褶皱的成因分析

第一节第一节 纵弯褶皱作用纵弯褶皱作用 第二节第二节 横弯褶皱作用横弯褶皱作用 第三节第三节 剪切褶皱作用剪切褶皱作用 第四节第四节 柔流褶皱作用柔流褶皱作用 第五节第五节 关于褶皱作用问题关于褶皱作用问题 褶皱成因褶皱成因 各种褶皱控制因素：压力、重力、岩石力学性质；各种褶皱控制因素：压力、重力、岩石力学性质； 褶皱的发育过程；褶皱的发育过程； 褶皱内部应变特征；褶皱内部应变特征； 褶皱与其他构造的内部联系。褶皱与其他构造的内部联系。 能干层能干层强硬层强硬层低塑性层低塑性层粘度大粘度大 非能干层非能干层软弱层软弱层高塑性层高塑性层粘度小粘度小 褶皱作用的基本概念及其类型褶皱作用的基本概念及其类型 褶皱的形成方式与其褶皱的形成方式与其受力状态受力状态、变形变形 环境环境及及岩层的变形行为岩层的变形行为密切相关。密切相关。 从褶皱过程中岩层的从褶皱过程中岩层的变形行为变形行为来看，来看， 可把褶皱分为可把褶皱分为主动褶皱主动褶皱和和被动褶皱被动褶皱两类。两类。 各岩层韧性差比较显著，各岩层韧性差比较显著，岩层岩层 的力学性质和层理积极地控制着的力学性质和层理积极地控制着 褶皱的发育时，这种褶皱称为褶皱的发育时，这种褶皱称为主主 动褶皱（弯曲褶皱）动褶皱（弯曲褶皱）。 主动褶皱主动褶皱- -中浅构造层次中浅构造层次 ( (10km) ) 当各层岩石间的当各层岩石间的韧性差韧性差很小，层理在很小，层理在 褶皱变形中不再具有力学上的不均一性，褶皱变形中不再具有力学上的不均一性， 而只是被动地作为变形的标志，这种褶皱而只是被动地作为变形的标志，这种褶皱 称为称为被动褶皱（剪切褶皱）被动褶皱（剪切褶皱）。 被动褶皱被动褶皱- -下构造层次下构造层次 ( (10km)10km) 被动褶皱褶皱假象被动褶皱褶皱假象 并没有真正发生过一般意义的弯曲。并没有真正发生过一般意义的弯曲。 褶皱过程中物质的运动方式：褶皱过程中物质的运动方式： 流动流动物质的连续滑移物质的连续滑移 (只是一种晶粒尺度或 晶格尺度的微小滑动) 滑动滑动物质沿不连续面的滑移物质沿不连续面的滑移 引起褶皱的作用力的作用方式引起褶皱的作用力的作用方式 纵弯褶皱作用纵弯褶皱作用受水平受水平挤压力形成挤压力形成 横弯褶皱作用横弯褶皱作用受垂直压力形成受垂直压力形成 剪切褶皱作用剪切褶皱作用受剪切应力作用形成受剪切应力作用形成 柔流褶皱作用柔流褶皱作用受重力作用形成受重力作用形成 纵弯褶皱作用：纵弯褶皱作用： 平行于岩层挤压而引起的弯曲作用；平行于岩层挤压而引起的弯曲作用； 地壳水平挤压的结果。地壳水平挤压的结果。 横弯褶皱作用：横弯褶皱作用： 垂直于岩层挤压而引起垂直于岩层挤压而引起 的弯曲作用；的弯曲作用； 岩层水平时由垂向力引岩层水平时由垂向力引 起的结果。起的结果。 能干层（砂岩）能干层（砂岩） 非能干层（页岩）非能干层（页岩） 第一节第一节 纵弯褶皱作用纵弯褶皱作用 岩层间力学性质的差异在褶皱形成中起主导作用。岩层间力学性质的差异在褶皱形成中起主导作用。 一、纵弯褶皱的发育机制一、纵弯褶皱的发育机制 （一）单层褶皱的发育机制（一）单层褶皱的发育机制 能干层发生褶皱作用的能干层发生褶皱作用的主波长理论主波长理论 假设：假设：能干岩层的厚度能干岩层的厚度 = d ，粘度，粘度 = 1， 非非能干基质的厚度不限定，粘度能干基质的厚度不限定，粘度 = 2， 在褶皱作用过程中，当能干层发生弯曲在褶皱作用过程中，当能干层发生弯曲 褶皱时，垂直于层面发生的位移为褶皱时，垂直于层面发生的位移为u，并，并 假设发生褶皱的初始波长为假设发生褶皱的初始波长为Wi，其相应，其相应 的位移为的位移为 0 。 