构造地质学 第八章褶皱的形成机制

第八章

褶皱的形成机制12023/3/30请分析是否褶皱？22023/3/30复习与提示几个基本概念弹性：可以恢复应变前原始状态的岩石性质脆性：变形或应变小于5%就断裂的岩石性质塑性：在弹性极限后发生永久变形的岩石性质韧性：变形或应变大于10%的岩石性质（材料在断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力）粘度：流动的内阻力（剪应力对剪应变速率的比值）应力差:

1－3=

岩石能干性：岩石抵抗塑性变形的能力。能干层：强硬层—低塑性层—粘度大非能干层：软弱层—高塑性层—粘度小32023/3/30

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。因此可从多方面分析和分类

概述42023/3/30褶皱的成因分析物质运动方式力作用方式与物质运动方式主动褶皱作用：岩石的力学性质和层理积极地控制着褶皱的发育被动褶皱作用：层理在褶皱变形中不具有力学上的意义，只是被动地作为变形标志滑动褶皱作用：物质沿许多一定间隔的不连续面滑移，从而形成褶皱。流动褶皱作用：物质连续滑移从而形成褶皱。实际上是晶粒尺度或晶格尺度的微小滑动。纵弯褶皱作用：顺地质界面挤压产生不稳定状态而形成褶皱的过程横弯褶皱作用：作用力垂直地质界面而形成的褶皱过程。剪切褶皱作用：岩层沿着一系列与层面不平行的密集劈理面发生差异滑动而形成褶皱。柔流褶皱作用：岩石发生类似粘稠流体那样的流动从而形成复杂多变的褶皱过程。岩石变形行为52023/3/30

§1、纵弯褶皱作用

平行于地质界面（如岩层）的挤压而引起的弯曲作用，称为纵弯褶皱作用。下面分别讨论单层纵弯理论和多层纵弯理论62023/3/30

毕奥特(M.A.Biot,1957),库尔里(J.B.Curie,1962)兰伯格(H.Ramberg,1963)的主波长理论。主要条件是：纵弯挤压下，假定在即将发生褶皱的层中存在一些低幅度正弦曲线的微小起伏，在挤压下失稳，其中某一波长在变形中发育最好，而且增大，最终形成褶皱的初始主波长，即主波长理论。毕奥特和库尔里的主要结论是：

设想一个能干层受到挤压时，趋向产生波长最长的弯曲。因为波长越大，层内应变能量越小（本身阻抗力小）。换言之，增长最快的波长具有最小的纵弯阻力。所以能干岩层趋向于形成一个最长的波长。

一、单层纵弯理论72023/3/30

假如，能干层（μ1）夹在不能干层（μ2）之间，在挤压作用下，

μ1层就会受μ2层的反抗作用。如果μ1层是半个波长，它周围的μ2层就会出现很大的变形，于是位于μ1层周围的μ2层要求能干层的波长尽可能变得很小。因为μ1层波长越小时，μ2阻抗最小

结论：能干层尽量使自己成为最长的波长，周围的不能干层尽可能使能干层保持最短的波长。故，根据最小功原理，褶皱波长是二者之间调和中间值。82023/3/30举例：能干层不能干层Pyx阻抗力产生纵弯应力P应力的大小取决于能干层曲率。弯曲外弧为张应力，内弧为压应力。相邻弱层产生反抗应力（黑箭头），硬层波长越短则反抗应力越大。把反抗应力相加得到Py,。由P产生的驱动力为Px；对褶皱作用的总阻力=Py+Px。然后取r（阻力）对波长求导数并且等于零。即得到主波长，并得到最小的阻力。这是所推导的Px和Py物理方程。下式就是初始波长的表达式Wi=2d√1/623*式中Wi：初始主波长；d:强硬岩层的厚度，μ1为强硬岩层的粘度，μ2介质层的粘度,μ1＞μ2波长与硬岩层和软岩层的粘度比（1/2）的立方根成正比

