构造地质学：第四章褶皱3

1、第一节 褶皱和褶皱要素第二节 褶皱的集合形态及褶皱描述第三节 褶皱的类型及褶皱组合第四节 褶皱的形成机制 第四章 主要内容 褶皱的形成经历了一个漫长、复杂的变形过程, 它们的形成与多种内在的和外在的因素有关; 褶皱的形成方式与受力状态、变形环境、以及岩层的岩石力学性质有着密切的关系。在不同的条件和环境下, 形成的褶皱的类型、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。第四节 褶皱的形成机制第四节 褶皱的形成机制 （一）纵弯褶皱作用 1.纵弯褶皱作用的概念: 原始水平状态的岩层, 在受到侧向的顺层挤压力的

2、作用后发生褶皱弯曲叫做纵弯褶皱作用。 （一）纵弯褶皱作用 2. 单层岩层的纵弯褶皱作用: 在结构均一的单层板状材料面画上几排小圆,侧向挤压使板状材料褶皱弯曲, 其面的小圆有以下情况: (1) 弯曲层外凸的一侧受到平行于弯曲面的引张而拉伸。 (2) 弯曲层内凹的一侧受到挤压而压缩。 （一）纵弯褶皱作用 2. 单层岩层的纵弯褶皱作用: (3) 二者之间的一排小圆表现为既无拉伸又无压缩, 为一中和面。 (4) 中和面以上的张应力呈水平方向分布。 (5) 中和面以下的压应力也呈水平方向分布。 （一）纵弯褶皱作用3.单层岩层纵弯褶皱中形成的小构造: 在单一岩层受侧向挤压形成纵弯褶皱时,在岩层的不同部位可

3、形成一系列有规律分布的小构造。 (1) 如果岩层韧性较高, 岩层外凸侧因拉伸而变薄, 内凹侧因挤压压缩而变厚; （一）纵弯褶皱作用3.单层岩层纵弯褶皱中形成的小构造: （2）如果是较脆性的岩层, 在褶皱岩层外凸侧常形成与层面垂直呈扇形排列的楔形张节理或小型正断层; 而在褶皱岩层的内凹侧因压缩而形成逆断层; 若内凹侧微层理发育, 还可形成一系列小型褶皱。 （一）纵弯褶皱作用4.弯滑作用: 沉积岩层是由许多单一岩层叠置组合而成的, 当一套层状岩层受到侧向挤压而发生纵弯褶皱时, 层面在形成褶皱的过程中起着重要的作用, 并以弯滑作用方式、弯流作用方式形成纵弯褶皱。 弯滑作用指一系列岩层在侧向挤压作用中

4、通过层间滑动而发生弯曲成为褶皱的作用。 （一）纵弯褶皱作用弯滑作用具有以下特点: (1) 在发生纵弯褶皱的一套岩层中, 各单层有各自的中和面, 而整个褶皱没有中和面。各相邻褶皱面保持平行关系, 各单层的真厚度在褶皱的各部位基本一致。因而纵弯引起的弯滑作用往往形成平行褶皱, 也即IB型褶皱。 （一）纵弯褶皱作用弯滑作用具有以下特点: (2) 纵弯褶皱作用引起的层间滑动是有规律的, 背斜中各相邻的上层向背斜转折端滑动, 而各相邻的下层则向相反方向即向相邻的向斜的转折端滑动。由于层间的这种差异剪切滑动作用,在强硬岩层的翼部可产生旋转剪节理和同心节理。 （一）纵弯褶皱作用弯滑作用具有以下特点: (3)

5、 由于层间滑动产生的上下岩层之间的摩擦, 可在层面上形成层面擦痕,这些线状擦痕的延伸方向与褶皱的枢纽延伸方向垂直。 （一）纵弯褶皱作用弯滑作用具有以下特点: (4) 由于两翼岩层的层间相对滑动, 往往在褶皱的转折端形成空隙空间,造成虚脱现象,这些虚脱空间若后来被成矿物质充填, 则可以形成鞍状的矿床或矿体。 （一）纵弯褶皱作用 （一）纵弯褶皱作用弯滑作用具有以下特点: (5) 在两个强硬岩层之间夹有层理发育的韧性岩层的条件下, 岩层发生纵弯褶皱作用时, 则会在层间滑动的剪切力偶的作用下, 在韧性的薄岩层中会产生层间小褶皱。位于主褶皱翼部的这些层间小褶皱为不对称褶皱, 层间小褶皱的轴面与它们上、下

