当代构造地质学进展与前沿(研究生课程)(罗金海)

1、当代构造地质学进展与前沿2004年10月罗金海E-mail: 本多媒体主要为内部教学使用，其中使用了他人尚未出版的资料，不可出版和翻印。如果出现任何违反知识产权事件，责任由非法使用者承担。作者声明作者声明一、构造地质学的发展趋势二、 断层相关褶皱理论三、生长地层与构造变形速率四、伸展断层相关褶皱五、前陆基底卷入型构造六、平衡地质剖面技术 以上是中中-小尺度小尺度构造地质学的主要进展主要内容一、当代构造地质学的主要发展趋势1. 从定性向定量 有限应变测量、古地磁测量、古应力测量、生长地层测定、遥感遥测、卫星定位、重磁测量、地震测量、层析成像技术和超深钻技术，等2. 研究范围从岩石圈上部向岩石圈下

2、部、地幔，甚至地核扩展一、当代构造地质学的主要发展趋势3. 从宏观到微观 从微观尺度考察地质构造的运动学4. 新构造运动与全球环境变化 地质灾害（地震、地裂缝、地面沉降、滑坡）与工程地质等；青藏高原的隆升与全球环境、气候变化，等5. 盆地与造山带耦合动力学研究断层相关褶皱理论是揭示褶皱与断层之间相互关系的理论，主要包括断层转折褶皱作用（fault-bend folding)、断层传播褶皱作用（fault-propagation folding）和滑脱褶皱作用（detachment folding）三种端元模型。二、断层相关褶皱理论断层相关褶皱理论的三种端元模型二、断层相关褶皱理论断层滑脱褶皱断

3、层转折褶皱断层传播褶皱冲断层潜在传播途径冲断层潜在传播途径刚性层塑性层褶皱生长冲断层位移发生位移并生长断层端点固定1. 断层转折褶皱作用上盘断块沿非平板状断面滑动时发生弯曲而形成褶皱的过程。由于岩石的强度不允许上盘断块与断面之间存在较大的空洞，上盘在滑动时必与断面紧密接触，从而使上盘断块在断层转折处（断坡）上方发生扭曲变形而形成褶皱。由这种方式形成的褶皱往往呈具平顶的宽缓褶皱。二、断层相关褶皱理论一个简单断坡上断层转折褶皱的运动学演化活动轴面：相对于下盘固定，上盘物质通过其向前陆方向运动不活动轴面（固定轴面）：相对于上盘固定，同上盘物质一起向前陆方向运动一个简单断坡上断层转折褶皱的运动学演化褶

4、皱随着膝折带变宽而生长。龙门山前茂县正河地区石炭系灰岩中的断层转折褶皱二、断层相关褶皱理论 1.断层转折褶皱作用由地震剖面揭示的断层转折褶皱二、断层相关褶皱理论 1.断层转折褶皱作用多转折断层转折褶皱模型（据Medwedeff等，1997）二、断层相关褶皱理论 1. 断层转折褶皱作用多转折断层转折褶皱：在断面发生多次转折的情况下，断面的每一次转折都会在上盘岩层中形成相应的褶皱构造，由不同断面转折端形成的褶皱构造必然会发生相互干扰，由此将导致褶皱形态复杂化。二、断层相关褶皱理论 1. 断层转折褶皱作用在多转折断层转折褶皱作用（multi-bend folding）理论中，褶皱轴面数（m）与断面转

5、折点数（n）之间具有如下关系（Medwedeff等，1997）：可见轴面数是断面转折次数的四次方函数，说明褶皱构造的总体形态将极大地受到断面转折次数的影响。二、断层相关褶皱理论 1. 断层转折褶皱作用nnnnm214123432342. 断层传播褶皱作用正在向上扩展的冲断层前端上方地层由于吸收了下伏冲断层的位移量而形成褶皱的过程。二、断层相关褶皱理论稳定层厚断层传播褶皱作用（据Suppe，1983）二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用简化的厚度不变模型（据Suppe，1983）二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用 断层传播褶皱的形成过程厚度不变模型二、断层相关褶皱理论 2.断层传播

