褶皱构造、形成机制以及-褶皱构造的观察和研究PPT课件.ppt

第四章褶皱 1 第四章褶皱第一节褶皱构造几何学第二节褶皱的形成机制第四节褶皱构造的观察和研究 2 第一节褶皱构造几何学 岩层受力发生弯曲变形称为褶皱 褶皱的规模差别很大 形态千姿百态 复杂多变 3 一 褶皱的基本类型背斜 是指核部为老地层 两翼为新地层的褶皱 向斜 是指核部为新地层 两翼为老地层的褶皱 如果地层新老关系不清 可先用背形和向形描述 4 二 褶皱的基本要素 5 1 核部 泛指褶皱中心部位的岩层 2 翼部 泛指褶皱两侧部位的岩层 3 转折端 指褶皱面从一翼过渡到另一翼的弯曲部分 6 圆柱状褶皱 4 褶轴 又称褶皱轴线或轴 对圆柱状褶皱而言 是指一条平行自身移动能描绘出褶皱面弯曲形态的直线 该直线称为褶轴 7 5 枢纽 指同一褶皱面上弯曲最大点的联线 6 轴面 各相邻褶皱面的枢纽连成的面称为轴面 7 轴迹 轴面与地面或其它任何面的交线称为轴迹 8 翼间角 正交剖面上两翼的内夹角 8 轴迹 轴迹 枢纽 轴面 9 9 脊 脊线 脊面和糟 槽线 槽面 背斜的同一褶皱面上的最高点为脊 它们的连线为脊线 向斜的同一褶皱面上的最低点为槽 它们的连线为槽线 若干相邻褶皱面上的脊线或槽线联成的面 分别称为脊面和槽面 10 脊迹和槽迹 脊面或槽面与地面或任意平面的交线 10 11 三 褶皱轴面和枢纽产状的测定褶皱枢纽和轴面产状是研究褶皱产状和形态的基本要素 基本概念 r 12 在赤平图上用各褶皱面法线产状表示褶皱弯曲面的这种图称 图 13 用赤平投影方法求枢纽及轴面产状 前提 已知褶皱两翼的产状 枢纽产状 1 为两翼投影大圆弧的交线产状 2 利用 图投影法求枢纽产状 枢纽产状可用倾伏和侧伏表示 轴面产状 为枢纽及两翼锐 钝 夹角平分线共圆后的大圆弧产状 14 15 四 褶皱的波长和波幅 褶皱波长和波幅可以从两个包络面之间褶皱层周期性波形上进行量度 褶皱波长 W 是指一个周期波的长度 即等于两个相间拐点之间的距离 波幅 A 是指中间线 在正交剖面上连接各褶皱面拐点的线 与枢纽点之间的距离 波长和波幅是描述褶皱大小的参数之一 在正交剖面上才能较准确地测量出波长和波幅的大小 16 对称波形波长 W波幅 A 不对称波形方法1波长W 波幅A 方法2波长Wm波幅Am Wm 17 五 褶皱形态的描述及分类 一 横剖面上褶皱形态的描述1 根据轴面产状和两翼产状 1 直立褶皱 A 2 斜歪褶皱 B 3 倒转褶皱 C 4 平卧褶皱 D 5 翻卷褶皱 E 18 平卧褶皱 19 2 根据褶皱的对称性 1 对称褶皱 轴面 褶皱包络面 两翼长度和厚度基本相等 2 不对称褶皱 轴面与包络面斜交 两翼长度和厚度不等 20 3 根据翼间角大小 1 平缓褶皱 翼间角 1800 大于1200 2 开阔褶皱 翼间角700 1200 3 闭合褶皱 翼间角300 700 4 紧闭褶皱 翼间角 300 5 等斜褶皱 翼间角近于00 两翼近平行 21 4 根据褶皱面弯曲形态 1 圆弧褶皱 a 2 尖棱褶皱 b 3 箱状褶皱 c 4 扇状褶皱 d 5 挠曲 e C 22 圆弧褶皱 23 24 尖棱褶皱 25 箱状褶皱 26 线状褶皱 长宽比大于10 1 是一种狭长褶皱 短轴褶皱 其长宽比介于3 1 10 1之间的褶皱 穹隆构造 长宽比小于3 1的背斜构造 褶皱面从中心向周缘倾斜 常无法确定枢纽 构造盆地 长宽比小于3 1的向斜构造 褶皱面从周缘向中心倾斜 