浅析褶皱形成机制及识别方法

摘要：褶皱是岩层受不同方向的外力作用使岩层发生弯曲，根据受力方向不同可将褶皱的形成机制分为纵弯褶皱、横弯褶皱、剪切褶皱，揉流褶皱作用。结合川东北地区实例分析，以及剪切薄膜动态分析，比较深层次阐述了褶皱形成过程中的纵弯褶皱作用和剪切褶皱作用。结果表明，1. 川东北地区早、晚两期褶皱和共轭“X”节理均反映出早期应力场为北西-南东向水平挤压, 晚期应力场为北东-南西向挤压。在野外认识褶皱是基于对该地区褶皱出露测定其产状分析，在无法达到褶皱地区条件下，工作人员可以根据当地的地形地质图观察，确定地层新老关系，若有地层重复现象，那么可判断该地区可能有褶皱，再结合相对应的产状确定褶皱类型。

0前言

褶皱的形成机制主要有基本的四大类型，分别为纵弯褶皱、横弯褶皱、剪切褶皱、柔流褶皱作用。受顺层挤压应力作用导致岩层弯曲而形成褶皱的作用称纵弯褶皱作用。使岩层沿轴线方向缩短。而在褶皱形成过程中，其内地层之间会发生相对滑动，岩层之间会因层间滑动作用产生同心节理、层间破碎带等现象。由于两翼的相对滑动，往往在转折端形成空隙，造成虚脱现象，此时如果有成矿物质填充这会形成鞍状矿体。另一种是岩层变形不仅发生层间滑动，而且层内物质自受压的翼部流向转折端，可产生线理、劈理、片理等小构造。地壳水平运动是造成纵弯褶皱作用的主要条件，地壳中多数褶皱与这种褶皱作用有关

当岩层受到和层面垂直的外力作用时，岩层发生弯曲成褶皱的作用叫横弯褶皱作用，受该褶皱作用力的岩层整体处于拉伸状态，各层都没有中和面。往往形成顶薄褶皱。如果岩层呈低韧性状态，褶皱顶部的岩层则由于顺层拉伸而断裂，于背斜顶部形成地堑。如果是穹形隆起，则可形成放射状或环状正断层。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都是横弯褶皱作用的一部分。

在褶皱形成机制中剪切褶皱作用也是形成褶皱的重要组成部分，它是由于切层或顺层剪切而导致褶皱形成的，剪切褶皱作用形成褶皱为较典型的相似褶皱，在横剖面上平行轴面方向所量得的褶皱不同部位的层厚一般是一样的；剪切作用使岩层面沿密集的平行劈理或片理面发生差异滑动而出现出弯曲的外貌。在变质岩中劈理和片理特别发育，因此剪切褶皱作用多发生在变质岩区，它往往使层理或前期的劈理、片理错动成锯齿形或其他形态的褶皱。 而前人很少研究褶皱形成机制中的柔流褶皱作用，它是高塑性岩层（高塑性体）受力的作用时，呈类似粘稠的流体而发生变形形成形态复杂、褶皱要素产状变化大、不协调性普遍的流动褶皱。底辟作用形成的底辟核内的褶皱、高级变质岩石，尤其是麻粒岩相变质岩石中的褶皱都具有强烈塑性流动的特征。这种褶皱机制强调高塑性物质的流动对褶皱形成和褶皱样式的影响。了解了各种形成褶皱机制的特点，那么在野外认识时我们就可以紧抓各个特点辨别形成褶皱机制类型。在本文中以川东地区褶皱分析。

1纵弯褶皱作用下的应力分析方法

褶皱形成的构造主要有背斜和向斜。 根据（黄继钧，2000年4月) 对川东北褶皱描述:川东弧形褶皱带主体方向自南而北为北北东-北东-北东东向, 弧形向北西方向凸出。从盆地边

