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第四章 褶皱 构造地质学讲义

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第四 褶皱 构造 地质学 讲义
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第四章 褶皱 一、教学要求: 1. 了解褶皱要素的含义。 2. 掌握褶皱轴面和枢纽产状测定的方法。 3. 褶皱几何形态描述和分类。 4. 褶皱的平面组合特征。 5. 褶皱的形成机制。 6. 了解褶皱研究的主要方法。 二、 重点内容: 1. 褶皱的几何要素。 2. 褶皱轴面和枢纽产状的赤平投影方法求取。 3. 褶皱几何形态的兰姆赛分类。 4. 褶皱产状的里卡德分类。 5. 褶皱的纵弯和横弯形成机制。 6. 褶皱形成时代的确定。 1 第四章 褶皱 岩石受力弯曲――褶皱。 由层理、劈理、流面等面状构造表达出来。 如无面状构造,尽管有褶皱变形,但无法辨认。 研究意义: 探。 第一节 褶皱和褶皱要素 向斜、背斜,向形、背形。片 4- 1 一、 褶皱要素: 1. 核部:褶皱中心部分地层。 拐点:横切面上,褶皱面上凸下凹的转折点 2. 翼部: ( 0) ,相当于数学上的“拐点”。 翼向角:横向面上过拐点切线的夹角。 3. 转折端:褶皱两翼的过渡部分。 4. 褶轴(轴线或轴):一条通过平动能描绘出褶皱面形态 的直线。片 4- 1 *圆柱状褶皱所特有。 2 * 5. 枢纽:同一褶皱面上各最大弯曲点的连线(可直、可曲)。 * 6. 轴面:各褶皱面上枢纽连成的面(可平、可曲)。 7. 轴迹:轴面与任何方向露头面的交线, 亦即露头面上褶皱岩层最大弯曲点的连线 *。 8. 脊、脊线、脊面和槽、槽线、槽面。 9. 脊迹和槽迹。 10. 褶皱轴面和枢纽产状的测定 轴面――倾向、倾角表示; 枢纽――倾(伏)向、倾(伏)角和在轴面上的侧伏角表示。 对于小型褶皱可在野外露头上直接测量。 对于大型褶皱,通过间接测量结合赤平投影方法求解。 1. 轴面产状的赤平投影方法的确定 a. 两翼岩层厚度相等的褶皱:两翼产状的平分面。 b. 两翼岩层厚度不相等的褶皱:两个互不平行露头面上轴迹构成的平面。片 4- 2 2. 枢纽产状的赤平投影方法确定 片 4- 2 片 4- 3 a. 两翼岩层面的交线; b. β 和 Π 圆图解方法。 3 三、褶皱的波长、波幅 * 横截面(正交剖面)的概念:垂直于枢纽的截面。 片 4- 3 以下涉及褶皱的剖面形态皆指在该截面上。 1. 波长:相间拐点之间的距离( W)。 2. 波幅:包络面之间垂直距离的一半( A)。 * 褶皱不对称时,还可以在垂直轴面方向上取波长 在平行轴面方向上取波幅 补充:闭合要素(闭合度和闭合面积) a. 闭合度 H=n*△ h n-闭合线条数 △ h-等高距 b. 闭合面积 4 第二节 褶皱的几何形态及褶皱的描述 一、圆柱褶皱和非圆柱褶皱 片 4- 1 * 非圆 柱褶皱可以分解为若干段,按圆柱状褶皱加以处理。 二、褶皱形态的描述 (一)横剖面上的褶皱形态的描述 1. 轴面和两翼岩层产状 片 4- 4 2. 对称性 对称:轴面与包络垂直,两翼长度和厚度基本相等。 不对称:轴面与包络面斜交,两翼长度和厚度不相等。 注意:二者区分不可仅依据个别露头面。片 4- 4 示 3. 翼间角 4. 褶皱面弯曲形态 5. 褶皱中各层弯曲形态的 协调褶皱 相互关系 不协调褶皱 片 4- 5 (二)平面出露形态 片 4- 5 1. 线状:轴比> 10: 1 2. 短轴:轴比 3: 1~ 10:1 3. 穹窿和构造盆地:< 3: 1 背斜 向斜 第三节 褶皱的类型及褶皱的组合型式 5 一、 褶皱的产状类型 里卡德分类:按轴面倾角、枢纽侧伏角、枢纽倾伏角。 分类举例:轴面 36°∠ 30° 枢纽侧伏角 40°( E) 片 4- 6 里卡德分类的优点: 1. 