6、相邻的强硬岩层面所夹锐角的方向, 指示其相邻岩层的相对滑动方向。 （一）纵弯褶皱作用5.弯流作用: 是指纵弯褶皱作用使岩层发生弯曲变形时, 岩层间不仅发生层间滑动, 而且某些岩层的内部还出现物质流动现象; 上下岩层面对褶皱层内物质的流动起着控制作用。 （一）纵弯褶皱作用弯流作用主要变形特征是: (1) 层内物质的流动方向, 是从翼部流向转折端, 并导致在褶皱转折端部位岩层厚度有不同程度的增加, 而褶皱翼部的岩层厚度则相对减薄, 从而形成II类的相似褶皱或III类的顶厚褶皱。 （一）纵弯褶皱作用弯流作用主要变形特征是: (2) 当软岩层与硬岩层互层, 受到顺层挤压时, 硬岩层难以发生流动, 仍形

7、成IB型平行褶皱;而软岩层容易发生流动并去充填由于层间滑动形成的虚脱空间, 从而形成与硬岩层褶皱形态不同的顶厚褶皱。 （一）纵弯褶皱作用弯流作用主要变形特征是: (3) 当硬岩层中夹有一大套层理发育并相对容易流动的韧性岩层时, 物质的流动并不顺其微层理发生层间差异流动, 而是在主褶皱的翼部和转折端形成从属褶皱, 这些从属褶皱显示了层内物质向转折端流动的特征。 （一）纵弯褶皱作用弯流作用主要变形特征是: (4) 在侧向挤压力作用下, 软岩层发生强烈层内流动, 可产生线理、劈理(兼有变质作用)等小构造; 如果软岩层中夹有脆性的薄层, 还可形成构造透镜体。第四节 褶皱的形成机制 （二） 横弯褶皱作用

8、: 1.横弯褶皱作用的概念: 岩层受到与层面垂直的外力作用而发生弯曲形成的褶皱叫做横弯褶皱作用。 这类褶皱主要是由于地壳的差异升降运动、岩浆及岩盐底辟作用以及同沉积作用所造成的, 与纵弯褶皱作用所形成的褶皱相比, 横弯褶皱作用所形成的褶皱是次要的。（二） 横弯褶皱作用 2. 横弯褶皱作用的特点: (1) 横弯褶皱的岩层整体处于拉伸状态, 一般不存在中和面, 其应力轨迹线图与纵弯褶皱的应力轨迹线图逥然不同。（二） 横弯褶皱作用 2. 横弯褶皱作用的特点: (2) 横弯褶皱作用往往形成IA型的顶薄褶皱, 尤其是岩浆侵入或高韧性的岩体上拱造成的穹隆构造更是如此; 在这种情况下, 褶皱顶部岩层不仅拉伸

9、而变薄,而且还可能造成放射状断层或同心圆状环形断层; 这些断层若后来被成矿热液充填, 就会形成放射状或同心圆状矿体。（二） 横弯褶皱作用 2. 横弯褶皱作用的特点: (3) 横弯褶皱作用引起的弯流作用是使岩层物质从褶皱弯曲的顶部向翼部流动, 从而形成顶部岩层薄, 翼部岩层相对较厚的顶薄褶皱。这与纵弯褶皱层间物质从翼部流向转折端的流动方向是刚好相反（二） 横弯褶皱作用 2. 横弯褶皱作用的特点: (4) 在横弯褶皱作用形成的背斜中, 韧性岩层在翼部由于重力作用或层间差异流动, 在翼部可形成一些层间褶皱, 这些层间褶皱的轴面与主褶皱的锐夹角方向指向两翼岩层的倾斜方向, 表明岩层上层面相对于相邻下层