二 褶皱在平面上的露头形态 27 A 短轴褶皱 B 线状褶皱 a b c h等代表地层层序 28 线状褶皱 29 穹隆构造 30 三 褶皱的产状分类理卡德 M J Rickard 根据褶皱轴面倾角 枢纽倾伏角和侧伏角这三个变量的关系 绘制了一个三角网图 据此把褶皱分为七种主要类型 图中AB边与BC边等度数相联的线代表轴面等倾角线 AC边各度数与B点的联线为枢纽在轴面上的等侧伏角线 AC BC等度数结合轴面产状关系相联的曲线为枢纽等倾伏角线 31 800 900 00 100 800 900 100 800 800 900 800 900 100 800 00 100 00 100 00 100 100 800 100 800 100 800 100 800 100 800 32 33 四 褶皱的剖面形态分类剖面 横截面 是 褶皱枢纽方向的剖面 1 根据各层厚度变化分类 平行 同心 褶皱和相似褶皱 平行褶皱 相似褶皱 34 平行 同心 褶皱特征 35 相似褶皱特征 36 2 根据褶皱中各层弯曲的相互协调性 1 协调褶皱 各层弯曲形态一致或呈有规律的过渡关系 2 不协调褶皱 各层弯曲形态明显不同 37 不协调褶皱 38 不协调褶皱 39 五 兰姆赛的褶皱几何分类依据褶皱横截面上褶皱层等倾斜线型式和厚度变化参数所反映的相邻褶皱面的曲率关系将褶皱划分为三类五型 等倾斜线 褶皱层上 下面上倾角相等切点的联线 40 类 这类褶皱岩层的等倾斜线从核部向外侧呈扇形撒开 根据撒开程度不同 细分为三个亚型 A型 等倾斜线强烈向外呈扇形撒开 各线长短差别很大 为典型顶薄褶皱 41 B型 等倾斜线从核部向外均匀撒开 并和层面正交 各线长度大致相等 为典型的等厚褶皱 C型 等倾斜线从核部向外略呈扇形撒开 转折端附近的倾斜线比两翼附近的要略长一些 反映出两翼厚度变薄的趋势 这是等厚褶皱向顶厚 相似褶皱过渡的类型 B C 42 类 等倾斜线互相平行且等长 为典型的相似褶皱 类 等倾斜线呈反扇形排列 形成明显的顶厚褶皱 43 六 同沉积褶皱和底辟构造 1 同沉积褶皱 synsidimentaryfold 同沉积褶皱是在盆地普遍沉陷的背景上 局部地区发生一边沉积 一边褶皱的构造 背斜基本特征 顶薄翼厚上缓下陡顶粗翼细高点偏移 44 背斜基本特征 1 顶薄翼厚 岩层厚度有轴部向两翼变厚 顶部多见局部不整合 2 上缓下陡 褶皱两翼的倾角上缓下陡 3 顶粗翼细 同一层的岩性由顶部向两翼逐渐变细 4 高点偏移 上部构造与下部构造的形态常常不吻合 上下部的构造高点发生明显的位移 45 2 底辟构造和盐丘底辟构造是地下高韧性岩体如 岩盐 石膏 粘土或煤层等 在构造力或由于岩石物质间密度的差异所引起的浮力作用下 向上流动并挤入上覆岩层之中而形成的一种构造 盐丘 saltdome 是由于岩盐和石膏向上流动并挤入围岩 使上覆岩层发生拱曲隆起而形成的一种构造 46 盐丘构造 盐核 变形复杂多样 多为竖直褶皱或叠加褶皱 与岩盐体多次上升流动有关 围岩构造 顶部形成穹隆构造或短轴背斜 产生放射状 环状断层 周边为陡倾正断层 围岩形成环形的周缘向斜 47 七 褶皱的组合型式及其分布 一 穹隆和构造盆地 穹隆 是岩层褶皱的脊向四周作放射状倾斜的背斜 构造盆地 是岩层从四周向中心的槽部倾斜的向斜 48 1 雁行褶皱 斜列式褶皱 由一系列平行斜列的短轴背 向斜组成 一般认为是水平力偶作用形成的 七 