属于三维空间分类,避免二维空间分类的片面性,如: Ⅶ类斜卧褶皱,在剖面上有时误认为平卧褶皱。 2. 可作为褶皱统计的图解,表达褶皱的特征分布。 二、 褶皱横截面的几何类型 (一) 平行褶皱和相似褶皱 片 4- 7 1. 平行褶皱 a. 各岩层平行弯曲; b. 同一岩层各部位厚度基本一致,但平行轴面方向视厚度不同; c. 从外向内各层曲率 变大。 a. 各岩层弯曲形态相似,曲率基本不变; b. 两翼薄转折端厚,但平行轴面方向视厚度相近; * 这两类褶皱是自然界两个极端例子,有一系列过渡状态存在。 (二) 兰姆赛的褶皱几何分类 依据褶皱岩层等倾斜线型式分类。 等倾斜线:岩层上、下褶皱面倾角相等切点的连线。 作法步骤:片 4- 7 1. 作褶皱横截面图,并作水平线; 2. 从 0 起,每隔 10 分别作上、下褶皱面的切线; 3. 连接褶皱岩层上、下面倾角相同的切点。 兰姆赛分类:三类五型 片 4- 7 6 三、 积褶皱和底辟构造 (一)同沉积褶皱 在 沉积过程中形成的褶皱。 片 4- 8 特点: 1. 形态开阔,两翼岩层上缓下陡; 2. 岩层顶薄,两翼厚; 3. 顶粗,两翼细。 (二)底辟构造和盐丘 由地下低密度高塑性岩层(如岩盐、石膏、泥岩、岩浆等)在差异重力或差异压力下向上运动所产生的构造。片 4- 8 由三部分组成: 1. 底辟核:高塑性岩石组成。 2. 核上构造:核上拱引起的变形构造(复杂)。片 4- 8 3. 核下构造:核下部与底辟作用相关的构造(简单)。 * 盐丘――盐底辟构造 四、 褶皱的组合型式及其分布 (一) 穹窿和构造盆地 可能成因: 7 1. 同沉积褶皱和底辟构造有关;片 4- 8 2. 基底原始起伏; 3. 基底构造活动 。 (二)雁行褶皱 片 4- 9 成因:受水平力偶作用引起。 (三)隔档式和隔槽式褶皱 片 4- 9 侏罗山式褶皱 片 4- 10 成因:顺塑性层挤压滑脱变形的结果。 注:图 4- 24 有误。 (四)复背斜和复向斜 片 4- 10 造山带中常见的褶皱类型。 识别标志:次级褶皱的核部地层,中新两侧老――向斜,反之,背斜。 第三节 褶皱的形成机制 一、 褶皱形成机制的基本类型 按褶皱变形的应力应变特征划分: 1. 纵弯(弯滑、弯流) (一) 纵弯褶皱作用 8 顺层挤压、单层变形外拉、内压,中间存在中和面。 片 4- 10 1. 弯滑作用 一系列岩层通过层间滑动而成为褶皱。片 4- 11 特点:①整合褶皱无统一的中和面,而各单层有各自的中和面,且厚度保持不变,成等厚褶皱。片 4- 11 ②外侧岩层相对于内侧岩层向转折端滑动,在翼部可形成同心状节理和旋转节理,转折端形成虚脱空间。在层面上留下近于垂直枢纽的擦痕。片 4- 11 ③可在层间韧性层中形成不对称拖曳小褶皱,其轴面与层面之间的锐夹角方向指向相邻层的滑动方向。片 4- 11 片 4- 12 主要发生在硬岩层之间的塑性岩层中,塑性层发生向转折端的流动。 特点: ⑴ 转折端加厚,两翼减薄,形成相似褶皱或顶厚褶皱。 ⑵在软硬岩层互层时,硬岩层成等厚褶皱,软岩层成顶厚褶皱。 9 ⑶厚层的软岩类层常形成从属褶皱,显示物质向转折端的流动。片 4- 12 ⑷软岩层的塑性流动可以产生线理、辟理等小型构造。 (二) 横弯褶皱作用 片 4- 13 在垂直层面方向应力作用下形成。 特点:⑴岩层总体处于拉伸应变状态,无中和面。 ⑵常形成顶薄褶皱。 ⑶在翼部可发生弯流作用,形成轴面向外倾倒的小褶皱。 (三)剪切褶皱作用 片 4- 13 由一系列平行轴面的密集剪切面的差异滑动而成。 参照: 4- 44 的实 例 特点: 1. 形成相似褶皱; 2. 岩层面并非真正弯曲; 3. 多发育于变质岩区。 (四)柔流褶皱作用 高韧性岩石或高温高压条件下岩石发生流动变形所形 10 成的复杂褶皱。 如:盐底辟核部的柔流褶皱;片 4- 13 变质岩中长英质脉体的肠状褶皱;片 4- 13 煤层中的柔流现象。