分 结构构造或所含化石方面具有明显特征 切厚度不太大而稳定的岩层 58 1 3 观测褶皱的几何形态 测定褶皱轴面和枢纽的产状 判断是平行褶皱还是相似褶皱 研究褶皱转折端 观察褶皱的处露形态和平面图像 绘制褶皱剖面图及横截面图 59 2 研究褶皱形态的纵深变化 从横切褶皱的陡崖上 从地表形态特征推断深部 变化 利用物探钻探资料确定 60 3 研究褶皱内部的小构造 小褶皱 从属褶皱 独立褶皱 层间 褶皱 轴面劈理 层间劈理 测量轴面 枢纽产状 用赤平投影 61 4 确定褶皱的形成时代 角度不整合分析法 岩性厚度分析法 穿插关系 岩浆岩同位素年龄 多期变形变质 62 思考题 怎样确定褶皱的形成时代 如何观测研究褶皱 如何研究褶皱内部的小构造 怎样观测褶皱的几何形态 63 64 。