褶皱的组合型式及其分布 49 2 隔档式褶皱和隔槽式褶皱 隔档式褶皱 是由一系列平行的窄而紧闭的背斜和开阔平缓的向斜相间排列组成 隔槽式褶皱 是由一系列平行的紧闭向斜和平缓开阔成箱状的背斜相间排列组成 四川盆地东部隔档式褶皱 50 形成机理 主要是盖层在基底上剪切滑动形成的滑脱构造 51 3 复背斜和复向斜 是由许多次级褶皱所组成的巨大背斜或巨大向斜 发育于水平挤压的构造活动带 认识复背斜和复向斜 根据中央地带的次级褶皱的核部地层的新老关系 核部地层老于两侧者为复背斜 新于两侧者为复向斜 52 湖北汤池峡复背斜剖面图 河南嵩山五指岭复向斜剖面图 53 八 叠加褶皱 叠加褶皱又称重褶皱 是指已经褶皱的岩层再次弯曲变形而形成的褶皱 沉积岩区的叠加褶皱可分为六种类型 1 跨褶型2 移褶型3 重褶型4 限褶型5 弯褶型6 加强型 54 第二节褶皱形成机制一 褶皱形成机制的基本类型二 褶皱形成中的压扁作用三 影响褶皱形成的主要因素 55 一 褶皱形成的基本类型 一 纵弯褶皱作用 bucklefolding 岩层受到顺层挤压力而产生褶皱的作用 称为纵弯褶皱作用 单层弯曲应力 应变分布特点 在结构均一的单层板状材料的侧面上画上几排小圆 平板发生纵弯曲变形后小圆形态的变化反映了褶皱内部应变情况 P 56 外凸侧 应力 3水平并 枢纽 1直立 层面 2平行枢纽应变 垂直枢纽方向水平拉伸 内凹侧 应力 1 枢纽 3直立 层面 2平行枢纽应变 垂直枢纽方向水平压缩 中和面 无应变 随弯曲加剧中和面向核部迁移 57 单层或彼此粘结很牢的一套岩层在纵弯褶皱作用下的变形规律 岩层韧性较高 外凸侧会因拉伸而变薄 内凹侧则因压缩而变厚 脆性的岩层 在外凸侧常产生与层面正交 呈扇状排列的楔形张节理或小型正断层 而在内凹侧因压缩而产生逆断层 58 当一套层状岩石受到顺层挤压时 层理在形成褶皱的过程中起着重要的作用 岩层的弯曲可以通过两种运动方式来完成 一是弯滑褶皱作用 二是弯流褶皱作用 弯滑褶皱作用 弯流褶皱作用 59 1 弯滑褶皱作用 岩层通过层间滑动而弯曲形成的褶皱 主要特征是 1 各单层有各自的中和面 整个褶皱没有统一的中和面 相邻褶皱面平行 各岩层的真厚度在褶皱的各部位基本一致 往往产生平行褶皱 B型 2 层间滑动规律及产生的小构造 规律 背斜中各相邻的上层相对向背斜转折端方向滑动 小构造 见旋转剪节理 同心剪节理 擦痕 虚脱等现象 60 3 当两个强硬岩层之间夹有层理发育的韧性岩层时 发生纵弯褶皱作用 则会在层间滑动的力偶作用下 使薄层韧性岩层发生层间小褶皱 可以利用翼部不对称层间小褶皱判断上下层面及背 向斜位置 61 2 弯流褶皱作用 岩层弯曲变形时 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 主要特征是 1 层内物质的流动方向 自翼部流向转折端 致使转折端部位增厚 翼部相对减薄 从而形成相似褶皱或顶厚褶皱 62 2 当软岩层与硬岩层互层时 受到顺层挤压 硬岩层形成平行褶皱 而软岩层易于流动 填充了由于层间滑动形成的虚脱空隙 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相对容易流动的韧性岩层时 可在主褶皱的翼部和转折端形成从属褶皱 63 4 在侧向挤压下软岩层发生强烈层内流动 可产生线理 劈理或片理等小构造 如其间夹有脆性薄岩层 还可形成构造透镜体 