缘向内亦可分为三带,(1)东带, 位于巴东-恩施-彭水一线;(2)中带, 位于开江-长寿一线以东至巴东-恩施-彭水一线以西;(3)西带, 位于开江-长寿一线以西, 主要包括铜罗峡背斜、七里峡背斜、华蓥山背斜及其北延的铁山背斜、黄金口背斜。各带自东向西, 由盆地外缘向内部递进推移扩展。叠加褶皱地区早、晚两期应力场虽已消失, 但其产物-构造形迹及其组合尚保留在原地, 可借以恢复其形成时的应力场特征。

1.1 根据叠加褶皱地区共轭“ X ”节理产状求主应力方向 详细观察节理形态特征、 裂面擦痕、 力学性质、 相互切割关系、 发育程度、 充填物特征、 两盘次级派生构造 ,并 准确测量其产状 , 进行分期配套 , 并作复平处 理 (黄继 钧 ,1992, 1993) ,求出 共轭“ X” 节理原始优选产状 k1∠ Q1 ,k2∠ Q2。 利用相应公式和赤平投影(据刘肇昌 , 1984内 部资料 )求出其形成时主应力方向（此处不再详细计算）

1.2利用褶皱两翼优选产状分别求形成时应力方向

在叠加褶皱地区早、晚两期褶皱的形态和两翼产状通常发生了极大改变, 但同一期褶皱作用或多期褶皱作用的叠加都不是均匀的。模拟实验和野外观察都发现强烈的褶皱或叠加作用总是集中在某一带或几带, 相邻区段发育较差。因此, 详细的地质构造填图, 比较不同区段各期褶皱的形态、方位和发育程度可以在那些后期褶皱不强烈或对早期褶皱改造较弱的地段判断先期褶皱和后期褶皱的形态和方位, 可查明早期和晚期褶皱强度, 然后推断强烈改造区段的先期褶皱的样式。为此, 可以褶皱叠加地区沿早、晚期褶皱轴延伸方向向外围追索, 以求查明早、晚两期褶皱强度、两翼地层产状和轴向等。根据早、晚两期褶皱两翼优选产状k1∠Q1,k2∠Q2, 利用下列公式(据刘肇昌,1984, 内部资料) 和赤平投影方法可分别求出早、晚两期褶皱形成时主应力的方向。

设中间主应力 e2 的倾伏方向为 h2、 倾伏角 为 D2 ,其值由下式求得: H 2=arctg tgQ 1cos k 1-tgQ 2cos k 2

tgQ 2sin k 2-tgQ 1sin k 1 sin Q 1sin Q 2sin(k 2-k 1) D 2=arcsin sin arccos sin Q 1sin Q 2cos(k 2-k 1) +cos Q 1cos Q 2 最大主应力 e1的倾伏角 D1、 倾伏向 h1 ,其值可由 下式求得:

sinQ1sink1 - sinQ2sink H 1=180︒+arctg sinQ1cosk1 - sinQ2cosk2

D1 = 90︒- cosQ1 - cosQ2 sinQ1 sinQ2cos(k⎫2-k1) +cosQ1cosQ2⎧180︒ - arccos 2COS ⎨⎬2⎩⎭ 最小主应力 e3的倾伏向为 h3、 倾伏角 为 D3 ,其值可由 下式求得:

