构造地质学：第四章褶皱2

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 主要内容一、里卡德（Richard）的褶皱产状分类 褶皱在空间的位态取决于轴面和枢纽的产状。以横坐标表示轴面的倾角，纵坐标表示枢纽倾伏角，可将褶皱分成七种类型 1、直立水平褶皱 轴面近于直立，倾角为9080，枢纽近水平，倾伏角为010（区）。 2、直立倾伏褶皱 轴面近于直立，倾角为9080 ，枢纽倾伏角为1080（区） 3、倾竖褶皱 轴面近于直立，倾角为9080 ，枢纽倾伏角为8090（区） 。第三节 褶皱的类型及褶皱组合第三节 褶皱的类型及褶皱组合 一、Richard的褶皱产状分

2、类 4、斜歪水平褶皱 轴面倾角为8010，枢纽近水平，倾伏角为010 （区） 。 5、平卧褶皱 枢纽倾伏角和轴面倾角均为010（区） 。 6、斜歪倾伏褶皱 轴面倾角为8010 ，枢纽倾伏角为1080 （区） 。 7、斜卧褶皱 枢纽和轴面两者倾向及倾角基本一致，轴面倾角为1080，枢纽在轴面上的侧伏角为1080（区） 。 第三节 褶皱的类型及褶皱组合 二、褶皱的横截面分类 褶皱形态的变化主要反映在各褶皱面形态的相互关系和褶皱层的厚度变化上。据此，对褶皱进行形态分类。 (一)根据组成褶皱的各褶皱层的厚度变化和几何关系的分类 、平行褶皱 2、相似褶皱第三节 褶皱的类型及褶皱组合 、平行褶皱:典型平行

3、褶皱的几何特点是褶皱面作平行弯曲。同一褶皱层的厚度在褶皱各部分一致，所以也称为等厚褶皱，弯曲的各层具有同一曲率中心，所以又称为同心褶皱。二、褶皱的横截面分类理想的平行背斜的几何特征 平行褶皱特点:由中心向外，褶皱面的曲率半径逐渐增大，曲率变小，岩层越平缓;向着核部方向，曲率逐渐变大。例如，一个圆弧形直立的背斜，因为要保持褶皱层的厚度不变，褶皱面的几何形态必须随深度而调整。顺其轴面向下，褶皱面的弯曲越来越紧闭，甚至成为尖顶状背斜;再向下则消失于滑脱面上。顺轴面向上，情况相反，褶皱面越来越平缓，褶皱趋于消失。二、褶皱的横截面分类 2、相似褶皱 典型的相似褶皱的几何特点是组成褶皱的各褶皱面作相似的弯

4、曲。各面的曲率相同，没有共同的曲率中心。所以，褶皱的形态不随着深度的变化而改变。同一褶皱层的厚度发生有规律的变化，两翼变薄转折端加厚，平行轴面呈出的视厚度在褶皱各部位保持一致。二、褶皱的横截面分类相似褶皱 平行褶皱和相似褶皱是反映褶皱层的厚度变化和几何关系规律性变化的两种代表性型式，在自然界有一定的广泛性，有助于对褶皱向深部变化的分析，是分析一个地区褶皱发育规律的有实际意义的概念。 平行褶皱和相似褶皱属于协调式褶皱，和其相对应是不协调褶皱。二、褶皱的横截面分类不协调褶皱 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 平行褶皱和相似褶皱只是褶皱层可能出现的多种形态中的两种简单类型。兰姆赛根据褶皱层的相对曲率，提出

5、了一套形态分类，目前已被广泛采用。 褶皱面的曲率变化可用等倾斜线表示。等倾斜线是褶皱正交剖面上层的上、下界面切线倾角相同的切点的连线 。二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 等斜线的作法如下: (1)在垂直褶皱枢纽的照片或从地质图上作出的正交剖面图上，用透明纸描绘出各褶皱面弯曲形态，并准确地画出轴迹或实地水平线。 (2)在绘好的褶皱层正交剖面上，以标出的水平线为基准线，按一定角度间隔 (如以5或10为间隔)画出两相邻褶皱面的切线。 (3)用直线将上、下层面上等倾角的切点连接起来，即为等斜线。二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形

6、态分类 等斜线的作法如下: 二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 兰姆赛根据褶皱层的等斜线型式和厚度变化参数所反映的相邻褶皱曲率关系，将褶皱为三类五型 (图8-26) I类 这类褶皱的等斜线向内弧呈收敛状，内弧曲率总是大于外弧曲率，故外弧倾斜也总是小于内弧倾斜度。根据等斜线的收敛程度 ，再细分为三个亚型二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 I类 再细分为三个亚型 IA型 等斜线向内弧强烈收敛，各线长短差别极大，内弧曲率远大于外弧曲率。为典型的顶薄褶皱。 二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 I类 再细分为三个亚型 IB型 等斜线也向内弧收敛，各线长短大致相等