6、褶皱作用在厚度不变的情况下断层传播褶皱的形成过程相同位移量不同断层转折角断层传播褶皱的形态对比可见断面转折角度明显地影响着断层传播褶皱的形态二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用断层传播褶皱二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层对断层传播褶皱的改造在断层传播褶皱形成之后，如果断层的位移量继续增加，则断层可能成为突破断层（breakthrough fault），对先期形成的断层传播褶皱进行改造。二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用经典的断层传播褶皱模型二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层沿背斜轴面突破二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层突破断层沿

7、前翼高角度突破二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层突破断层沿向斜轴面突破二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层 美国Elk盆地中Greybull砂岩油藏剖面 具有突破构造的特点二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层 美国Elk盆地中的突破构造剖面二、断层相关褶皱理论 2.断层传播褶皱作用突破断层3. 滑脱褶皱作用强硬岩层由于下伏塑性层中的断层滑动而形成褶皱的过程。二、断层相关褶皱理论瑞士侏罗山经典的滑脱褶皱二、断层相关褶皱理论 3. 滑脱褶皱作用塔里木盆地地震剖面揭示的滑脱褶皱二、断层相关褶皱理论 3. 滑脱褶皱作用生长提离褶皱二、断层相关褶皱理论 3.

8、滑脱褶皱作用秘鲁东部乌卡亚利盆地Cashiriari背斜和圣马丁背斜地震剖面（据Shaw等，1999）断层传播褶皱和断层转折褶皱秘鲁东部乌卡亚利盆地Istmo背斜地震剖面（据Shaw等，1999） 断层转折褶皱与反冲断层4. 断层相关褶皱的组合型式二、断层相关褶皱理论（1）断层转折褶皱与构造楔断层转折褶皱与反冲的断层转折褶皱联合形成构造楔构造楔的发育过程二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (1)构造楔由断层转折褶皱和反冲断层构成构造楔二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (1)构造楔构造楔的叠置样式二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (1)构造楔叠瓦状构

9、造楔的实际剖面二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (2)干涉构造干涉构造模型（2）干涉构造：不同方向的构造相互干扰现象。二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (2)干涉构造实验模拟得到的干涉构造二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (2)干涉构造实际的干涉构造二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (2)双重构造逆冲双重构造的演化（动画）多个断层转折褶皱的复合构成了双重逆冲构造二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (2)双重构造多转折的叠瓦状逆冲构造的演化（动画）多个断层转折褶皱的复合构成了双重逆冲构造二、断层相关褶皱理论 4.断层相

10、关褶皱的组合型式 (2)双重构造一个堆垛式逆冲构造的演化（动画）多个断层转折褶皱的复合构成了双重逆冲构造二、断层相关褶皱理论 4.断层相关褶皱的组合型式 (2)双重构造一个对冲式逆冲构造剖面的演化（动画）多个断层转折褶皱的复合构成了双重逆冲构造生长地层是在冲断层活动的同时沉积的地层，又称同沉积地层。由于褶皱的生长主要是通过膝折带（翼宽）迁移的方式生长的，褶皱的翼长将随着褶皱的生长而增加，同时翼倾角保持不变。如果在褶皱生长期间有沉积作用发生，则在生长地层范围内，褶皱的翼长将向上减小（因为下部地层的增加幅度比上部地层的增加幅度大），因而形成一个三角形的生长地层区域，称为生长三角（growth tr

11、iangle）。生长三角是在地震剖面上鉴别生长地层的重要标志。三、生长地层与构造变形速率 1.生长地层与生长三角一个简单断坡上断层转折褶皱的运动学演化褶皱随着膝折带变宽而生长。 地震剖面揭示的生长三角三、生长地层与构造变形速率1. 生长地层与生长三角断层转折褶皱及相关的生长地层与前生长地层、生长三角箭头指示质点位移方向三、生长地层与构造变形速率1. 生长地层与生长三角 断层转折褶皱及相关的生长地层与前生长地层、生长三角的演化模型 断层传播褶皱及相关的生长地层与前生长地层、生长三角的演化模型在滑脱褶皱的运动学模型中，由于下伏滑脱断层位移量的增加而引起的不对称膝折型滑脱褶皱的渐近演化过程（据Pob