sinQ1 sink1 + sinQ2 sink2H3 = arctg sinQ1cosK1+sinQ2cosK2 D3=arcsin 180︒

-arccos cosQ1+cosQ2sin Q 1sin Q 2cos(k 2-k 1) +cos Q 1cos Q 22

由此计算式可以得出褶皱两翼的产状。

图 1 川东北地 区构造纲要图

1. 白垩系 ; 2. 上侏罗统 ; 3. 上沙溪庙组 ; 4.下沙溪庙组 ; 5. 新田沟组 ; 6. 下侏罗统 ; 7. 须家河组 ; 8. 雷口 坡组 ;9.嘉陵江组 ; 10. 飞仙关组 ; 11. 二叠系 ; 12. 志 留系 ; 13.奥陶系 ; 14. 寒武系 ; 15. 北西向背斜轴 ; 16. 北西向向斜轴 ; 17. 北东向背斜轴 ; 18. 北东向向斜轴 ; 19. 褶曲编号 ; 20.断层 ; 21.隆起 ; 22.地质界线 ; ② 黄金口 背斜群 ; ③ 五宝场背斜 ; ⑤ 七里峡背斜 ; ⑨ 铁山背斜 ; 11双石庙背斜 ; 12秋家碥背斜 ; 13月 儿梁背斜 ; 15三角山背斜 ; 22五龙山- 新庙场背斜

此外 ,还可采用 位错密度、 岩石亚颗粒直径、 重结晶颗粒直径以及矿物 (如方解石、 白 云母 )双晶化率求得 e1、 e3 及差应力。 但这涉及到如何筛分不同期次叠加问 题 ,因此比较

复杂

2剪切褶皱薄膜振动动态特性

通过理论分析可知， 褶皱波峰处将出现较大的拉应力， 并且褶皱的波峰位置在一个褶皱范围内具有最大的面外变形． 由此结合式 可知在褶皱的波峰位置将形成较大的局部刚度， 这样就导致在褶皱薄膜的振动过程中褶皱波峰多处于节线的位置， 不发生振动． 并且在高阶模态下， 随着褶皱波峰开始参与振动， 相应的其振动频率也在增加． 由此可见， 由于褶皱所形成的面外变形及褶皱区域应力分布的特点， 共同决定

表1. 不同振动形式分布

3.1褶皱在野外的识别方法

研究褶皱的基本要点，不外乎褶皱的形态、产状、类型、形成的方式以及分布 的特点。①褶皱的形态只有背斜和向斜两种，首先，背斜是由于岩层向上弯曲，其核心部位的岩层时代较老，外侧岩层较新。反之，岩层向下弯曲，核心部位（即：取一水平线，从岩层弯曲的中心向两边，岩层中心新两边老），外侧岩层较老。所以在野外观察时，我们应首先通过对包括观察地区在内的小比例尺地质图及航空照片、卫星照片分析，了解该地区地层时代、层序及整体构造特征。再查明地层层序（注意利用岩石各种原生构造或伴生小构造来查明岩层的产状是正常还是倒转。）测定各个岩层的产状，然后根据地层对称重复分布关系，确定背斜和向斜的所在。在野外地质旅行，穿越长 剖面时才能辨认的，它们大多是“非单个”褶皱，而是由一系列褶皱复合组成。通 过剖面示意图最能说明此种类型——基本上有两类。 一是复背斜和复向斜，也就是在它们的两翼被一系列次一级褶皱所复杂化，或 者说，大的褶皱轮廓是背斜，但在翼部尚包含若干小的背斜和向斜。反过来，大的 褶皱轮廓是向斜，而在其翼部则尚有次级的背斜和向斜。此类复式的背 斜和向斜，常见于“地槽区”，如我国的秦岭、天山、内蒙中部、喜马拉雅山等地 均有所见。 二是隔挡式褶皱和隔槽式褶皱：一个平行褶皱群内，如果背斜呈紧密褶皱，而 向斜呈开阔平缓的褶皱，称为隔挡式褶皱，如四川东部的褶皱群。而隔槽式褶皱， 则是一系列相间排列的开阔背斜褶皱被一系列紧密向斜所隔开。 在褶皱形态的观察基础上，进一步就是研究形成褶皱的机理，可作详细的解剖——如纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、柔流褶皱作用、压 肩作用等，此处不作进一步论述。 ②怎样研究褶皱？在地质旅行或踏勘剖面时，基本上可从以下几方面入手。 对褶皱形态的研

