构造地质学研究进展-

1、构造地质学研究进展学院：沉积院 专业：沉积学 导师:学号：2014010137姓名：断层相关褶皱理论与应用研究新进展一断层相关褶皱基本理论自从rich (1934)研究阿巴拉契亚前陆冲断褶皱带以来，在70多年的时问 里，人们对冲断推覆构造及断层相关褶皱进行了大量的理论硏究与实践，发现地 壳浅部的褶皱变形与下伏断层的滑移有关。s叩pe (1983)发表的断层转折褶 皱的几何学与运动学一文，详细地阐述了断层转折褶皱的几何学特征，提出了 上盘褶皱与下伏相关断层滑移之问的定量关系，为前陆冲断褶皱带的几何学与运 动学分析奠定了基础。随后断层相关褶皱理论被广泛应用在前陆褶皱冲断带构造 研究中。经过多年的努

2、力，人们相继总结了断层转折褶皱、断层传播褶皱和滑脱 褶皱的构造模型和成因机制，为定量化分析和研究前陆褶皱冲断带构造几何学和 运动学提供了理论依据(suppe 和 medwedeff, 1990； jamison, 1987； shaw 等, 2005)o随着前陆盆地沉降，造山带冲断构造向前陆盆地推进，使前陆盆地沉积地层 发牛变形，形成各种褶皱与冲断样式，而且可以观察到褶皱与冲断层之问的连锁 关系，如双层构造、叠瓦构造和三角带等。这种关系在断坪或断坡情况都可发育。 在前陆褶皱冲断带中，褶皱与断层作用是密切相关的，是脆性与韧性变形作用的 综合表现形式(strayer 和 hudleston, 19

3、97)。断层岩层受地应力作用后发牛破裂，在力的继续作用下沿破裂面两侧岩块发牛显 著相对位移的断裂构造，称为断层。断层的规模大小不一，其形态和类型繁多， 分布广泛，是地壳中最重要的构造之一。大型断层常构成一个地区的构造格架， 不仅控制区域地质的结构和演化，而且影响区域成矿作用和煤出的分布；一些中 小型断层肓接决定矿床和矿体的形态和产状，对石油、天然气、地下水的分布、 运移、储聚也有重要影响。现代活动性断层则宜接影响水文工程建筑，甚至引发 地震。因此，研究断层具有重要的理论意义和实践意义。褶皱褶皱是指岩石受力发牛的弯曲变形，它是由岩石中各种原来近于平育的面变 成了曲面而表现出来的，形成褶皱的变形面

4、绝大多数是沉积岩的层面，而变质岩 的劈理、片理或片麻理以及岩浆岩的原牛流面、岩层和岩体中的节理面、断层面 或不整合面，受力后也可变形而形成褶皱面。因此，褶皱是地壳中一种最常见的、 最基本的地质构造。褶皱形象地反映地壳中岩石发生了连续塑性变形。褶皱的形 态千姿百态，复杂多样。褶皱的规模差别极大，从卫星照片上巨大的褶皱系和构造盆地到出现在个别露头上或手标本上的褶皱，以至显微镜下的微型褶 皱。研究褶皱的形态、产状、分布和组合特点及其形成方式和时代，对于揭示一 个地区的地质构造的形成规律和发展史具有重要意义。许多矿产在成因、矿体产 状和空间分布上都与褶皱有密切关系。褶皱构造述程度不同地影响水文地质和工

5、 程地质条件。因此，研究褶皱具有重要的理论意义和实际意义。断层相关褶皱在自然界野外露头上常常看到断层和褶皱相伴而生。我们知道，断层屈脆性 破裂，而褶皱屈于塑性变形，这种脆性和韧性构造在空间并存的现象看起来有些 矛盾。岩石怎么能脆性破裂的同时发生韧性形变呢？关于断层和褶皱空间并存的 一种解释是，构造是在不同的时期，在不同的压力和温度下形成的。比如说野外 露头看到的褶皱形成于5亿年前地壳15公里深的地下，后来包含褶皱的岩体由 于地壳运动隆升剥蚀至浅表，再遭受到另一次构造运动而形成断层。很明显，在 这个例子中断层切割了早期形成的褶皱，而与褶皱没有几何关系。但是在自然界 中有很多例子表明断层和褶皱是存

