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西北大学地质学系
《构造地质学》教案
第五章(7、8)褶皱
本章共2次课堂讲授:
褶皱几何学、褶皱成因分析
(一)褶皱几何学
第一节褶皱和褶皱要素
♦基本类型
♦背、向形和中性褶皱
♦要素
(轴面形态图)
第二节褶皱的描述
横剖面与正交剖面
♦转折端形态
圆弧/尖棱/箱状/挠曲
♦翼间角
●平缓/开阔/中常/紧闭/等斜
♦枢纽
直线或曲线状,受地形影响,水平直线状枢纽褶皱在平面地质图上也可以表现为闭合形态
♦褶皱的大小
波幅-中间线-枢纽
波长-相同拐点之间的距离
♦褶皱的对称性
二翼不等长时为不对称褶皱,分为S、Z、M型(顺着枢纽倾伏方向观察)
♦褶皱平面轮廓
等轴——长宽比接近1;1,穹隆、盆地
短轴——长宽比3:
1
线状——长宽比>>3:
1
第三节褶皱方位分析
♦褶轴及产状确定
●圆柱状褶被●褶轴产状确定◆直接测量◆利用β图解
♦轴面确定
●轴面是枢纽的连面●对称轴面为褶皱两翼平分面●也可以根据轴迹通过作图确定
♦褶皱位态分类
褶皱位态分类图解
第四节褶皱形态分类
♦根据岩层厚度变化的分类
●平行褶皱●相似褶皱
♦根据各褶被面之间的几何关系
●协调褶皱●不协调褶皱,底辟构造
♦Ramsay褶皱形态分类
●等倾斜线方法●三类五型●意义:
精确测定褶皱几何形态,查明细节,预测层内和层间褶皱样式的变化,帮助分析褶皱成因机制
第五节褶皱组合型式
♦Alpino-type
●全型褶皱●线状,带状分布、走向平行于构造带●背、向同等发育,布满全区●构成复背、向斜:
正扇型或反扇型
♦Jura-type
●过渡型●隔挡/隔槽(梳状/箱状)●背向斜发育强度不同●产于造山带前陆●滑脱作用●薄皮构造
♦German-typefold
●卵圆形穹隆,短轴背斜/长垣●断续发育于地台盖层中●北美称作平原式褶皱●独立产出或组合成雁列式
第六节叠加褶皱的基本型式
♦三种基本型式(据Ramsay)
●第1型●第2型●第3型
♦叠加褶皱野外观察
●叠加褶皱标志●重褶●新生构造规律弯曲●二组面、线构造规律交切●陡倾/倾竖褶被广泛发育●大型叠加褶皱转折端
第七节褶皱剖面编制
♦横(铅直)剖面、正交剖面、联合剖面(图9-47)
♦正交剖面偏制
第一种方法
第二种方法refertoRamsay1987
♦平行褶皱的剖面编制
原则:
等厚,同一曲率中心
相似褶皱剖面编制,轴面厚度不变
(二)褶皱成因分析
第一节成因概述
♦目的:
了解褶皱多样的形态及组合特点,与其它构造的关系,区域展布及与地壳运动的关系,对矿产的控制规律
♦内容:
●控制因素:
侧压力,重力,岩石力学性质●发育过程●内部应变及与其它构造的内在联系
♦形成方式分类(与受力状态、变形环境、岩层变形形为有关)
♦据物质运动方式分类
●滑动●流动
与分析尺度有关
e.g..品格滑动=宏观滚动
♦据作用力方式
纵弯 水平力
横弯 垂向力
本章重点——纵弯
第二节纵弯褶皱作用
♦顺层挤压/各向异性(层理)/韧性差/主波长
♦单层褶皱的发育机制
●主波长理论(Biot.60年代根据计算和实验提出)◆主波长与强岩层的厚度和强岩层与介质的粘度比有关,而与作用力无关
Wi=2πd
WI——初始主波长,d——厚度,1——强层粘度系数,2——介质粘度系数
◆岩层褶皱的阻抗来自:
强层内部
若形成最大可能的波长,则阻抗最小(图10-3a)
介质
若形成最小波长褶皱,则阻抗最小(图10-3b)
故,二者调和,取其中间值(最小功原理)