厚层硅质石灰岩 炭质板岩夹薄层硅质石灰岩 顺层流劈理 顺层剪裂面 张节理 由硅质石灰岩形成的构造透镜体 翼部剪节理 反扇形流劈理 64 二 横弯褶皱作用 bendingfolding 横弯褶皱作用 岩层受到和层面垂直的外力作用而发生的褶皱 称为横弯褶皱作用 地壳差异升降运动 岩浆或岩盐的底辟作用以及同沉积褶皱作用所形成的褶皱都属于横弯褶皱 65 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顶薄褶皱 顶部可出现放射状或同心圆状断裂 3 由于垂直运动 物质由顶部向翼部流动 韧性岩层在翼部形成轴面向外倾斜的小褶皱 66 在强烈的水平挤压下 地下深处岩层在高韧性条件下 首先形成平行密集的破裂面 劈理面 片理面 后在力的继续作用下 沿着破裂面发生相对的 有规律的差异滑动 而形成类似于褶皱的弯曲形态 剪切褶皱并不是岩层真正褶皱 只是沿每一滑片作差异滑动 层面 标志面 被错开 故剪切褶皱作用过程中 原始层面不起任何控制作用 它只是反映滑动结果的一种标志 三 剪切褶皱作用 shearfolding 67 层面 劈理面片理面 68 剪切褶皱的主要特点 1 是典型的相似褶皱 2 岩层并未发生真正的弯曲 3 形成的背 向斜规模小 有时只造成层面锯齿状参差不齐的外貌 69 四 柔流褶皱作用 柔流褶皱作用 是一种固态流变状态下的褶皱作用 形成 高温高压下的岩石或富水的高韧性低粘度的岩层在外力作用下发生类似粘稠的流体那样的变形 从而形成一种形态复杂 紊乱多变的流动褶皱 特点 1 形成形态复杂 产状无一定规律的流褶皱 2 物质流动突破层面限制 3 厚度变化大 70 长英质脉肠状褶皱 71 多纳斯 Donath 和帕克 Parker 提出了一个关于褶皱形成机制的分类 根据 褶皱岩系平均韧性 岩层之间的韧性差 层理在形成褶皱中的作用将褶皱划分为 弯曲褶皱 被动褶皱 准 弯曲褶皱 补充 72 弯曲褶皱 平均韧性 低 弯曲滑动褶皱中 弯曲流动褶皱韧性差 影响不大层理 积极控制了褶皱变形 73 被动褶皱 平均韧性 高韧性差 较小层理 不起积极控制作用 物质滑动和流动不受层理限制 只作为外貌弯曲的标志 74 准一弯曲褶皱 是一种过渡类型的褶皱 是中 高韧性岩石特有的一种褶皱类型 从整个岩系看 有被动褶皱的特征 其中个别低韧性夹层又表现为弯曲褶皱的特征 几何形态受低韧性岩层控制 总体上像弯曲褶皱 物质流动的主要特点又像被动褶皱 不协调褶皱 75 总的规律韧性差小 褶皱类型决定于岩系的韧性 平均韧性 低 高褶皱类型 弯曲滑动褶皱 弯曲流动褶皱 被动褶皱韧性差大 平均韧性 低 高褶皱类型 弯曲滑动褶皱 弯曲流动褶皱 准弯曲褶皱 被动褶皱 76 五 膝折褶皱作用 膝折褶皱作用 它是兼具剪切褶皱作用和弯滑褶皱作用两种特性的一种特殊褶皱作用 产生膝折的岩性特征 为岩性较均一的脆性薄层岩层或片理化岩石 77 形成 岩层在一定的围压限制下 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 即围绕一个相当于轴面的膝折面转折而成尖棱褶皱 78 不对称膝折 对称膝折 共轭膝折 类型 膝折带 膝折面 79 二 褶皱形成中的压扁作用岩层在褶皱过程中 总要引起平行主压应力方向的压缩和垂直于主压应力方向的伸长 即称为褶皱的压扁作用 压扁作用在褶皱前和褶皱过程中都存在 具体分析如下 80 1 随着压扁作用的增强 