6、在空间几何关系的，这两种构造的形成是相互 关联的。我们把这种形成机制与断层活动有生成联系的褶皱称为断层相关褶皱。断层相关褶皱理论是20世纪80年代以来构造地质学取得的最重要的进展之 -o普林斯顿大学suppe教授是这一理论的奠基人。1934年，rich在研究阿巴 拉契亚山低角度逆掩断层时提出的断层转折褶皱的概念，半个世纪以后，suppe （1983）将其定量化，建立了断层形态与褶皱之间的几何关系，以及断层滑动与 褶皱发冇的运动学模型。这种定量关系成为前陆褶皱冲断带构造解释以及止演 与反演模拟技术中平衡剖面方法的重要基础。根据断层性质可以将断层相关褶皱分为与逆断层相关的断层相关褶皱和与 正断层相

7、关的断层相关褶皱。自然界中，断层相关褶皱按形成机制主耍可以分为 三种类型：断层转折褶皱、断层传播褶皱和断层滑脱褶皱。对这三种褶皱类型都 已经建立了较为成熟的几何与运动学模型。一.与逆（冲）断层相关的褶皱在前陆地区，褶皱和逆（冲）断层常常紧密伴生，关于褶皱和逆（冲）断层 的关系即褶皱作用和冲断作用何者居于主导地位，地学界有两种观点。第一种观 点认为在褶皱和逆冲断层的形成中，褶皱作用占主导地位，褶皱变形由弱变强直 至形成断裂，女uhein (1921)的褶皱推覆模式以及sitter (1964)关于褶皱和逆 冲断层关系的三种分类(延伸逆断层、破裂逆断层和剪开逆断层)。第二种观点 也是目前比较流行的

8、断层相关褶皱模式，认为逆冲岩席在沿断层滑动过程中，当 从一个低层位断坪经断坡爬升到高层位断坪时或者当断面沿倾向终止时，在断坡 处或者断层端点处形成以背斜为主的褶皱，即断层相关褶皱。在断层相关褶皱中，断面的形态和沿倾向的延仲取决于岩层的力学性质。理 论上，在泥页岩、膏盐岩等软弱岩层中易形成断坪，在此断面常平行于岩层层面 发育，即所谓的滑脱面；而在灰岩、自云岩、致密砂岩等强硬岩层中，断面以一 定角度切截这些硕岩层而形成断坡，或者终止于此。可见滑脱面(层)的发冇是 断层相关褶皱形成的基本条件之一。由于地层内部的非均一性，这在软硬相间的 沉积岩层内很容易实现。因此，由断坪断坡构成的台阶状逆冲断层以及与

9、此相 关的褶皱就成为前陆地区的常见构造样式。(1) .断层转折褶皱断层转折褶皱的运动学模型由s叩pe (1983)建立。岩层变形发生在活动轴 面和不活动轴面之间的区域，这两个轴面位于断层的上方，活动轴面下端位于断 层的拐点(断层面倾角发生变化的位置)上。变形首先发生于活动轴面，活动轴 面左侧的岩层未发生倾斜变形，变形岩层沿断层向上滑移。不活动轴面代表了活 动轴面的原始位置，变形前不活动轴面与活动轴面重合，变形发生后不活动轴面 与活动轴面分离，活动轴面位置不变，不活动轴面沿断层面滑移，不活动轴面与 活动轴面之间的区域组成膝折带，膝折带的宽度等于断层的滑移量。膝折带迁移 (加宽)形成断层转折褶皱，

10、褶皱翼部倾斜岩层的倾角不变，倾斜岩层的宽度与 断层滑移量呈止比关系。这样形成的褶皱后翼长(取决于下盘断坡)，前翼短， 后翼平缓，前翼倾角可达10030以上，背斜一般发育平顶。suppe (1983)提出了一个定量方法，把褶皱形态与冲断层的几何学联系起 来，便于构建理想的断层转折褶皱的平衡剖面。应用suppe的运动学模型，把变 形构造恢复到变形前状态，需要以下几个假定条件：断坪一断坡一断坪的断层 形态形成于断层滑动之前或滑动开始之时；上盘在固定的下盘之上运动；下 盘不变形；上盘断坪上的断层位移是不变的，而在上盘断坡上，位移向上减小 (mcconnell等，1994, 1997)。按断层面的产状，

11、可将断层分为向形断层与背 形断层。向形断层转折褶皱形成于向上叫曲的向形断层之上，其活动轴面位于褶 皱向斜区(断层的拐点上)；不活动轴面位于褶皱背斜区，随断层的滑移而迁移。 背形断层转折褶皱形成于向下凹曲的背形断层之上；活动轴面固定在断层拐点 上，通常位于褶皱背斜区；不活动轴面则位于向斜区，并随断层上盘一起运动。(2) .断层传播褶皱在断层生长速率相对小于滑动速率，或在断层滑动量增加而断层端点固定 时，就易形成断层传播褶皱。该类断层前翼倾角大，有时陡立甚至倒转；后翼相 对宽缓。在断层端点之上地层中背斜具有双轴面，在断层端点之下的背斜中具有 单轴面(s叩pe和medwedeff, 1990)。当冲