◆主波长理论表明:
主波长与岩层初始厚度成正比,图10-4
与强层/介质粘度比(μ1/μ2)成正比
二类极端情况:
①μ1/μ2很大(如>50)形成肠状褶皱(图10-6)
μ1/μ2小(<10),形成尖圆褶皱,(10-7)用于解释基层与盖层的箱状褶皱
♦多层岩层的褶皱发育
●多层岩层的褶皱发育形态影响因素:
①能干性②相邻层的影响强度(包括强层间的距离和接触应变带的宽度)●接触应变带的概念◆“硬层”褶皱对介质(褶皱)的影响范围。
此带以外,介质为均匀缩短♦宽度=WI◆图10-8♦“硬层”间距的影响♦两“层”间隔远,互不影响,形成各自的特征波长褶皱♦两“层”间隔小,相互干扰,整个岩系不协调♦两“层”间隔小,但厚度、粘度比相同,形成协调褶皱♦两“层”间隔小,粘度比、厚度不同,形成复协调褶皱(-D)
♦经压扁中小褶皱变为“S”“Z”及“M”型◆10-9♦μ1/μ2低n高(软层较厚)♦μ1/μ2低,n中等,褶皱形态明显,压扁后成压扁的平行褶皱♦μ1/μ2低,n低,普遍压扁♦μ1/μ2高,n高♦μ1/μ2高,n中,尖棱♦μ1/μ2高,n低,膝折
第三节纵弯褶皱层内的应变分布与小型构造
●层的弯曲方式(模式)
●压扁-贯穿始终●应变分布受控于平均韧性、韧性差●应变分布控制小构造
♦中和面褶皱作用
●μ1/μ2较大时,强岩层具有此种特征●应变特征:
◆平面应变◆1B平行式褶皱◆切向长度应变-外弧伸长,内弧缩短● 图11b、12a♦中和面-无应变面♦小构造发育-决定于变形时的韧性◆线理变位,图10-14A、B
10-14d——原直线弯曲变位,同时每一片断都有长度变化(线应变,均为伸长)
♦顺层剪切作用
●10-15:
应变椭圆示弯流作用,但流动是与小尺度的层间滑动实现的——与尺度有关●10-16:
卡片上划方格,得此模型。
◆注意——无中和面特点:
①平面应变;②1B平行线,但无中和面;③褶皱面为剪切面,相当“圆切面”——无应变。
其上的线理变位为小圆(前图10-14C);④正交剖面上,λ1呈“反扇形”,转折端处无应变,拐点处应变最强。
●弯流的次级小型构造◆韧性夹层:
①擦痕 ⊥轴;②不对称小褶皱;③层间劈理♦②、③相当于小型顺层剪切带,与层面夹角反映剪应变量大小。
◆脆性层:
④层间破碎带;♦5、转折端虚脱-鞍状脉,矿(同10-18)◆弯流作用发生在韧性高的层中,以发育反扇形板劈理(或褶劈理)为特征。
♦压扁 flatting
●褶皱前的顺层压扁取决于韧性差和平均韧性。
●压扁作用可贯穿褶皱作用始终,也可无明显压扁(如肠状褶皱的硬层)●褶皱前的压扁◆10-19顺层压扁 与前图时比 更复杂的应变型式●褶皱后的压扁◆褶皱后的压扁①使XY面向轴面旋转;③中和面趋于消失;③形成轴面片理;④翼部变陡变薄;⑤转折端加厚,小褶皱⑥翼部石香肠
♦纵弯褶皱中发育的劈理型式
●不同弯曲作用与压扁作用的联合,形成多种劈理型式。
——取决于平均韧性和韧性差。
◆E.g..典型(极端)现象-Ramsay♦高韧性差μ1》μ2
✓强层:
中和面褶皱,形成IB型,压扁后可成IC
外侧拉张-顺层劈理
外侧中和面拉张或正扁形张裂脉(脆性层)
内侧压缩-正扁形劈理,压扁后可平行于轴面
劈理与层面交角大,且较稀疏(内部应变相对于羽层为小)
弱层:
均匀压扁为特点
远处-轴面劈理
近强层处-复杂、特殊
近强层内侧-强烈压扁(总压扁+弯曲内侧附加压扁)
束状(肠状fold内侧)Ⅲ型褶皱
强层外侧-三角形/中性点与层面交角小,密集
轴面劈理 远离强层
接触应变影响,应变特殊 10-22
轴劈顺层缩短 束状
无应变中性点