初始主波长初始主波长W Wi i为：为： 褶皱主波长与力的大小无关，与介质的力褶皱主波长与力的大小无关，与介质的力 学性质有关学性质有关 。 褶皱主波长与褶皱层厚度褶皱主波长与褶皱层厚度 d 呈正比。呈正比。 褶皱主波长与介质的粘度比（褶皱主波长与介质的粘度比（ 1/ 2）的立）的立 方根成正比方根成正比 （注：应是立方根！）（注：应是立方根！）Wi=2 d 1 / 6 2 3 主波长理论的主波长理论的构造物理学构造物理学意义意义 当岩性一定时，当岩性一定时， 1 1/ / 2 2 比为常数，褶皱比为常数，褶皱 的波长的波长W Wi i与层厚与层厚d d成正比关系。成正比关系。 当层厚一定时，当层厚一定时，d d为常数，褶皱的波长为常数，褶皱的波长WiWi 与层和介质之间的粘度比与层和介质之间的粘度比 1 1/ / 2 2非线性成非线性成 正比关系正比关系. . 当当 1 1= = 2 2时，只有顺层均匀缩短，时，只有顺层均匀缩短， 而不会发生褶皱。而不会发生褶皱。 1 1/ / 250250 当当1/ 1/ 2 2 50 50时，形成肠状褶皱时，形成肠状褶皱 肠状褶皱肠状褶皱 1 1/ / 210210 当当1/ /2 1010时，形成肿缩式褶皱或尖圆褶皱时，形成肿缩式褶皱或尖圆褶皱 尖圆褶皱尖圆褶皱 隔槽式褶皱隔槽式褶皱 能干性差能干性差异异大，大， 形成形成肠状肠状褶褶皱皱 能干性差能干性差异异小，小， 形成尖形成尖圆圆褶褶皱皱 由此可见：由此可见： （1 1）褶皱的主波长与所受作用力的大小无关，与强岩）褶皱的主波长与所受作用力的大小无关，与强岩 层的厚度及其层与介质的粘度有关。层的厚度及其层与介质的粘度有关。 （2 2）褶皱的主波长与褶皱层的原始厚度）褶皱的主波长与褶皱层的原始厚度 d d 成正比。成正比。 当岩层与介质比（当岩层与介质比（1 1 / / 2 2）为）为常数常数时，厚度大时，厚度大 的岩层波长大，数量少；厚度小的岩层波长小，数量的岩层波长大，数量少；厚度小的岩层波长小，数量 多而紧闭。多而紧闭。 （3 3）褶皱的主波长与强岩层和介质的粘度比的立方）褶皱的主波长与强岩层和介质的粘度比的立方 根成正比。根成正比。 A A、强岩层与介质、强岩层与介质能干差大能干差大时，宽缓褶皱时，宽缓褶皱顶角顶角 变小变小香肠构造香肠构造 B B、强岩层与介质、强岩层与介质能干差小能干差小时，顺层缩短时，顺层缩短岩层岩层 加厚加厚圆弧褶皱圆弧褶皱压扁褶皱压扁褶皱 影响褶皱波长发育的主要因素影响褶皱波长发育的主要因素 层厚层厚 d d 粘度比粘度比 1 1/ / 2 2 温度、应力和应变速率对粘度的影响温度、应力和应变速率对粘度的影响 （二）多层岩层褶皱发育机制（二）多层岩层褶皱发育机制 假设有多层岩石，其粘度、厚度也不假设有多层岩石，其粘度、厚度也不 一样（一样（ 1 2 3 4 ）， ），当受到应 当受到应 力作用以后，其变形情况将会怎么样？力作用以后，其变形情况将会怎么样？ 接触应变带：接触应变带：强硬岩层发生褶皱时，软岩层会强硬岩层发生褶皱时，软岩层会 发生不同的构造反映，形成的变形带。发生不同的构造反映，形成的变形带。 