12、断层断坡自平行层面的断层段向上传 播时，断层传播褶皱就开始发育。断层相关褶皱的冲断层与褶皱之间的动力学关 系,曾用断层传播褶皱(suppe 和 medwedeff, 1990； chester 和 chester, 1990)、 突破冲断褶皱(fischer等，1992)和断层位移梯度褶皱(wickham, 1995)来描 述。这些模型都具有以下特征(mcconnell等，1997)：褶皱陡翼的地层首先 经过一个倾斜的向斜枢纽；上盘在固定的下盘之上运动；下盘岩石不变形； 断坡上的位移向上均一减小；断坡切穿向斜枢纽向上发育。为了描述断层传 播褶皱的基本概念，假定剖面中的断坡从滑脱面向上传播(并不

13、是所有的断层转 折褶皱都是从滑脱断层发育而来的)。换句话说，断层传播褶皱是指由于断层产状的改变，逆冲断层由深部层位向 浅部层位扩展时，由于应力的减弱，断裂变形被褶皱变形所取代，在其前锋断层 端点处形成断层传播褶皱。褶皱变形吸收了断层的位移滑动量。断层传播褶皱常 形成于地壳浅层，多出现在冲断构造带的前缘隐伏前锋带。断层传播褶皱的特点 是：形态不对称，前翼陡窄，后翼宽缓；向斜“固定”在断层转折处；随深度加 大褶皱越来越紧闭，浅部通常表现为不对称箱状背斜，深部逐渐过渡为尖棱状褶 皱；背斜轴面的分叉点与断层端点在同一地层面上；背斜轴面在断面上的终止点 和断层转折点之间的距离即是断层的倾向滑动量；断层滑

14、动量向上减小，至断层 端点处变为零。(3) .断层滑脱褶皱断层滑脱褶皱也称滑脱褶皱，它是在一个或多个滑脱层之上形成的收缩背斜 (dahlstrom, 1990)o其形成往往与滑脱层底部或滑脱层中存在的一条或多条层 平行断层的运动有成生关系，当受到水平挤压外力作用时，沿层平行断层的位移 传递到上盘地层中形成的褶皱即为滑脱褶皱。这类褶皱与冲断层断坡无直接关 系，而滑脱断层之上的分布式变形有关。滑脱褶皱有4个基本特征：在滑脱层之下或之中往往存在一条或多条底部 滑脱断层；底部滑脱层在褶皱核部发生加厚；滑脱层之上的能干岩层，在变 形过程中厚度、长度不变；同生长地层向褶皱顶部厚度减薄，褶皱翼呈扇状旋 转。

15、二.与正断层相关的褶皱在张性构造环境中的正断层活动也能造成断层相关褶皱。与之有关部分褶皱 的枢纽与断层的走向平行或近于平行，一般局限予紧邻断层面的区域。如反牵引 褶皱（滚动背斜）。反牵引褶皱（滚动背斜）反牵引褶皱（滚动背斜）的形成是沿向上弯曲（铲式）止断层的运动所造成 的，由于铲式正断层的运动在上、下盘之间形成了一种潜在的空隙，随后上盘岩 层在重力作用下弯曲垮塌进入空隙，形成反牵引弯曲的褶皱。反牵引褶皱（滚动 背斜）的几何形态受断层面及上盘岩层充满潜在空间机制的控制。变形机制包括 垂直简单剪切、倾斜的简单剪切和挠曲滑动。变形机制的类型取决于受影响的岩 层的岩性。列据研究，松辽盆地深层徐家围子断

16、陷中的“凹中隆”构造就是止断层相关 褶皱的一种表现。图1中说明在拉张仲展环境下，正断层相关褶皱演化形成“凹 中隆”的过程，其中背斜构成“凹中隆”，向斜可构成断陷盆地。此模式演化可 分a、b、c、d、e五个演化阶段。a. 台阶状止断层初始形成期原始近水平产状的先存沉积地层（由老到新分为1、2、3、4、5层），在拉 张应力作用下，追踪早期节理及层及薄弱带（如2层与3层之间）形成台阶状正 断层雏形。在3层、4层上追踪早期节理形成上断坡，2层与3层之间追踪层间 薄弱带形成上断坪，1层、2层上追踪早期共觇节理的一组形成下断坡，最后在 1层底部追踪层间薄弱带形成下断坪（图1-a）ob. 拉张空间形成期随着