如：当1/2=100时，Wi/d=16.92023/3/30主波长理论的构造物理学意义

当岩性一定时，即1/2比为常数，褶皱的波长（Wi）与原始厚度（d)成正比关系。岩层的厚度大则其弯曲形成褶皱的波长也大。因此，一套褶皱中的各岩层因其厚度差而形成紧闭程度不同的褶皱，层厚的岩层形成褶皱宽缓，而层薄的岩层形成的褶皱相对紧闭当厚度一定时，d为常数，褶皱的波长（Wi）与能干层和不能干层之间的粘度比1/2

的1/3次方成正比。

而与岩石粘度的绝对值无关。102023/3/30能干层（砂岩）不能干层（页岩）112023/3/30当1=2时，只有顺层均匀缩短，而不会发生褶皱。122023/3/30当

1/2＞50时（基质阻抗力小）：形成典型的肠状褶皱变形前因1/2比值大,故A值大，W/d值亦大；一定阶段时“A”向上增幅渐弱，而持续挤压仍在进行，在初始外弧转折端形态仍可能保持的情况下，两翼则进一步压扁，“W”值变小，应力则反向旋转（即正应力转化或派生为剪应力），两翼相向靠拢紧贴，“Ω”型和肠状褶皱形成。褶皱扩幅速率能干岩层的加厚应变速率132023/3/30肠状褶皱142023/3/30当1/2

＜10时（基质阻抗力大）：形成尖圆褶皱因1/2比值小,与1=2状态时岩层不会弯曲效应相近;故A值小，W/d值亦小,持续挤压,处于挤压状态的内弧顺层缩短继续进行,呈紧闭尖塄状,外弧因相邻介质阻挡，在“W”不再扩张和“A”不再增幅的情况下而呈圆滑状;总体显示为尖圆褶皱。变形前均匀缩短等厚褶皱尖圆褶皱152023/3/30162023/3/30

★在弱层基质中，能干性差不同的强岩层的褶皱形态比较：除状态①与④表现出极端的样式外，在二者之间则存在各种过渡的类型。状态④能干性差最大，形成肠状褶皱状态①能干性差最小，尖圆褶皱或肿缩褶皱图中：1＞

2

＞

3

＞

4

＞

5555172023/3/30不同粘度层或不同能干性的层都夹于非能干性的基质中（白色），在受到同一作用下发生如下变形，请你２、每一层是否受到不等量缩短？１、排出各层能干度（粘度层）的顺序182023/3/30二、

多层纵弯褶皱作用强层遭纵弯时，其周围的弱层的形状必然要适应褶皱的发展而加以调整。距强层远者发生均匀应变而不发生褶皱，近者则遭受不均匀应变而发生褶皱。弯曲层附近所造成的不均匀应变区称为接触应变带有限中性点，无有限应变

接触应变带影响范围．基本等于强硬层一个初始主波长宽度。1、接触应变带概念192023/3/30协调褶皱不协调褶皱在观察范围内，无论是相似褶皱或平行褶皱，各层照着某一层形态重复出现为协调褶皱。在观察范围内，褶皱各层形态发生变化时称为不协调褶皱复习202023/3/302、接触应变带应变分布产生两类褶皱：1）硬岩层褶皱凹部的软岩层形成顶厚褶皱（Ⅲ类）；2)位居硬岩层褶皱凸部的软岩层形成顶薄褶皱（ⅠA)；3）远离应变带均匀缩短，不形成褶皱。

212023/3/303、强硬层距离对褶皱形态的影响：硬岩层间隔小，相互干扰，但厚度、粘度相等厚度-间隔不等，未达邻蜮互不影响厚度-间隔不等，双重控制，局部不协调，总体协调222023/3/30说出形成下列不协调褶皱和协调褶皱的理由232023/3/30三、纵弯褶皱的经典模式