12、let等，1996）请注意：虽然运动学过程不一样，但终构造的形态则是完全一样的。不同的运动学过程可以形成几何形态完全相同的终构造，但生长地层的特征则是不相同的。三、生长地层与构造变形速率 1.生长地层与生长三角不同断层相关褶皱形成的生长地层三、生长地层与构造变形速率1. 生长地层与生长三角2. 构造生长速率利用生长地层可以确定构造的生长速率。三、生长地层与构造变形速率 2.构造生长速率生长轴面固定轴面活动轴面L断层滑动前生长地层生长地层YXTb冲断断坡之上向上变窄的膝折带或生长三角模型（据Suppe等，1992和Shaw等，1996）生长三角内部地层单元的形成时代和翼宽可以用来测算翼部的扩展速

13、率和褶皱生长速率(Suppe等，1992)。在滑脱面之间有简单断坡的情况下，断层滑动速率在倾向方向的分量等于翼宽变化量与形成该翼宽变化量的时间之比。在同一生长三角中至少两套地层（如X层和Y层）的形成时代已知的情况下，褶皱翼部加宽的速率（L/T，或平均断层滑动速率）是可以测定的，平均断层滑动速率为由于两侧地层厚度不同，生长轴面不平分褶皱翼间角。三、生长地层与构造变形速率 2.构造生长速率yxyxTTLLTL在生长三角内部，在时间t内，翼长L除以生长地层厚度Tb即可得到一个无量纲的生长速率G： 。对每一生长地层段 Tb 有 。若能确定生长地层中标志层的时间范围t，则褶皱的绝对生长速率（Ga）为：

14、（式中 为沉积速率）。这说明，在生长地层沉积期间，褶皱的绝对生长速率Ga是褶皱生长速率的几何表述。三、生长地层与构造变形速率 2.构造生长速率生长轴面固定轴面活动轴面L断层滑动前生长地层生长地层YXTb冲断断坡之上向上变窄的膝折带或生长三角模型（据Suppe等，1992和Shaw等，1996）bTLG bTLGtTGtLGbatTb生长地层应用举例 美国加利福尼亚圣巴巴拉海峡一个构造的翼长为2.5km，生长地层厚2.1km，无量纲生长速率（G）为1.2，生长地层的时间范围为24Ma，则绝对褶皱生长速率（Ga）约为0.61.3mm/a（Suppe等，1992）。 对阿根廷中部贝尔梅霍前陆盆地中与

15、冲断相关的生长地层的研究表明，冲断带东部的前科迪勒拉构造开始于2.7Ma之前，尼奎威尔背斜的抬升速率约为0.3mm/a，拉斯萨里拉斯背斜的抬升速率约在0.6mm/a与0.38mm/a之间（Zapata等，1996）。三、生长地层与构造变形速率 2.构造生长速率关于伸展背景下的正断层与逆牵引构造在伸展背景下通常会发育正断层，长期活动的正断层的上盘往往会发育逆牵引构造，这种逆牵引构造实际上也是一种断层相关褶皱作用，被称为伸展断层相关褶皱作用。可以利用断层相关褶皱的一般理论来分析伸展断层相关褶皱作用。四、伸展断层相关褶皱正断层相关褶皱作用的一般特点（1）张性环境中主张应力轴近于水平，主压应力轴近于垂

16、直；（2）张性环境中岩石强度较弱，易于沿库仑剪面发生破裂变形；（3）分割不同倾斜域的轴面由库仑剪切破裂准则限定；（4）库仑剪裂面的倾角取决于岩石特征，多数岩石介于60和70 之间；（5）正断层相关褶皱作用期间地层的层厚和层长可以不守衡，但面积守衡；（6）正断层相关褶皱的轴面不平分翼间角。四、伸展断层相关褶皱四、伸展断层相关褶皱同沉积正断层上盘的伸展断层相关褶皱以往把这种褶皱笼统地称之为逆牵引构造（或滚动褶皱，rollover fold)四、伸展断层相关褶皱伸展断层相关褶皱作用的一般模型所谓的犁式断面实际上是由断面的多次转折形成的，断面转折的结果在上盘中形成活动的剪切轴面和不活动的轴面，这两种类