17、拉张应力的持续作用，正断层上盘、下盘地层顺台阶状正断层拉开、拆 离，在地表及地腹分别形成拉张空间i与隐伏拉张空间ii （图1-b）oc. “凹中隆”形成期由于重力作用，上盘地层弯曲、塌陷填补拉张空间，从而在地表同时形成断 陷盆地i与断陷盆地ii,断陷盆地i与断陷盆地ii之间则岀现一个背斜隆起的“凹中隆”构造样式（图1-c）o "凹中隆”的规模受台阶状正断层上断坪长度控制,-x斷陷盆地山°）拉张空间i隐伏拉张空间euita址倔图1台阶状正断层相关褶皱演化示意图（据李忠权，2008）上断坪长度越长，“凹中隆”背斜的可能宽度则越宽。断陷盆地i与断陷盆地ii 在控盆构造特征上还存在

18、一定的差异。断陷盆地i可见拉张正断层直接控制了断 陷盆地的发育；断陷盆地ii则表现为隐伏正断层控制盆地的发育，地表看不出 有断层的肓接控制作用，表现为塌陷盆地的特征。当这两个断陷盆地被后期沉积 物充填，则在盆地边缘（如“凹中隆”接触部位）可出现上超角度不整合。d. “凹中隆”演变期随着拉张应力的持续作用，正断层位移量不断加大，两侧断陷盆地规模则随 之增大，“凹中隆”规模则不断缩小。此时，3层、4层上的拉张位移量与1层、 2层上的拉张位移量可以不同，应此可以出现断陷盆地i与断陷盆地ii规模不一 致的现象。为了保持“凹中隆”的存在，3层、4层上的伸展位移量应小于上断 坪的长度（图1-d）oe. “

19、凹中隆”消亡期当3层、4层上的拉张位移量大于上断坪的长度时，“凹中隆”构造消失， 断陷盆地1与断陷盆地ii则联为一体，形成一个大型断陷盆地（图1e）。以上 这一演化过程揭示了由于断层面产状的台阶状（弯曲状）变化，在拉张应力作用 下，正断层和关褶皱的演化过程，注意背斜“凹中隆”构造从形成到消亡的全过 程。这里只分析了两个“断坡一断坪”的情况，如果“断坡一断坪”更多，则情 况更复杂。通过以上演化研究发现，背斜“凹中隆”这一局部隆起与其两侧的断 陷盆地形成时间相同，但分属不同时期的沉积地质体，是两期盆地的产物，因此, 它们之间表现为上超角度不整合接触。断层相关褶皱研究新进展自s叩pe首次将其定量化，

20、建立了褶皱形态与断层形态和断层滑动之间的定 量关系，奠立了断层相关褶皱理论的基本模型。20年来，不但建立了断层传播 褶皱、断层滑脱褶皱等基本端员类型的几何学与运动学模型，也建立与完善了断 层相关褶皱叠加样式的几何学与运动学模型，例如叠瓦构造、构造楔与干涉构造 等。研究同构造沉积作用，建立了生长断层相关褶皱的几何学与运动学模型， 将沉积作用与断裂作用、褶皱作用及构造隆升作用等有机地联系起来。考虑地层 的力学性质与变形差异，提出与建立了剪切断层转折褶皱理论，并建立了断层相 关褶皱的一系列力学模型。20年来，断层相关褶皱的基本研究方法经历了由二 维剖面与平面分析向全三维空间分析的转变，由几何学、运动

21、学模型向力学模型 的转变，实验模拟技术与数值模拟技术在断层相关褶皱理论模型的建立与检验中 发挥了重要作用。断层相关褶皱的理论和方法在工程地质、地震灾害预报与油气 勘探开发等领域获得了广泛的应用。中国在天山、祁连山和龙门山等相邻的前陆 盆地的活动构造与含油气圈闭研究中，应用断层相关褶皱的理论与方法取得了 重要进展。在断层相关褶皱研究方法中，在以下几个方面有比较新的发展：1 剖面复原的新技术构造地质演化剖面广泛应用于构造剖面解释、检验与古构造分析中。例如， 要确定构造解释是否合理，构造的形成时间，构造发生改造的时间，或确定构 造形成时期与油气生运聚高峰期的匹配关系，就需要对现今构造剖面进行恢复或