纵弯褶皱的应变分布型式可以归纳为两种简化模式：即中和面褶皱作用、顺层剪切褶皱作用，后者再分为弯流褶皱作用和弯滑褶皱作用。纵弯简化模式中和面褶皱作用顺层剪切褶皱作用242023/3/30

是一个单层的褶皱作用，形成平行褶皱或等厚（同心）褶皱。所以在层的中部有一个非应变面，该面称为中和面。这是一种向平板梁未端加压，由于弯曲作用所形成的褶皱。

1、中和面褶皱模式其特点是：252023/3/30应变特征：褶皱轴平行Y轴，沿Y轴无拉伸作用。整个褶皱的应变为平面应变（K=1)

褶皱外弧伸长，内弧缩短，其间为中和面（无应变面），应变分布的型式（图B）。

中和面是岩层中由伸长转换为缩短的标志，其外侧面积增大，内侧面积缩小，但岩层厚度不变；

应变椭圆在中和面外侧从枢纽向外分散；其内侧向着枢纽呈扇状收敛（图B）。其分布特征决定可能发育小构造的类型和方向应变椭圆提供了褶皱内部应力的分布型式（图A）和应力轴方位中和面ABσ1σ3262023/3/30厚度：变形层在垂直层面上的原始厚度，在任一点上保持不变，形成平行褶皱（等厚褶皱、同心褶皱或ⅠB型褶皱）。变形特点（1）岩石韧性很小：背斜外弧产生与层面正交，呈扇状排列的楔形张节理或小型正断层，内弧形成高角度逆断层或共轭剪节理；向斜中，形成的构造正好相反岩石的韧性不同，在褶皱不同部位可能产生一系列有规律分布的内部小构造：张节理内往往被方解石或石英脉充填，其纤维方向与枢纽垂直，张节理自身也许会与枢纽小角度斜交张节理及其纤维受力方式272023/3/30

（2）岩石韧性大背形外弧形成与岩层面平行的劈理，内弧形成与层面垂直的正扇形的劈理和“M”或“W）小褶皱。（3）岩石韧性中等背形外弧形成共轭剪裂，进一步发展为正断层或其构成的地堑；内侧也形成共轭剪裂，进一步发展成逆断层。282023/3/302、弯流（弯滑）褶皱模式

在褶皱作用发生平行于层面的剪切时，有两种情况：（1）如果整个岩层内剪切应变均匀分布（发生在晶粒尺度上，没有明显滑动面），则称为弯流褶皱（弯曲流动）作用（图A），形成的褶皱成为弯流褶皱。（2）如果整个岩层内剪切应变不均匀分布（层面滑动），岩层界面上的剪切滑动比岩层中心部分大，则称为弯滑褶皱（弯曲滑动）作用（图B），形成的褶皱成为弯滑褶皱

实际上是岩层强、弱问题。强硬层间弯滑作用为主导，软弱层间以弯流作用为主导。这种模式共同点是褶皱层面上没有发生畸变。292023/3/30弯流（弯滑）褶皱模式的主要特点是：1.应变与岩层倾角成正比，而不是与弯曲度成正比，两翼应变大，转折端无应变，应变椭圆以两翼向转折端收敛（图A），两翼外层相对内层向转折端滑动。2.围绕褶皱轴（枢纽）弯曲，为平面应变（K=1)。3.原始厚度不变，形成形成平行褶皱（图B）AB302023/3/30312023/3/304.褶皱面为剪切面，相当应变椭球体圆切面（无伸缩面），其上无应变。见下图322023/3/30（1）各相邻层的上层相对向背斜转折端滑动，下层则向相邻向斜的转折端滑动，形成垂直于枢纽的擦痕。层面与擦痕垂直，指示为水平褶皱新地层总是向背斜核部滑动，所以根据岩层的的产状和滑动方向可以判断地层的正常和倒转（2）在递进变形过程中，褶皱倒转翼可以形成逆断层332023/3/30（3）褶皱翼部相对滑动（图A），可以形成向褶皱核部倾斜的张节理（图C