强硬强硬层层 单层单层强硬强硬层层的褶的褶皱皱及其接及其接触应变带触应变带 硬岩层初始硬岩层初始厚度或粘度不同厚度或粘度不同 中中 相相 似似 褶褶 皱皱 尖尖 棱棱 褶褶 皱皱 膝膝 折折 褶褶 皱皱 二、纵弯褶皱的应变分布型式与小型构造二、纵弯褶皱的应变分布型式与小型构造 纵弯褶皱的应变分布型式可以归纳为两种模式：纵弯褶皱的应变分布型式可以归纳为两种模式：中和面褶皱中和面褶皱 作用作用和和顺层剪切作用顺层剪切作用（弯流褶皱作用和弯滑褶皱作用）（弯流褶皱作用和弯滑褶皱作用） ( (一一) )中和面褶皱作用（中和面褶皱作用（ 1 1/ / 2 2较大较大） 应变特征：应变特征： 是平面应变，是平面应变，褶皱轴为中间应褶皱轴为中间应 变轴；变轴； 形成形成I IB B型平行褶皱型平行褶皱； 层总体厚度不变，层总体厚度不变，外弧伸长，外弧伸长， 内弧缩短内弧缩短 当岩层的能干性相对较大时，强岩层褶皱存在当岩层的能干性相对较大时，强岩层褶皱存在 一个一个不变形或没有应变的界面不变形或没有应变的界面，沿该界面应变，沿该界面应变 为零，称为为零，称为中和面中和面。 形成的小构造特点形成的小构造特点 岩石韧性很小时，岩石韧性很小时， 形成张裂。形成张裂。 岩石韧性中等时，岩石韧性中等时， 形成剪裂形成剪裂 岩石韧性大时，岩石韧性大时， 形成劈理形成劈理 强硬层间是弯滑褶皱作用强硬层间是弯滑褶皱作用 剪切面集中在层面之间的褶皱作用剪切面集中在层面之间的褶皱作用 （二）顺层剪切作用（二）顺层剪切作用 软弱层以弯流作用为主软弱层以弯流作用为主 宏观上没有明显滑动面的褶皱作用宏观上没有明显滑动面的褶皱作用 顺层剪切作用特点：顺层剪切作用特点： （1）褶皱轴是中间应变轴褶皱轴是中间应变轴：绕褶皱轴的弯曲，褶皱面上：绕褶皱轴的弯曲，褶皱面上 垂直褶皱轴的滑动垂直褶皱轴的滑动 （2）岩层原始厚度保持不变岩层原始厚度保持不变：简单剪切，：简单剪切，层内无中和面层内无中和面 （3）直线线理在变形后与褶轴的交角不变）直线线理在变形后与褶轴的交角不变 （4）在正交剖面上，最大应变轴的方向在）在正交剖面上，最大应变轴的方向在顶部收敛顶部收敛， 转折端处无应变转折端处无应变，拐点处应变最强拐点处应变最强 （5）常形成）常形成层间小褶皱层间小褶皱，可据此判断大构造的位置，可据此判断大构造的位置 3. 压扁作用的影响压扁作用的影响 当岩层的当岩层的能干性相对较小能干性相对较小，且，且能干性差不大能干性差不大时，软时，软 弱的岩层在平行层面的挤压作用下发生弯曲变形前，弱的岩层在平行层面的挤压作用下发生弯曲变形前， 整体发生平行于岩层界面或主压应力方向的整体发生平行于岩层界面或主压应力方向的缩短应变缩短应变， 然后然后再发生弯曲变形再发生弯曲变形的行为，称为的行为，称为压扁作用压扁作用。 （1）褶皱前褶皱前的顺层压扁，岩层缩短加厚，压扁面的顺层压扁，岩层缩短加厚，压扁面垂直垂直 于层理于层理 （2）褶皱后褶皱后的压扁作用，压扁面向轴面旋转，形成的压扁作用，压扁面向轴面旋转，形成轴轴 面劈理面劈理 压压扁作用扁作用 缩缩短短应变应变 弯弯曲曲应变应变 4. 纵弯褶皱中发育的劈理形式纵弯褶皱中发育的劈理形式 （1）高韧性差：）高韧性差： A. 远离强岩层处远离强岩层处，形成与褶皱轴面，形成与褶皱轴面平行的劈理平行的劈理 B. 在在强岩层附近强岩层附近，围绕强岩层形成，围绕强岩层形成劈理劈理 C. 在在强岩层内部强岩层内部，外侧外侧受顺层拉伸，形成受顺层拉伸，形成顺层劈顺层劈 理理、垂直层理的、垂直层理的张裂隙张裂隙；内侧内侧受压缩，形成受压缩，形成正扇形正扇形 劈理、轴面劈理劈理、轴面劈理 （2）低韧性差：）低韧性差： A. 褶皱前褶皱前，顺层，顺层缩短缩短而而加厚加厚 B. 