第九章 褶皱的成因分析

第九章褶皱的成因分析褶皱的成因概述一、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）、被动褶皱（剪切褶皱）二、根据褶皱过程中物质运动方式，可以划分为：

滑动褶皱作用、流动褶皱作用三、根据引起褶皱的作用力方式，可以划分为：

纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用主动褶皱和被动褶皱主动褶皱：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。岩石间的韧性差异很小，趋向于均一。流动褶皱和滑动褶皱流动：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）。纵弯褶皱和横弯褶皱纵弯褶皱：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。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。纵弯褶皱横弯褶皱第一节纵弯褶皱作用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作用后发生褶皱弯曲叫做纵弯褶皱作用。

2.单层岩层的纵弯褶皱作用:

在结构均一的单层板状材料侧面画上几排小圆,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。

(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。

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形成一系列有规律分布的小构造。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，若内凹侧微层理发育,还可形成一系列小型褶皱;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。内部伴生的小构造特点岩石韧性很小时，抗张强度差，发生脆性破裂，外侧形成张节理呈正扇形分布；内侧形成顺层张裂，为脉体充填时则形成顺层张裂脉。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。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通过层间滑动而发生弯曲成为褶皱的作用。(1)纵弯引起的弯滑作用往往形成平行褶皱,也即IB型褶皱。

平行褶皱(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。

(3)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。

枢纽(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。

(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。

层间小褶皱的轴面与它们上、下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。上述层间滑动规律可用来判断岩层的顶面和底面,确定岩层层序是正常还是倒转;还可用来判断背斜和向斜的位置。

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。(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。相似褶皱(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。(3)当硬岩层中夹有一大层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。(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。纵弯褶皱中发育的劈理型式可形成正扇形劈理、反扇形劈理、轴面劈理和劈理折射等。褶皱中劈理与层理关系的应用实例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。第二节横弯褶皱作用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。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。(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。(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的。(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,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。横弯褶皱之一—底劈构造底劈构造：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流动，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1017Pa·s，密度2.2g/cm3

岩石粘度1022－1023Pa·s，密度2.5－2.7g/cm3岩浆侵入穿刺/

底劈构造

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/穿刺。横弯褶皱之二—同沉积褶皱同沉积褶皱－岩层边沉积边形成褶皱。同沉积褶皱特征：

1）两翼产状倾角平缓，总体为开阔褶皱；

2）岩层厚度背斜顶薄，翼部厚；向斜核部厚度大；

3）背斜顶部沉积物为浅水粗粒物质，向斜中心变细；

4）伴随滑塌断层。J-K——页岩在顶部相变为砂砾岩 P——页岩层间小褶皱发育 C——细砂岩顶部发育楔状节理 D——页岩发育有层间小褶皱根据上图背斜中各层小构造、岩相及厚度变化特点分析并回答：1、地层之间的接触关系；2、背斜由哪些褶皱作用形成；3、简述该背斜的形成过程。第三节剪切褶皱作用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面发生差异滑动而形成褶皱的作用叫做剪切褶皱作用。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。

(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。

岩层面滑动面(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。

滑动面岩层面第四节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,盐丘构造的底辟核的膏盐层就是一种形态复杂的柔流褶皱、

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。

肠状褶皱第五节膝褶作用膝褶作用:

这类褶皱主要发生在岩性较均一的脆性薄岩层或面理化岩石中,脆性薄岩层在一定围岩的限制下,受到与层理或面理平行或稍微斜交的压应力作用,使岩层发生层间滑动,但又受到某种限制,常常使滑动面发生急剧转折,即相当于轴面的膝褶面折转而成尖棱褶皱。

膝褶中的滑动褶皱作用常集中发生在不对称膝褶的短翼部分,形成剪切带,称为膝褶带;膝褶带两侧的界面为膝褶面。两个相邻膝褶带可以互相平行,也可呈共轭相交,形成箱状褶皱或称为共轭褶皱。一系列两翼等长的对称式尖棱褶皱常组成“人”字型,或手风琴式褶皱。第六节褶皱形成中的压扁作用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。(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,应变椭球越扁,整个褶皱就越紧闭。(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。

(3)压扁作用也使岩石中的鲕粒、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。(4)在压扁作用下,位于褶皱翼部的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。(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。(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。第七节影响褶皱形成的主要因素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、岩石的力学性质等。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,但是不会产生褶皱。因此,层理或成层构造是岩石产生褶皱的一个必要条件。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,当对岩性相同或相似而厚度不同的岩层施加同样的水平挤压力时,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。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。此外,强硬岩层在转折端形成扇状楔形张节理,而软弱岩层在转折端则形成反扇形流劈理。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。

岩层的“强硬”和“软弱”是相对的,岩层的强弱除与岩层的成分、结构、构造有关外,还要受变形时的温度、围压、溶液、应变速率等因素的制约。在一个地区表现为强硬的岩层,在另一个地区可能表现为软弱岩层。在一般情况下,砂岩和页岩互层时砂岩为强硬岩层,石灰岩与页岩或泥灰岩一起褶皱时,石灰岩是强硬岩层,但石灰岩与白云岩或硅质灰岩互层时,石灰岩则表现为软弱岩层。同一种岩石,厚层的往往表现为强硬岩层,薄层的则表现为软弱岩层。Biot等人通过模拟实验和野外实际,提出了侧向挤压力下纵弯褶皱作用发育机制中主导层的厚度及其有关岩石力学性质控制着弯曲作用早期的褶皱波长－即主波长理论。该理论认为,岩石在小应力长期的作用下,可以看作是具有不同粘度的粘性固体,发生均匀缩短和失稳而形成褶皱。粘性较高的岩层(强硬岩层)在褶皱作用中起主导作用。当粘度较高的岩层夹于粘度较低(软弱岩层)的介质层中,受到侧向挤压而发生褶皱时,其初始主波长(Wd)的公式为:Wd=2πT3√(h1/6h2)

公式中T为主导层的厚度,h1为主导层的粘度,h2为介质层的粘度,h1>

h2。由公式可知,褶皱主波长与褶皱主导层厚度T成正比,与主导层和介质层二者的粘度比(h1/6h2)的立方根成正