应变椭球的长轴逐渐转到平行轴面的方向 2 褶皱岩层的厚度翼部变薄 转折端增厚 褶皱由平行褶皱向相似褶皱发展 81 82 3 具有对称要素的鲕粒 化石等的变形 可以推断压扁作用程度 4 压扁作用是形成层间褶皱的重要原因 83 5 翼部脆性薄夹层拉伸成石香肠 透镜体 韧性岩层产生轴面劈理 强硬岩层在压扁作用中形成 无根勾状褶皱 84 三 影响褶皱形成的主要因素 一 层理在褶皱形成中的作用 层理或成层构造使岩石不均一 致使岩层受力变形时 可以通过层间滑动或层内物质流动而弯曲形成褶皱 分析试验过程实验表明 成层构造是岩石产生褶皱的必要条件 腊和粘土受测向挤压的变形试验 三层蜡 块状粘土 粘土分层 85 二 岩层厚度和力学性质的影响 岩层厚度对褶皱的形态和大小有显著影响 岩层力学性质直接影响褶皱的形态和类型 86 毕奥特等提出了主波长理论 用以说明岩层厚度 岩性与褶皱形成的关系 为了研究岩层的厚度和力学性质对褶皱形成的影响 我们首先介绍一下褶皱的主波长理论 1 主波长理论 概念 这一理论是毕奥特 M A Biot 和兰伯格 Ramberg 通过模拟实验和理论计算建立起来的 87 假定 在即将发生褶皱的岩层中 存在着一些低幅度正弦曲线状微小起伏 这些微小起伏可能在岩层受力前已经存在 或者是在受力初期因局部失稳而引起的 这一学说指出 虽然这些不同波长的起伏都有可能生长发育 但其中有些波长要比其它波长发育的快 波幅增大也快 并最终控制褶皱形成的波长 这就称为主波长 Wd 88 方程 1 如果粘度为 1的层被夹在粘度为 2的低粘性层中 则推导出的主波长的方程为 Wd 2 T式中 T 为主导层的厚度 即 1层厚 1 6 2 3 89 2 当由厚度为T和粘度为 1的n个单层组成的多层粘性层时 其主波长方程为 Wd 2 T 主波长受岩层层数影响 90 从公式可知 主波长与压力无关 压力只影响褶皱作用的速度而不影响主波长 当然 如果作用力很大 接近于岩石的抗压强度 则岩石并不表现为粘性 而表现为弹性 这时上式前提已不成立 91 2 运用主波长理论解释岩层厚度与岩石力学性质对褶皱形成的影响 1 主波长与层的厚度成正比 当 1 2一定时 岩性相似而厚度不同的岩层 形成不同波长的褶皱 厚度小的层形成的褶皱波长小 褶皱多 每个褶皱较紧闭 厚度大的层形成的褶皱波长大 单个褶皱较开阔 河南嵩山变质岩石中的不协调褶皱 92 2 主波长与成正比 当 T 一定时 1 2大时 形成波长大 平缓开阔的平行褶皱 1 2小时 形成波长小 紧闭的相似褶皱 但当 1与 2值接近时 主波长值接近3 46T 这样的褶皱很微弱 可认为只有压缩而无褶皱 Wd公式失效 93 结论在同样水平挤压作用下 厚层形成曲率小 波长大的平缓开阔褶皱 而薄层者则形成曲率大 波长小的紧闭褶皱 同样厚度的岩石 在同样的水平挤压作用下 强岩层常以弯滑作用为主形成平行褶皱 弱岩层则通过层内流动形成相似和顶厚褶皱 94 95 三 岩层埋藏深度及应变速率对褶皱形成的影响1 埋藏深度 因为埋藏深度不同 温 压不同 岩石力学性质不同 所以 地表 以弯滑褶皱作用为主 较深 以弯流褶皱作用为主 更深 以柔流和剪切褶皱作用为主 96 2 应变速率影响 影响岩石力学性质 应变速率大 韧性层可出现弹性变形和脆性断裂 较深地下也一样 应变速率小 力长时间作用 岩层因蠕变而褶皱 在地表条件下也一样 97 四 基底构造对盖层褶皱的影响 盖层构造常受基底构造控制 