片 4- 13 除高韧性岩石的柔流褶皱外,主要发生在深变质岩区。 另:膝折――通常发生在脆岩层中的,转折端成尖棱状的褶皱。 二、褶皱形成中的压扁作用 高韧性岩层在纵弯褶皱过程中,通常在垂直 σ 1 方向上发生压扁作用。片 4- 14 主要 结果: 1. 应变椭球的长轴逐渐趋向与轴面平行;片 4- 14 2. 翼部趋薄,转折端趋厚,向相似褶皱和顶厚褶皱转化; 3. 翼部的能干岩层拉伸成香肠、透镜状,不能干岩层形成轴面劈理,两者互层岩层出现“无根钩状褶皱”。片 4- 14 4. 夹在厚层不能干岩层之间的薄能干岩层可以形成层间褶皱。片 4- 14 * 可以解释出现在转折端的层间褶皱。 三、影响褶皱形成的主要因素 11 (一) 层理的作用 沿层间容易发生滑动,有利于褶皱的形成。 举例:书和粘结一起书的褶皱难易程度。 (二) 岩层厚度的影响 岩层厚度越薄,形成褶皱的波长越小,曲率越大,褶皱越紧闭。 (三)岩 层力学性质的影响 强弱岩层组合地层的褶皱,强岩层通常呈等厚、较平缓开阔,转折端常见扇状楔形张节理;弱岩层常为顶厚、较紧闭,转折端见反扇形劈理。片 4- 15 强岩层对整套地层的褶皱起控制作用。片 4- 15 * 主波长理论简介: 1957,1965), 1963)提出:纵弯褶皱的初始主波长受地层中的主导层(强岩层)的厚度和相对粘度的控制。 321d 6W  始主波长 T-主导层厚度 12 1 -主导层粘度 2 -介质层粘度 多层情况: 321d 62  n-主导层层数 片 4- 16 (四)岩层埋藏深度及应变速率对褶皱形成的影响 较大的埋藏意味着较高的温度和压力。根据岩石变形特性研究,较高的温度、压力和较低的应变速率,使岩石韧性增大,故有利于褶皱的形成。反之,岩石趋向于形成断裂。 (五)基底构造对盖层褶皱的影响 盖层褶皱受基底构造变形的影响是不争的事实。例片 4-16 书中张文佑的观点仅是代表一种可能性。具体情况有时研究起来难度较 大,争论也比较多。 第五节 褶皱构造的观察和研究 一、褶皱形态的研究 (一) 了解区域的总体构造轮廓 通过小比例尺地质图、航、卫片,以及野外踏勘了解研究区总体构造特征,(从大→小)。 (二)查明地层层序和追索标志层 13 进行地质制(填)图。 (三)观测褶皱的几何形态 1. 确定轴面和枢纽产状(包括直接测量和赤平投影间接测量); 2. 确定褶皱类型(如:等厚、相似?); 3. 观察分析褶皱的出露形态和平面形态(不同切面有不同的形态特征);片 4- 16 4. 绘制剖面图和横截面图。 举例说明:只有横截面图才能真实反映褶皱形态。片 4- 17 二、研究 褶皱形态的纵深变化 1. 野外直接观察:在大峡谷的陡崖上可以做到这一点。 2. 从褶皱地表形态特征向下推测: 例如:顶厚(两翼向下变厚)、平行(向下变得紧闭,变小,逐渐消失)、相似(向下形态比较一致) 3. 利用物探和钻探资料分析: 石油上依靠地震剖面资料。片 4- 17 三、研究褶皱内部小构造 小构造包括: 小褶皱 、节理、断层、劈理、线理等。 14 本处重点 两类小褶皱: 1. 从属褶皱:与主褶皱有成因联系,并存在一定的几何关 系。例如:片 4- 11 判别主褶皱转折端位置。 从属褶皱枢纽通常平行于主褶皱枢纽,既可以发 育于强岩层之间的薄层弱岩层中,也可以发育于原弱岩层中的薄强岩层中。 2. 独立小褶皱:与主褶皱既无成因联系,也无一定的几何 关系。 四、确定褶皱的形成时代 (一)角度不整合法 褶皱形成时代与不整合所代表的时代相一致:即不整合面下伏褶皱中最新地层沉积之后,上覆最老地层沉积之前。 例:江西上饶大坟山 片 4- 17 (二)岩性厚度法 以片 4- 8 的同沉积背斜中地层厚度岩相变化说明褶 15 皱的活动时期: ①底部灰岩沉积后开始褶皱; ② 1~3 层为同褶皱沉积; ③ 4~8 层沉积期间无褶皱; ④ 8 层沉积以后又发 生褶皱。
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