7、，褶皱层真厚度不变，内弧曲率仍大于外弧曲率，为典型的平行褶皱。 二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 I类 再细分为三个亚型 IC型 等斜线向内弧轻微收敛，转折端等斜线比两翼附近的要略长一些，反映两翼厚度有变薄的趋势，内弧曲率略大于外弧曲率。这是平行褶皱向相似褶皱的过渡型式。二、褶皱的横截面分类 (二)兰姆赛的褶皱形态分类 类 等斜线互相平行且等长，褶皱层的内弧和外弧的曲率相等，即相邻褶皱面倾斜度基本一致，为典型的相似褶皱。 类 等斜线向外弧收敛向内弧撒开，呈倒扇状，即外弧曲率大于内弧曲率，为典型的顶厚褶皱。二、褶皱的横截面分类 三、同沉积褶皱和底辟构造 1、同沉积褶皱：在岩层沉积

8、的同时逐渐变形而形成的褶皱（P75 图4-19）同沉积褶皱。 第三节 褶皱的类型及褶皱组合 三、同沉积褶皱和底辟构造 2、底辟构造：地下高韧性岩体如岩盐、石膏、粘土或煤层，在构造力的作用下，或者由于岩石物质间密度的差异而引起的浮力作用下，向上流动并挤入上覆岩层之中而形成的一种构造（P75 图4-19） 。第三节 褶皱的类型及褶皱组合 四、褶皱的组合型式 在地壳一定区域或一定大地构造单元里，不同形态、不同规模和不同级次的褶皱常以一定的组合型式展布。在同一构造运动时期和同一构造应力作用下，在成因上有联系的一系列背斜和向斜组成的具有一定几何规律的褶皱总体样式，称为褶皱的组合型式。研究褶皱的组合型式，

9、可以进一步探讨褶皱发育区的大地构造属性、褶皱的形成机制、区域应变状态及地壳运动性质等。常见的有以下几种组合类型。第三节 褶皱的类型及褶皱组合 1、复向斜和复背斜：一种规模巨大，两翼被次一级褶皱复杂化了的背斜和向斜。复背斜次一级褶曲轴面向下收敛，构成扇形；复向斜向上方收敛，构成房盖形。四、褶皱的组合型式 1、复向斜和复背斜四、褶皱的组合型式 1、复向斜和复背斜：四、褶皱的组合型式 2、隔档式和隔槽式褶皱：一系列平行排列的背斜和向斜发育程度不等的褶曲的剖面组合形式。 隔档式：“窄背斜+宽向斜”，背斜紧闭，向斜开阔。 隔槽式：“宽背斜+窄向斜”，背斜开阔，向斜紧闭。四、褶皱的组合型式 2、隔档式和隔

10、槽式褶皱：四、褶皱的组合型式 3、雁行褶皱：由一系列短轴褶曲呈平行斜列组合而成的雁行状褶曲组合形态，向斜或背斜，或向斜、背斜相间组合。四、褶皱的组合型式 褶皱的成因分析在于了解:各种褶皱控制因素，如侧压力、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与其他构造的内在联系。从而了解褶皱与地壳运动的关系，以及褶皱对矿产控制的规律。第四节 褶皱的形成机制 一、概述 1、多纳斯等(F.A.Donath和R.B.Parker，1964)在褶皱和褶皱作用一书中，详细地讨论了褶皱的运动学特征。 2、兰姆赛 (J.G.Ramsay,1967)在岩石的褶皱作用

11、和断裂作用及兰姆赛等在现代构造地质学方法，卷2 中，对褶皱作用及其内部应变特征作了详细分析。 3、毕奥特(M.A.Biot，1961)和兰伯格 (H.Ramberg，1960)分别从理论上和实验中详细论述了褶皱的发育规律。 第四节 褶皱的形成机制 一、概述 其后又有许多地质学家从事这方面的研究，提出了许多颇有见解的理论或假设,但目前仍有许多问题有待解决，尤其是重力在褶皱形成中的作用及褶皱作用延续的时间等问题仍是难以用实验来模拟的难题。 第四节 褶皱的形成机制 二、主动褶皱和被动褶皱 褶皱的形成方式与其受力状态、变形环境及岩层的变形行为密切相关。从褶皱过程中岩层的变形行为来看，可把褶皱分为主动褶

12、皱和被动褶皱两类。当受褶皱的层状岩系，各层之间岩石的韧性差比较显著，即层的力学性质和层理积极地控制着褶皱的发育时，这种褶皱称为主动褶皱。多纳斯等称其为弯曲褶皱。它们通常形成于地壳的中浅构造层次 (约10km以内)。 第四节 褶皱的形成机制 三、褶皱形成机制的基本类型 根据褶皱形态及其伴生构造所反映的褶皱形成过程及其在形成过程的物质运动规律和应变分布情况，并结合实验进行理论分析，可将褶皱形成机制分成以下几种类型。 （一）纵弯褶皱作用 （二）横弯褶皱 （三）剪切褶皱作用 （四）柔流褶皱作用第四节 褶皱的形成机制 （一）纵弯褶皱作用 纵弯褶皱作用是指岩层受到顺层挤压力的作用而形成的褶皱。这时，岩层间