10、面向背离背斜转折端的方向位移, 这与纵弯褶皱中背斜内层间褶皱指示主褶皱的各相邻上层向背斜转折端滑动的滑动方向刚好相反。第四节 褶皱的形成机制（三）剪切褶皱作用: 1.剪切褶皱作用的概念: 岩层沿着一系列与岩层不平行的密集劈理面(破裂面)发生差异滑动而形成褶皱的作用叫做剪切褶皱作用。剪切褶皱作用又称滑褶皱作用。在这种褶皱作用中原始的岩层面已经不起控制作用, 而只是作为滑动结果的标志或参照系。（三）剪切褶皱作用2. 剪切褶皱作用的主要特点: (1) 在横剖面上平行轴面(也就是劈理面或滑动面)方向所量得的褶皱不同部位的层的“厚度” 基本是相等的,所以,剪切褶皱的典型型式是相似褶皱。（三）剪切褶皱作用

11、2. 剪切褶皱作用的主要特点: (2) 剪切褶皱作用所形成的褶皱并非岩层面真正发生了弯曲变形, 而是层面沿密集的平行劈理或片理面发生差异滑动而显现出弯曲的外貌。（三）剪切褶皱作用2. 剪切褶皱作用的主要特点: （3）在变质岩中劈理和片理特别发育, 因此, 剪切褶皱作用多发生在变质岩区 。剪切褶皱作用往往使层理或前期的劈理、片理错动成锯齿状或其它形态的褶皱。第四节 褶皱的形成机制（四） 柔流褶皱作用: 柔流褶皱作用是指高韧性岩石(如岩盐、石膏、或煤层等)或者是岩石处于高温高压环境下变成高韧性体, 受到外力的作用, 发生类似粘稠的流体那样的流动变形,从而形成形态复杂多变的褶皱。 例如, 盐丘构造的

12、底辟核的膏盐层就是一种形态复杂的柔流褶皱。第四节 褶皱的形成机制（四） 柔流褶皱作用: 在变质岩或混合岩化的岩体中有些长英质脉岩受力作用而形成的肠状褶皱就是一种柔流褶皱。这在太古代和其它深变质岩中是较为普遍的一种构造现象,这类肠状褶皱或者是早期侵位的岩脉在围岩发生变形和变质过程中发生流变而形成; 或者是在强烈变形时期, 贯入到褶皱岩层中的脉岩, 后来又与围岩一起变形而成。 第四节 褶皱的形成机制（四） 柔流褶皱作用: 柔流褶皱作用与前面所讲述的受层理控制的纵弯褶皱作用中的弯流褶皱作用常有互相过渡的现象, 例如有些煤层遭受强烈的弯流褶皱作用时, 相对较韧性的煤层会发生柔流并突破岩层的限制,在局部

13、地段形成肠状褶皱, 造成煤层在一处变厚, 在另一处变薄甚至尖灭的现象。 第四节 褶皱的形成机制 二、褶皱形成中的压扁作用: 岩层在侧向顺层挤压力的作用下, 会引起平行主压应力方向的缩短和垂直于主压应力方向的伸长, 即压扁作用。岩层在形成褶皱的整个发育过程中都有压扁作用, 压扁作用对褶皱的形态及其内部的应变分布都有显著的影响。二、褶皱形成中的压扁作用 褶皱形成中的压扁作用有以下特点: (1)在压扁作用下,褶皱岩层内各点应变状态也随之发生有规律的变化, 例如, 随着纵弯褶皱作用增强, 压扁作用也随之增强, 褶皱层内各点应变椭球体的长轴X（1）逐渐旋转到与褶皱轴面平行的方向上,压扁作用越强烈,应变椭

14、球越扁,整个褶皱就越紧闭。二、褶皱形成中的压扁作用 褶皱形成中的压扁作用有以下特点: (2)在褶皱形成过程中, 因压扁作用而使褶皱岩层的厚度也相应发生变化,表现为翼部岩层变薄,转折端岩层变厚, 从而使整个褶皱由平行褶皱向相似褶皱发展。 二、褶皱形成中的压扁作用 褶皱形成中的压扁作用有以下特点: (3)压扁作用也使诸如岩石中的鲕粒、砾石以及具对称要素的化石(如三叶虫、腕足类、笔石、羊齿）等,或矿物晶体如黄铁矿、石榴子石等发生变形;对它们变形后的形状与变形前的原始形状进行对比, 可以推断压扁作用的程度。 二、褶皱形成中的压扁作用 褶皱形成中的压扁作用有以下特点: (4)在压扁作用下,位于褶皱翼部的