），随着变形成为“S”和反“S”形态，进一步变形可以形成流劈理。在褶皱还可以形成剪节理），一组与层理斜交，另一组与层理平行。前者称为旋转剪节理，后者称为同心状剪节理。ABC应力状态注意：利用节理和层理之间关系判断运动方向342023/3/30（4）转折端形成空隙，造成虚脱现象，该部位如有成矿物质充填，形成鞍状矿体（图A），形态类似一种相似褶皱。A（5）如果强硬层夹有相对弱薄层，由于层间滑动拖拽形成层间小褶皱，利用它们可以判断褶皱地层正常和倒转以及转折端位置（图B）。B白色非能干层，黑色能干层352023/3/30注意！层间褶皱有不同解释你会解释吗？362023/3/30常用“Ｓ”或“Ｚ”形不对称褶皱来判断大褶皱转端位置。如果在一个剖面上正面看是Ｓ形，反过来看就是Z形（图１），为了一致提出褶皱降向概念。即在褶皱横剖面所在的平面中，旋转的上部分分量所指的水平分方向为褶皱降向（图２）。这样表示无论剖面的正面和反面就一致起来。如果在一个剖面上降向的改变，说明可能存在背斜或向斜。如果枢纽＝９00，则分别称左行和右行褶皱。图２、褶皱降向概念图１、降向与Ｓ形、Ｚ形、M形和Ｗ形褶皱的比较372023/3/30在叠加褶皱地区，可利用降向来确定属于同一时代大型褶皱转折端位置。下图示共轴叠加和非共轴叠加两种情况下降向的变化。请你自己分析382023/3/30请你自己判读不同的强、弱层表现出弯滑或弯流作用形成的构造特征请你思考：弯滑或弯流褶皱作用的本质有什么区别392023/3/30四、压扁作用对纵弯褶皱的影响

压扁作用始终贯穿于岩石整个变形过程中。褶皱前的顺层压扁取决于岩石的韧性差和平均韧性。如当1=2时，只有顺层均匀缩短，而不会发生褶皱。褶皱后的压扁作用①使ＸＹ面向轴面旋转；③中和面趋于消失；③形成轴面劈理；④翼部变陡变薄；⑤转折端加厚，小褶皱；⑥翼部石香肠；⑦无根褶皱、钩状褶皱；⑧彻底置换（S0//S1)402023/3/30五、纵弯褶皱发育的劈理型式板劈理在褶皱内发育的程度和分布，与应变大小和岩性有密切关系。如果有两种粘度不同的岩层组成层系受纵向压缩产生褶皱，则因粘度比不同会出现不同的分布型式：412023/3/301≥2，发育轴面劈理（图1）1/2

＜10%，强硬岩层（1）形成正扇形劈理，在软岩层中形成反扇形劈理，在两种岩性接触面发生劈理折射现象（图2）；1/2

＞50%，强硬层发生中和面褶皱作用，中和面内侧发育稀疏的正扇形劈理，外侧出现平行层理的劈理。软岩层中形成反扇形劈理，并在强硬岩层内侧形成火焰状构造。强硬岩层弯曲外侧，受接触应变带影响，劈理平行岩层界面，与反扇形劈理之间构成一个三角形的中性区（图3）。不管是哪一种情况，后期如果遭受强烈压扁作用，则所有劈理将趋向于平行排列，并以褶皱轴面平行。422023/3/30劈理应用劈理降向：年轻的组构为达到与老组构平行，需要在垂直于新老组构交线的平面内，通过上部的锐角向它旋转的那个水平方向，称为劈理降向（图A）。