控制形式多种多样 下边介绍几种主要的形式 1 古地貌或古地形对上覆盖层形变的控制作用 98 1 形成反转构造 试验证明 波状不整合面可成为盖层的滑脱面 当古地形是凹陷时 凹陷区内所覆盖的水平叠层 在侧向挤压下 先在凹陷中心的顶部层产生小褶皱 并逐渐向下延伸 随压力增大形成明显的对称背斜构造 当古地形为隆起时 隆起顶部的上覆叠层形成向斜构造 99 2 形成披覆构造 基底隆起其上的盖层形成大型穹窿构造 3 形成同沉积褶皱 边隆起边沉积 100 2 深层断裂对盖层变形的影响 由于基底断裂情况复杂 所以对盖层变形的影响也很复杂 1 基底平移断层 盖层产生雁行褶皱 101 2 基底断裂 盖层形成不对称褶皱 轴面与断面产状一致 图4 52b 3 基底反向逆断层组合 盖层形成箱状褶皱 图4 52c 102 第四节褶皱构造的观察和研究 褶皱构造研究的基本任务是 通过野外观察和填图 结合各种地质勘探手段和航片 卫片的图象解译等所取得的地质资料的综合研究 查明褶皱的形态 产状和组合分布特征 探讨褶皱形成机制和形成时代 为研究区域地质构造特征 找矿及水文 工程地质服务 103 一 了解区域的总的构造轮廓 露头区 首先应通过对包括研究区在内的小比例尺地质图及航空像片 卫星像片进行判读和解译分析 一 褶皱形态的研究 104 继而在露头良好的地带进行横穿区域构造线的路线观察 了解全区地层时代 层序及构造总体的特征 如区域构造线方向及其变化 背斜和向斜发育特点 背斜 向斜是否构成更高一级的大型褶皱 褶皱枢纽的倾伏方向 全区构造发育的强弱变化情况等等 105 覆盖区 要进行一定规模的地震勘探 并结合钻井资料进行层序标定和构造解释 106 二 查明地层层序和追索标志层 查明地层层序 进行地层对比及地层划分 查明岩层的新老顺序 进而确定背斜和向斜 填绘地质图 是研究褶皱形态 规模和分布特征的重要方法 填图内容 地层单位界线 构造线 标志层 标志层 是指层位稳定 分布广泛 岩性特殊及厚度不大的岩层 107 四望山地质图 108 109 三 观测褶皱的几何形态 1 确定褶皱轴面和枢纽的产状 露头好的小褶皱 可在野外直接量取 露头不好的大褶皱 在系统测量两翼同一岩层产状的基础上 运用赤平投影来确定 110 2 分析各褶皱层的几何关系 根据同一剖面上不同层位及不同高度的地层倾角的变化 结合同一岩层厚度在褶皱不同部位的变化来确定 这些资料是判断褶皱类型的重要依据 平行褶皱 相似褶皱 顶薄褶皱等 3 研究转折端形态 通过测量转折端处的岩层产状确定 111 4 观察褶皱出露形态及其平面图像 当地面较平坦 褶皱轴面近直立 枢纽倾伏较缓时 地质图上地层转折端点的连线接近于褶皱的轴迹 与枢纽倾伏方向大致一致 112 斜歪倾伏褶皱特别是斜卧褶皱 因褶皱出露效应和地形效应的关系 褶皱的出露形态就变的复杂化了 只有在横截面上才能真实反映褶皱的形态 113 114 5 绘制褶皱剖面图和横截图 褶皱是一个复杂的立体形态地质体 除平面研究法外 还可用剖面法进行研究 横剖面通常用褶皱的铅直剖面 必要时编制褶皱横截图 垂直枢纽的截面 枢纽起伏变化时 要分段作横截面研究 115 116 6 研究褶皱的纵剖面剖面 结合地质图 横剖面图和纵剖面进行综合研究 就能了解褶皱在三维空间的整体形态及在不同区段内形态的变化特征和变化规律 并可绘制立体图解来表示 117 二 研究褶皱形态的纵深变化 1 野外观察 从横切褶皱的峡谷深沟的陡崖