15、脆性薄岩层往往在垂直压缩方向的拉伸下形成石香肠、构造透镜体;如若是韧性岩层褶皱并经受强烈压扁作用,则会形成与褶皱轴面平行的密集的轴面劈理,当压扁作用不均匀时,则会沿劈理面发生差异滑动,形成以层面为标志面的剪切褶皱。 二、褶皱形成中的压扁作用 (5)当褶皱是由脆性和韧性岩层相间组成时,在经受强烈持续的压扁作用之后,韧性岩层就会产生劈理,强硬岩层则会因强烈压扁形成“无根钩状褶皱”, 这种变形现象在强烈褶皱的变质岩区较为普遍。 二、褶皱形成中的压扁作用 (6)在厚层韧性岩层(如泥岩)夹薄层强硬岩层(如石英砂岩)组成的岩系受到侧向顺层挤压尚未发生褶皱时, 岩系先整体平行主压应力方向压缩, 垂直主压应力

16、方向伸长使厚度略增; 在持续挤压下, 韧性厚岩层继续压缩,而其间的薄层强岩层则形成一系列小褶皱以适应压缩; 随着整个岩系在纵弯褶皱作用下形成大型主褶皱, 这时强硬薄岩层中的小褶皱整体地也随主褶皱而弯曲, 这些小褶皱在枢纽部位仍保持对称式(M型), 在两翼则变为不对称褶皱(左翼为Z型, 右翼为S型) 。这一理论较为圆满地解释了层间小褶皱不仅发育于大褶皱翼部, 也发育在大褶皱的枢纽部位)这一现象。 第四节 褶皱的形成机制三、影响褶皱形成的主要因素 褶皱的形态、规模和分布特点不仅与褶皱作用力的方式和方向有密切关系, 而且要受许多其它的因素的影响, 例如层理的发育情况、岩层的厚度、岩石的力学性质岩层的

17、埋藏深度以及基底构造等等。 三、影响褶皱形成的主要因素1.层理在褶皱形成中的作用: 岩石中的层理或成层构造使岩石具不均一性(各向异性),当层状岩石受到力的作用时,可以通过层间滑动或层内物质的塑性流动而弯曲褶皱。而各向同性、结构均一、无层理构造的岩体(例如岩浆岩体)在受力变形时, 岩体被压缩, 有时在与主压应力垂直的方向上形成由劈理或片理构成的挤压带, 或者是形成一些其它方向的断裂构造,就是不会产生褶皱。因此, 层理或成层构造是岩石产生褶皱的一个必要条件。 三、影响褶皱形成的主要因素2.岩层厚度对褶皱形成的影响: 岩层的厚薄对褶皱的状态和大小也有显著的影响,当岩性相同或相似而厚度不同的岩层施加同

18、样的水平挤压力时, 则厚岩层往往形成曲率小、波长大的平缓开阔褶皱;而薄岩层则形成曲率大、波长小的紧闭褶皱。 三、影响褶皱形成的主要因素3.岩层组合及其力学性质对褶皱形成的影响: 岩石的力学性质直接影响褶皱的形态和类型, 当岩石力学性质不同的强硬岩层和软弱岩层相间叠置并一起受力发生褶皱时, 其中强硬岩层的岩层厚度不变,以弯滑褶皱作用方式形成平行褶皱。而软弱岩层则在转折端显著加厚,形成相似褶皱。或者是强硬岩层形成平缓开阔褶皱, 软弱岩层则形成紧闭褶皱。三、影响褶皱形成的主要因素3.岩层组合及其力学性质对褶皱形成的影响: 一般来说, 强硬岩层在褶皱中表现为相对刚性层,软弱岩层则显示为相对韧性层。野外观察和室内实验表明,一套强硬、软弱岩层成互层的岩系发生褶皱,强硬岩层常常以弯滑褶皱作用为主形成平行褶皱, 并对整个褶皱的形态起控制作用,而软弱岩层则被迫迁就强硬岩层形成的空间而变形,形成顶厚褶皱。三、影响褶皱形成的主要因素4.岩层埋藏深度对褶皱形成的影响: 一般来说,在地表常温常压条件下的岩层表现为脆性,其变形以断裂为主。在地表以下,随着温度、围压的增大,岩石的韧性随之增高。在地壳浅部,岩层表现为弹性且显示层状构造的各向异性,