利用劈理降向可以确定大褶皱转折端和轴面的位置。在简单的情况下，从大褶皱一个翼转向一个翼，劈理降向就发生了变化（图B）。BA432023/3/30北京周口店褶皱中的轴面劈理请你分析：这是那种褶皱模式形成的褶皱和轴面劈理哪些岩层是强硬岩层，哪些是软弱岩层岩层的粘度比是多少才能形成这样的劈理型式在褶皱不同部位，应变椭球体的应变轴应该怎样排列在图上举例说明劈理降向概念442023/3/30§2、横弯褶皱作用

一、概念垂直于地质界面的挤压而引起的弯曲作用称为横弯褶皱作用。产生这种力的原因是：１．地壳差异升降运动２．岩浆上拱作用３．膏盐层“底辟”作用４．同沉积褶皱作用等452023/3/30横弯褶皱的一般特点１．整体处于拉伸状态，无“中和面”２．易形成顶薄褶皱（ＩA），顶部可形成地堑３．横弯褶皱的作用引起的弯流物质向两翼流动４．次级褶皱的轴面向外倒462023/3/30二、底辟构造底辟褶皱是地下深处的高塑性物质（岩盐、石膏等）在重力差异作用下呈圆柱状或厚塞状向上流动刺穿上覆岩层而形成的一种构造现象。底辟构造一般包括三部分：

①高塑性物质组成的底辟核，核内物质往往呈现复杂的塑性变形；

②核上构造（上覆岩层），形成不规则的穹隆或短轴背斜，其内部构造特征如上述横弯褶皱的基本特征；

③核下构造，一般比较简单。当底辟核为岩盐时，称为岩丘构造，典型的盐丘直径2-3km，边部陡倾，可以向下延伸达几公里。内部构造通常十分复杂，大量发育紧闭陡倾伏褶皱、重褶皱和多次重褶皱现象。472023/3/30二、底辟构造底辟褶皱是地下深处的高塑性物质（岩盐、石膏等）在重力差异作用下呈圆柱状或厚塞状向上流动刺穿上覆岩层而形成的一种构造现象。底辟构造一般包括三部分：

1、高塑性物质组成的底辟核，核内物质往往呈现复杂的塑性变形；

2、核上构造（上覆岩层），形成不规则的穹隆或短轴背斜，其内部构造特征如上述横弯褶皱的基本特征；

3、核下构造，一般比较简单。482023/3/30

当底辟核为岩盐时，称为岩丘构造，典型的盐丘直径2-3km，边部陡倾，可以向下延伸达几公里。内部构造通常十分复杂，大量发育紧闭陡倾伏褶皱、重褶皱和多次重褶皱现象。492023/3/30

如果底辟核是侵入岩，岩浆上升侵入围岩，并使上覆岩层上拱形成穹隆，这种作用过程也称岩浆底辟作用。岩浆地辟主要有以下特点：１、平面上多成圆形或椭圆形２、接触带发育平行接触面的面理３、杂岩体脊部近水平拉伸，所以，应变椭球体长轴在脊区是切向的，在杂岩体的主体区，应变椭球体长轴是铅直方向４、杂岩体周围出现周缘向斜以及地辟上升形成的剪切现象，包括韧性剪切带和糜棱岩化５、可导致重力滑动构造或推覆构造502023/3/30

三、同沉积褶皱

同沉积褶皱是在岩层沉积的同时边沉积边褶皱而形成，这类褶皱称为同沉积褶皱，也称为同生褶皱。由于同沉积褶皱是在漫长过程中逐渐变形而形成的，因此，它的形态可以反映在褶皱过程中形成沉积物的岩相、厚度及其某些结构、构造特点等方面变化。512023/3/30(1)两翼倾角一般上部平缓，向下变陡，褶皱总体为开阔褶皱。(2)岩层厚度在背斜顶部薄，向两翼厚度增大，向斜中心部位岩层厚度往往最大，沉积等厚线与相应的构造等值线形态基本一致(3)岩石结构构造明显受构