13、力学性质的差异在褶皱形成中起着主导的作用。 第四节 褶皱的形成机制 （一）纵弯褶皱作用 如果岩石是各向同性的均质岩石，如块状花岗岩体及高温高压条件下使层理失去力学上各向异性的变质沉积岩系:则水平挤压只能引起岩层或岩体的均匀压扁，在平行挤压方向上缩短和平行最大拉伸方向上伸长。 如果岩系中各层的力学性质不一致，则在顺层挤压下，强硬层 (能干层)就会因失稳而发生正弦曲线状的弯曲，形成褶皱;相对软弱层 (非能干层)作为介质在发生均匀压扁的同时，被动地调整和适应由强硬层引起的弯曲形态。如果两者的韧性差较小，则在褶皱时要共同地受到总体的压扁。 第四节 褶皱的形成机制 （一）纵弯褶皱作用 毕奥特等 (M.A

14、.Biot ,1961)对在顺层挤压下层的失稳而形成的褶皱作了数学计算与实验，提出了褶皱发育的主波长理论。阐明了褶皱初始发育的主波长与褶皱层的厚度和粘度差的定量关系。这一理论较好地解释了自然界中一些褶皱的形态及其内部构造特征，可以作为讨论纵弯褶皱作用的基础 第四节 褶皱的形成机制 1、单层褶皱的发育机制 在建立褶皱发育的几何模式之前，首先必须考虑岩层的变形行为。岩石在地表条件下的变形基本上是弹性的，即应力与应变成正比。可以把岩层作为弹性板来考虑，其形成的褶皱波长与作用应力的大小有关。 但在地下较高的温压条件下，在小应力的长期作用下，不同的岩石可以看作是粘度各异的粘性固体而变形的，岩石的粘度在变

15、形中起着主导作用。粘度较大的岩层在褶皱发育中起着骨干作用，这种岩层称为能干层或强硬层。（一）纵弯褶皱作用 1、单层褶皱的发育机制 设想有一厚度为d的高粘度(1)强硬层夹于低粘度 (2)的软弱岩层中，使其受侧向顺层挤压而发生纵弯作用 (图9-2)。此时，要使强硬层发生纵弯曲存在着两种阻力:一种阻力来自强硬层的内部，因为岩层弯曲时，必须使外弧受拉伸和内弧受压缩。因此，层要弯曲必须克服这种内部的阻抗。这时，岩层弯曲的波长愈大，则形成的弧形愈宽缓，其外弧拉伸和内弧压缩的变形愈小，内部阻抗亦愈小。所以，如果没有周围介质的包围，它就趋向于形成最大的可能波长（一）纵弯褶皱作用 1、单层褶皱的发育机制（一）纵

16、弯褶皱作用单层厚度为d,粘度为l的强硬层夹于粘度为2的基质中的纵弯曲模型(据J.G.Ramsay等，1987)平行层的缩矩ex使强硬层形成褶皱，Wi为其初始主波长，小箭头表示层内外的阻抗。图中ex及褶皱的幅度是夸大表示的 1、单层褶皱的发育机制（一）纵弯褶皱作用图9-3 可能的初始波长模式(据J.G.Ramsay等。1987)A. 强硬层内部阻力要求形成大波长;B.基质要求形成小波长（一）纵弯褶皱作用 1、单层褶皱的发育机制 按照最小做功原理，岩层将选择做功最小而又能抵消这两种阻抗，使某一调和的中间值作为最易褶皱的初始主波长Wi，即这种波长的褶皱最易发育，因此，成为岩层弯曲的主导波长。根据毕奥

17、特的推算，在粘性介质中粘性较大的粘性板的褶皱的初始主波长Wi为:式中:d强硬层的厚度，1、2强硬层、软弱层的粘度， 12 。（一）纵弯褶皱作用 1、单层褶皱的发育机制 从 上式中可以获得如下认识: (1)褶皱的主波长与所受作用力的大小没有直接关系，而与强岩层的厚度及层与介质粘度比有关。 (2)褶皱主波长与褶皱层的原始厚度d成正比。 当岩性一定时，即层与介质的粘度比1/2 ，为常数时，如果强硬层的厚度不同，所形成褶皱的波长也不同，厚度大者波长也大。因此，一套褶皱中的各层可因其厚度差异而形成紧程度不同的褶皱。层厚的岩层形成的单个褶皱较宽缓，层薄的岩层形成的褶皱相对紧闭而量多。（一）纵弯褶皱作用 1、单层褶皱的发育