17、型的轴面决定着上盘褶皱的形态与演化。四、伸展断层相关褶皱滚动背斜的术语活动剪切面(活动轴面)、前生长不活动轴面、生长轴面、生长地层和前生长地层 断层滑动速率沉积速率在不同沉积速率与断层滑动速率情况下伸展褶皱的形态特征请注意：生长地层厚度变化和褶皱形态变化a、c、e和g中褶皱形态类似， b、d、f和h中褶皱形态类似。可见断层滑动速率对伸展褶皱的构造样式影响显著。四、伸展断层相关褶皱两次转折的伸展断层转折褶皱模型两个滚动翼（膝折带，rollover)在水平方向宽度相等，并且等于水平伸展量。滚动翼的宽度也等于任一前生长地层（如X层）的水平错断量沉积沉降比率(EPTD)：靠近断层测得的上盘厚度除以断层

18、滑动量的垂直分量，即：沉积厚度/沉降量=上盘厚度/断层滑动量的垂直分量。四、伸展断层相关褶皱Expansion ratio(扩充率 PRINCETON):区域上盘厚度除以下盘厚度，即：Expansion ratio =上盘厚度/下盘厚度Expansion rate（SED）：靠近断层测得 的上盘厚度除以下盘厚度，Expansion rate =上盘厚度/下盘厚度上凸、上凹断层形成的不同生长地层四、伸展断层相关褶皱四、伸展断层相关褶皱伸展断层相关褶皱实例四、伸展断层相关褶皱下凹和上凸型断面转折处伸展断层相关褶皱的轴面分析四、伸展断层相关褶皱下凹和上凸型多转折断面转折处伸展断层相关褶皱的轴面分析多

19、转折伸展断层相关褶皱作用实例上一页地震剖面的运动学演化模型断层的几何形态、剪切（轴面）方位、地层厚度是从上一页下图（7B）中获得的，并被用于反演运动学过程。初始阶段反映区域上早于断裂作用的掀斜，后续阶段反映了槽地内构造和地层几何学的演化过程。最后阶段（阶段5）显示褶皱的同构造沉积样式（生长三角和一个角度不整合），这种构造样式与上一页地震剖面上观察到的构造样式类似。四、伸展断层相关褶皱箕状盆地（半地堑盆地）中滚动背斜的轴面趋近实际的箕状盆地及上盘的滚动背斜（轴面分析见下页）对上一页箕状盆地中滚动背斜的轴面分析四、伸展断层相关褶皱四、伸展断层相关褶皱多转折伸展断层相关褶皱作用的演化模型（一）四、伸

20、展断层相关褶皱多转折伸展断层相关褶皱作用的演化模型（二）四、伸展断层相关褶皱多转折伸展断层相关褶皱作用的演化模型（三）四、伸展断层相关褶皱多转折伸展断层相关褶皱作用的演化模型（四）四、伸展断层相关褶皱多转折伸展断层相关褶皱作用的演化模型（五）渤海裂谷盆地实例四、伸展断层相关褶皱四、伸展断层相关褶皱渤海裂谷盆地实例四、伸展断层相关褶皱South Rift盆地地震测线和解释剖面示犁式正断层作用，犁式断层实际上是断面的多次转折五、前陆基底卷入型构造前陆基底卷入型构造前陆基底卷入型构造（foreland basement-involved structure)是山前冲断构造带中常见的一种构造类型，常以

21、狭长的不规则链状隆起带的形式出现在前陆盆地中，它是在盖层或盖层-基底分界面附近（包括少量基底岩石）由基底主断层的位移向上传递而形成的构造。由于同时涉及到基底和盖层两套岩石力学性质差异较大的地层，基底主断层的位移量在向上传递过程中，盖层和盖层-基底分界面附近对主断层位移量的响应比较复杂。五、前陆基底卷入型构造在前陆基底卷入型构造中，把主断层位移量转移到变形带的可能机制在前陆基底卷入型构造中，基底主断层位移量向上传递的可能机制主要有3种：（a）三角变形带发育于基底断层末端上方的沉积盖层中；（b）以基底中大量次级断层为特征的变形带；（c）三角变形带发育于特定深度的基底中。未变形的基底轴面三角形的变形带abc盖层未变形基底变形有基底楔未变形基底盖层盖层通过次级断层作用变形的基底未变形基底五、前陆基底卷入型构造关于前陆基底卷入型构造成因的主要模型在前陆基底卷入型构造中，主变形带往往呈一个向上变宽的三角形区域，由于该带内地层倾角通常较大，对地震波的反射不明显。因此，前陆基底卷入型构造在地震剖面上通常具有多解性。abcd盖层基底盖层基底盖层基底基底盖层平衡地质剖面技术简介前提：在垂