低韧性差μ1>μ2,高的平均韧性
·强层也缩短加厚
·Wa(实际褶皱波长)<Wi(初始主波长)
XY面近于⊥层理
强层弯曲加大后,1+e1轨迹成正扇形,而接触应变带内的软层成反扇形-劈理折射
压扁继续,强层→尖圆形褶皱,“正扁形”向平行轴面方向旋转→轴面劈理
无缩短 强烈压扁 近于平行轴面
初始顺层缩短增强
不同情况下劈理形式
在强弱层间互时,强层-IB或IC型,+正扇形劈理 可进一步发展成楔状张裂脉
弱层-IC-Ⅲ型+反扇形
二者韧性差小,平均韧性高,易于形成轴面劈理。
利用劈理层理关系确定地层正倒(10-25)
利用劈理层理关系不能确定正倒(在重褶地区),但可帮助判断所处构造部位(同10-26)。
交错层 粒度层
第四节其它褶皱作用概述
♦剪切褶皱作用
●发生于韧性较大的岩层中,如盐岩或韧性差极小的岩系中(地壳深部)●层面不具有力学意义上的主动性(不均一性)●岩层被动弯曲●模型10-27●剪切褶皱特点:
◆剪切面上每一点为平面应变◆褶轴不一定平行于中间应变轴,只有当层面垂直于剪切方向时,二者才一致◆属于Ⅱ型相似式,平行于轴面方向上岩层厚度不变。
顶加厚,翼减薄——不是物质流动引起,而是剪切效应◆无中和面。
剪切面上各点应变相等◆二翼剪切方向相反,二侧XY面成反扇形-可能形成反扇形劈理(同10-11D)
◆线理变位
初始线理与滑动方向构成的大圆(直线有伸长和方位变化)图10-14D
♦横弯褶皱作用
●作用力垂直于层面
例如,基底断块升降(包括同沉积褶皱),底辟构造
●特点:
◆整体拉伸、无中和面、应力轨迹(10-29)◆IA顶薄型-韧性
顶部破裂形成地堑或放射/环状正断层(10-30)
基底升降(断层作用),盖层可发育大型挠曲(10-31)
◆同沉积褶皱中的特点和效应
♦底辟作用
●形成盐丘、岩浆底辟、储油构造●成因:
密度倒置,力学不稳定,失稳,固态流动(向应力小处流动)●失稳原因(对岩丘而言):
①上覆层厚度不等;②差异剥蚀;③盐层表面起伏不平;④水平挤压●实验说明:
橡胶薄膜 钢塞流体(粘性体)固定 孔洞●典型盐丘构造:
◆盐核:
φ=2-3km,边界陡立,下延数km,内部发育轴面,枢纽直立的复杂褶皱(10-33)♦围岩:
●顶部穹隆状隆起、发育正断层系,顶薄褶皱(10-30)●外围翼部带向上卷起,甚至形成围绕盐核的向斜(9-29,P164)
♦柔流褶皱作用
●固态流变条件下,岩石具高韧性和低粘度,呈类似流体的粘滞性流动●例如,①盐丘核部盐层的褶皱●冰川中冰层的流动——“灯盏石”●深变质岩、混合岩中常见柔流褶皱发育——对前述“肠状褶皱”(解释为岩层之间的韧型性差)的质疑●层流和紊流——持续流动,类似流体●柔流褶皱特点◆形态复杂,剪切褶皱作用紊流造成的图像更复杂,难以再造运动学图像。
四、要求熟练掌握的基本概念和要点
轴迹,枢纽/轴,斜卧褶皱,Alpino-type(Jura-type,German-type)fold,
纵弯褶皱作用的特征(应力分布,形态,弯滑/弯流作用,伴生构造)
五、思考、讨论题
●Alpino-type(Jura-type,German-type)fold是在何种应力和变形条件下形成的?
●Ramsay为什么提出了基于等倾斜线的褶皱分类方案?
这种分类有何意义?
●自然界大部分褶皱是由纵弯褶皱作用形成。
从地壳变形的角度分析,这种现象反映了什么问题?
●对于柔流褶皱作用,应该采用什么方法和手段对其进行描述和研究?
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