褶皱幅度小时，压扁面垂直层面褶皱幅度小时，压扁面垂直层面 C. 变形继续，变形继续，强岩层强岩层中中正扇形正扇形劈理；劈理；软岩层软岩层中中 反扇形反扇形劈理劈理 D. 变形再继续，发育变形再继续，发育轴面劈理轴面劈理 利用劈理来判断褶皱构造位置及岩层面向利用劈理来判断褶皱构造位置及岩层面向 劈理陡，层理缓劈理陡，层理缓 劈理缓，层理陡劈理缓，层理陡 第二节第二节 横弯褶皱作用横弯褶皱作用 垂直于地质界面（岩层）垂直于地质界面（岩层） 的挤压而引起的弯曲作用。的挤压而引起的弯曲作用。 特点：特点： 1. 1. 垂直层面的外力作用，形成的褶皱垂直层面的外力作用，形成的褶皱 2. 2. 岩层处于拉伸状态，岩层处于拉伸状态，无中和面无中和面 3.3. 顶薄褶皱顶薄褶皱，背斜顶部形成地堑；，背斜顶部形成地堑； 穹隆顶部有放射状或同心圆状断层穹隆顶部有放射状或同心圆状断层 4. 4. 塑性物质由顶向两翼流动，在翼部产生轴面向外塑性物质由顶向两翼流动，在翼部产生轴面向外 倾倒的层间小褶皱，锐夹角指示上层倾向滑动方向。倾倒的层间小褶皱，锐夹角指示上层倾向滑动方向。 基底断块的垂向升降，引起盖层的断裂外，还基底断块的垂向升降，引起盖层的断裂外，还 可能迫使盖层弯曲而褶皱或形成大型挠曲。可能迫使盖层弯曲而褶皱或形成大型挠曲。 2.同沉积褶皱：同沉积褶皱： 第三节第三节 剪切褶皱作用剪切褶皱作用 与地质界面斜交的剪切力偶作用引起与地质界面斜交的剪切力偶作用引起 的弯曲作用称的弯曲作用称剪切褶皱剪切褶皱作用。作用。 其特征为：其特征为： 1. 褶皱是简单剪切变形形成，剪切面是无应变面褶皱是简单剪切变形形成，剪切面是无应变面 2. 剪切面平行于褶皱轴面剪切面平行于褶皱轴面 3. 平行轴面岩层厚度变形前后不变（相似褶皱）平行轴面岩层厚度变形前后不变（相似褶皱） 4. 在褶皱中无中和面在褶皱中无中和面 5. 轴面两侧的相对剪切方向相反轴面两侧的相对剪切方向相反 6. 成直线排列线理，可能发生改变成直线排列线理，可能发生改变 第四节第四节 柔流褶皱作用柔流褶皱作用 岩石体在高韧性和低粘度条件下发生类似粘性流岩石体在高韧性和低粘度条件下发生类似粘性流 体的粘滞性流动形成的褶皱作用行为称体的粘滞性流动形成的褶皱作用行为称柔流褶皱柔流褶皱作用。作用。 如肠状褶皱。如肠状褶皱。 褶皱的观察与研究褶皱的观察与研究 1. 1. 分析下图各地层间的接触关系分析下图各地层间的接触关系 D D1 1 D D2 2 P P1 1 T T1 1 T T2 2 K K1 1 K K2 2 E E2 2 2. 2. 分析下面地形地质分析下面地形地质 图，指出图，指出J JK K、 O OP P 地层的产出状态地层的产出状态 3. 3. 分析下面地形地质图，指出地层是正常层分析下面地形地质图，指出地层是正常层 序还是倒转层序。序还是倒转层序。 4.4.下面剖面图中，两种岩层（下面剖面图中，两种岩层（1 1、2 2层）中都发育有层）中都发育有 劈理，试根据劈理发育特征判断哪种岩性韧性小劈理，试根据劈理发育特征判断哪种岩性韧性小 （较强硬）？背形转折端发育在哪一侧？（较强硬）？背形转折端发育在哪一侧？ 5.5.指出下列图中线理的名称类型指出下列图中线理的名称类型 6.6.写出下图褶皱各部分名称写出下图褶皱各部分名称 7.7. 在某一剖面上在某一剖面上A A、B B、C C三点见同一岩层出露，岩三点见同一岩层出露，岩 层中见层间小褶皱，形态如下图，试恢复褶皱形态层中见层间小褶皱，形态如下图，试恢复褶皱形态