22、复原。但传统的层拉平技术或根据厚度及孔隙度2深度关系的回剥技术往往产生 很多假象，或者是给岀面积不平衡的恢复剖面。对这样的复原剖面，可信度很低 且往往产生误导。针对传统方法的缺陷，nunns、shaw、suppe等学者逐渐建立 了倾斜剪切复原技术。这一技术不受褶皱机制（例如膝折带迁移、翼旋转等）或 构造环境（伸展体制或挤压体制）的约束，其复原剖面反而能为褶皱机制提供信 息。这一技术遵循剖面面积守恒原理，在复原的过程中采取平行褶皱轴面的倾斜 恢复矢量向下移动进行逐层复原（或称为拉平），倾斜恢复矢量与褶皱矢量大小 相等、方向相反，反映原来褶皱应被恢复的方位与大小。在根据地震、井、地表 露头建立的剖

23、面上可以直接观察褶皱轴面，从而确定其方位。褶皱轴面通常能满 足剖面进行复原的条件，即面积守恒、合乎地质原理。2. 二维平衡剖面向三维平衡模型的转变随着地表制图、钻井及三维地震勘 探等不断开展，三维数据急剧增多。同时，计算机的计算能力、可视化技术也不 断增强，促进了由二维（平面、剖面）模型向三维模型的转变。断层相关褶皱模 型从二维向三维的转变表现在三个方面：断层相关褶皱的三维描述或表征、恢 复、止演模拟的新技术不断完善；对断层相关褶皱的自然实例或实验模型开展了 大量深入研究；对断层相关褶皱的三维生长发育过程，例如褶皱侧向终止、位移 传递带、跨走向的不连续性等的效应或几何学特征已有大量研究。对断层

24、相关褶 皱的三维几何学、运动学与动力学特点的研究逐渐加深。三维复原方法借助于平衡约束条件与变形机制假设来恢复未变形的几何学 特点，最近取得较大进展。在前人研究的成果基础上，rouby等建立了综合的去 褶皱与去断层方法，应用弯滑、均一倾斜剪切及非均一倾斜剪切等多种去褶皱机 制，可以对不同构造环境（挤压或伸展）的复杂的褶皱与断层面进行三维复原。 先应用有限三角元最佳拟合法去褶皱，再假设刚体断块运动在平面上通过多边形 元对断层位移进行恢复从而去断层。rouby等的方法可以得到：三维位移场（为 褶皱矢量与断层矢量之和），反映变形的运动学；断层滑动方向，可用来分析三 维位移总体格架中断块的活动特点；应变

25、特点，对所恢复的面进行应变分析，可 以显示地下变形过程，从而确定高应变区域，对油气而言，这些部位常是有利储 集体发育区。3. 几何学、运动学模型向力学模型的转变运动学模型依赖于速度分布，但不一定在力学机制上是完全可靠的。采取力 学模拟的手段，可以检验这些运动学模型。近年来，随着计算机计算能力的不断 增大，已开发出三维力学模拟软件，如itasca公司的pfc3d软件。该软件应用 固体力学原理，采取特征元方法可以进行固体材料变形的数值模拟。strayer等 应用该软件对冲断系统进行了三维力学数值模拟，对冲断层的运动学及力学作用 过程开展定量研究，研究表明，冲断层侧向传播较缩短作用要快，冲断位移与传

26、 播长度之比为61 5%；冲断层在横剖面内运动时，往往也有向面外运动的趋势。 cardozo等建立了断层传播褶皱的力学模型，并将其与三角剪切运动学模型进行 对比。断裂作用与传播褶皱作用同时发生的力学过程，受控于三个相互关联的参 数，即断层的滑动量，断层的传播量，断层端点前方岩石的内部应变。对不可压 缩的材料而言，力学模型得到的褶皱儿何形态、有限应变及速度场与三角剪切运 动学模型的结果完全一致。对可压缩的摩擦材料而言，力学模型在断层端线前方 形成一个三角形剪切带，在褶皱后翼产生一个共辘剪切带，两者都随断层端线的 传播而迁移；共辘剪切带与断层倾向相反，形成一个缓倾的背斜形后翼，但断层 并没有发生转折。4. 在工程地质与地震灾害预报方面的应用断裂在活动过程中，在其转折点的上方或传播端点的前方将形成褶皱。根据 褶皱的几何学与运动学特点可以推测隐伏其下的盲冲断层的活动特点。因此，断 层相关褶皱的原理与方法在工程地质、地震灾害预报方面获得了广泛应用并取得 了极大成功。5. 在油气勘探开发中的应用断层相关褶皱的原理与方法在油气勘探与开发领域获得了极大的成功。表现 在三个方面：（1）在资料较少或品质不好的地区，可以建立构