知名大学构造地质学讲义第9章褶皱成因分析

1、徐海军地球科学学院第九章 褶皱的成因分析褶皱的形成经历漫长、复杂的变形过程, 它们的形成与内在和外在因素有关; 褶皱的形成方式与受力状态、变形环境以及岩层岩石力学性质有着密切的关系。在不同条件和环境下, 褶皱的类型、形态、样式是不同的。根据褶皱的形成条件、褶皱类型及形态，可将褶皱的形成机制分为：纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、剪切褶皱作用、柔流褶皱作用。褶皱的成因分析:各种褶皱控制因素，如侧向压力、重力、岩石的力学性质、褶皱层的组合关系等在褶皱形成中的作用；褶皱的发育过程；褶皱内部应变特征及其它构造的内在联系。褶皱成因分析褶皱形成机制根据褶皱过程中岩层的变形行为，可以划分为：主动褶皱（弯曲褶皱）被

2、动褶皱（剪切褶皱）根据褶皱过程中物质运动方式，可以划分为：滑动褶皱作用流动褶皱作用根据引起褶皱的作用力方式，可以划分为：纵弯褶皱作用横弯褶皱作用褶皱的形成方式与其受力状态、变形环境及其岩层的变形行为密切相关主动褶皱褶皱的形成是通过层的力学性质和层理积极地控制着褶皱发育，又称弯曲褶皱。形成条件：地壳中浅构造层次（约10km以内）。被动褶皱层理的力学不均一性在褶皱形成过程不起主导作用，只是被动作为变形标志，这种褶皱称为被动褶皱，它的层理并没有发生真正的弯曲，而褶皱是通过沿平行剪切面的不均匀剪切而形成的，这种褶皱又称剪切褶皱。形成条件：地壳的下构造层次，温度和压力增高，各层岩石均显示很大韧性。岩石间

3、的韧性差异很小，趋向于均一。主动褶皱和被动褶皱流动：是指物质的连续位移（A）。滑动：是指物质沿着许多一定间隔的不连续面的位移（B）。流动褶皱和滑动褶皱纵弯褶皱：是在平行于岩层的水平挤压作用下，岩层失稳而弯曲，称为纵弯褶皱。（左图）横弯褶皱：是指在垂直于岩层的作用力的作用下使岩层发生弯曲，称为横弯褶皱。 （右图）纵弯褶皱和横弯褶皱第一节纵弯褶皱作用纵弯褶皱形成的前提：岩层层理和岩层间力学性质的差异在褶皱形成过程中起关键作用。如果岩石在力学性质上是均匀岩石，则产生均匀压扁；如果岩石力学性质不一致，则：强硬层（能干层）正弦曲线状弯曲； 软弱层（非能干层）均匀压扁。如果两层岩石力学性质（特别是韧性）差

4、异较小，则两层岩石受到总体压扁作用。岩层在受到侧向的顺层挤压力的作用后发生褶皱弯曲叫做纵弯褶皱作用1.1 主导波长理论设有一厚度为d的高粘度（1）强硬层夹于低粘度（2）的软弱岩层中，使其受侧向挤压而发生纵弯作用。式中：d强硬层的厚度，1，2 强硬层和软弱层的粘度（12）。褶皱主波长与力的大小无关，只与介质的力学性质有关。褶皱主波长与褶皱层厚度d成正比、与强硬层和软弱层的粘度比的立方根成正比，厚度、粘度比越大，褶皱的波长就越大。纵弯褶皱的成因机制单层褶皱的发育机制当强硬层与介质的能干性差大时，形成肠状褶皱。当强硬层与介质的能干性差小时，形成尖圆褶皱。褶皱层厚度变大，波长和波幅变小，褶皱越不明显。

5、不同能干性差的褶皱形态纵弯褶皱的应变分布型式可以归纳为两种模式：中和面褶皱作用顺层剪切作用弯流褶皱作用弯滑褶皱作用纵弯褶皱的应变分布型式与小型构造由于层的切向长度变化而成的单层弯曲，类似于力学中所讲的平板梁的弯曲。因其中有一个无应变面中和面，故称为中和面褶皱作用。强硬层往往以此方式弯曲。层内的应变特征为：属平面应变，褶皱轴为中间应变轴。垂直层面厚度不变，形成IB型平行褶皱形态。顺层发生长度变化，表现为外弧伸长，内弧缩短。在岩层中部具中和面，各点应变椭球体的压扁面在中和面外侧平行层面排列，在中和面内侧垂直层面成正扇形排列。1.2 中和面褶皱作用内部伴生的小构造特点岩石韧性很小时，抗张强度差，发生

6、脆性破裂，外侧形成张节理呈正扇形分布；内侧形成顺层张裂，为脉体充填时则呈顺层张裂脉分布。岩石韧性中等时，抗剪强度差，形成共轭剪裂。其内侧共轭剪裂可发展为逆冲断层；外侧共轭剪裂可发展为顶部地堑。岩石韧性大时，外侧因拉伸而变薄或形成平行层理的流劈理；内侧因挤压而加厚，可形成正扇形劈理，也可形成次级小褶皱。顺层剪切褶皱作用（弯滑褶皱作用和弯流褶皱作用）弯滑褶皱作用：易发生在结合不牢的薄的强岩层之间，或多个薄的强岩层之间夹极薄的软岩层之中，如中薄层砂岩、砂叶岩互层等岩层。弯流褶皱作用：易发生在韧性高的岩层中，如泥灰岩、页岩、盐岩类岩层中。它们的共同应变特征是：平面应变，褶皱轴为中间应变轴；层厚不变，形

7、成IB型平行褶皱，但层内无中和面； 褶皱面为剪切面，相当于应变椭球体圆切面，无应变；最大应变轴方向从两翼向弯曲的顶部收敛，呈反扇形排列；在转折端处无剪应变，在拐点处应变最强。弯滑和弯流褶皱形成的地质条件弯滑褶皱中次级小构造特征弯流褶皱中次级构造特征相似褶皱（II型）顶厚褶皱（III型）劈理张节理强烈压扁作用对褶皱的影响纵弯褶皱中发育的劈理型式利用劈理与层理关系判断正常地层和倒转地层；判断经验法则：在正常翼，劈理与层理倾斜一致，劈理倾角比层理的倾角陡，为正常层序，判断背斜在左侧；在倒转翼，劈理倾向与层理一致，劈理倾角比层理倾角缓，为倒转层序，背斜在右侧。褶皱中劈理与层理关系的应用实例第二节横弯褶

8、皱作用岩层受到与层理面垂直的应力作用而发生的弯曲。横弯褶皱作用横弯褶皱的基本特征作用力方向垂直于层面；岩层总体处于拉伸状态，一般不存在中和面；褶皱型式为顶薄褶皱（IA）；层面间物质流动：顶薄，翼厚；层间从属褶皱为反向牵引褶皱，判断方向：背离转折端方向。底劈构造：是一种特殊褶皱，是地下低粘度易流动物质因浮力自下而上刺穿上覆岩层，引起上覆岩层上拱的构造。底劈构造是一种盐丘构造、储油构造，具有重要的经济价值。动力学原因是由于岩石密度倒置引起重力不稳定性。石盐粘度1017Pas，密度2.2g/cm3岩石粘度10221023Pas，密度2.52.7g/cm3横弯褶皱之一 底劈构造同沉积褶皱岩层边沉积边形

9、成褶皱。同沉积褶皱特征：两翼产状倾角平缓，总体为开阔褶皱；岩层厚度背斜顶薄，翼部厚；向斜核部厚度大；背斜顶部沉积物为浅水粗粒物质，向斜中心变细；伴随滑塌断层。横弯褶皱之二 同沉积褶皱当岩浆上升, 侵入围岩, 使上覆岩层发生拱曲时, 则可形成岩浆底辟。岩浆侵入穿刺底劈构造第三节其它褶皱作用剪切褶皱又称滑褶皱，是岩层沿着一系列与层面交切的密集面发生不均匀的剪切而形成的褶皱。剪切褶皱的基本特征：原始层理（S0）只作为标志面，不起任何控制作用，由于差异剪切而产生被动弯曲；变形每一点都是平面应变；剪切面平行于褶皱轴面；典型的相似褶皱，顶厚翼薄；形成于深层次高级变质岩系或高韧性岩系（如含盐岩层）或大型韧性剪切带中。剪切褶皱作用成因上兼具弯滑和剪切作用两种特征；形成于岩性均一的脆性薄层岩层或面理化岩层中，如板岩、片岩等 ；形成方式上，岩层受力作用发生层间滑动但受到剪切面限制，便沿剪切面急剧转折，绕相当于轴面的膝折面转折成膝折带或形成尖棱状褶皱。膝折作用（KINKING）柔流褶皱是一种固态流变条件下由粘性流动面形成的褶皱。通常是高温固体流变褶皱。在深变质岩和混合岩或侵入体接触热动力变质带发育的褶皱（如湖北大冶铁山）。柔流褶皱作用第四节褶皱的研究与应用对褶皱的野外认识与研究是了解褶皱类型、分析褶皱成因等的重要步骤，通常包括以下几个方面