究：其中包括查明褶皱的位置、产状、规模、形态和分布特点， 探讨褶皱形成的方式和形成的时代，了解褶皱与矿产的关系等等。 在这里，需要观察的要点有：查明地层的层序并追索标志层。根据地层内所含 的化石特征以及岩石性质等标志，确定组成褶皱构造的层序关系。进而查明其层序 是正常还是倒转。再观察这些地层的对称排列及其重复关系，确定背斜或向斜的所 在位置。在观察地层层序及其排列关系时，必须抓住某个岩性特征显目、厚度不大、 展布稳定的岩层作为了解褶皱的标志层。褶皱的产状也可根据标志层予以确定。这 些产状，主要是测定褶皱枢纽和轴面的产状，此两者是正确判断褶皱产状和真实形 态的前提。 其次是观察褶皱出露的形态，也就是从褶皱在地面出露的形态作纵横方面的观 察，经过多方分析，恢复其真实面貌。 再次，对褶皱内部的小构造研究也应注意。所谓小构造，指小褶皱、小断裂面、 线理等等。它们分布于主褶皱的不同部位，各自从一个侧面反映出主褶皱的某些特征，这些内部构造，由于规模较小，易于观察，易于识别。

3.2褶皱在地形地质图上的识别方法

首先从地质图的图例或地层柱状图上了解图区的地层出露时代，层序和接触关系；然后浏览地质图，概略地认识图区新老地层的分布和延展情况，分析地层分布是否有对称重复现象，并结合地层新老关系和地层产状，分辨出背斜和向斜，确定褶皱的两翼、轴面和枢纽产状，进而分析褶皱的形态和组合特征。

确定两翼的产状

褶皱两翼产状及其变化，主要从地质图上标绘的地层产状符号直接去认识和分析。在一定情况下，也可以根据同一岩层在褶皱两翼露头宽度的差异，定性地对比两翼的倾角大小，这种分析是以岩层厚度基本稳定，地形起伏不大或褶皱两翼地形坡度相似为前提，而岩层露头宽度至于岩层倾角大小有关系，露头宽度窄的一翼倾角大，宽的一翼倾角小。

倒转异的确定

通常在褶皱倾伏端的岩层层序产状总是正常的，如果有倒转翼，则倒转翼的岩层从翼部向倾伏端方向，倾角一般由缓变陡，到倾伏端转折附近岩层会出现产状直立。在褶皱倾伏端和翼部，岩层露头宽度一般要比在倾伏端附近的直立产状部分露头宽度宽。因此，如果褶皱岩层露头从翼部向转折端追踪，在倾伏转折附近，露头宽度又出现特别特别宽的现象，该翼可能是倒转翼。上述判断两翼产状的方法适用形态和产状较简单的褶皱，对于倾竖褶皱，平卧褶皱和斜卧褶皱或地形变化复杂时则不适用。

判断轴面产状

要准确地确定褶皱轴面的产状，可以通过系统地测量两翼同一岩层的产状，用极射赤平投影方法或几何作图法来确定，在地质图上，也可从两翼产状大致判断出轴面产状。如两翼倾向相反，倾角大致相等，则轴面直立；两翼倾角倾向基本相同，这轴面产状也与两翼产状基本一致。对于两翼产状不等或一翼倒转的褶皱，无论背斜或向斜，其轴面大致与倾角较小的一翼的倾斜方向近于一致，除平卧褶皱和等斜褶皱外，轴面倾角一般大于缓翼倾角，而小于陡翼倾角。

枢纽产状确定

当地形平坦且褶皱两翼倾角变化不大时，两翼地层界线基本上是平行延伸，可认为褶皱枢纽水平；如果两翼岩层走向不平行，或两翼同一岩层界限呈交会或弧形转折弯曲，可认为褶皱枢纽是侧伏的，在倾伏背斜两翼同一岩层界线在枢纽倾伏交会处会成“V ”形或弧形的凸侧或“V ’字形尖端指向枢纽倾伏方向。向斜则反之，另外，沿褶皱延伸方向核部地层出露的宽窄变化也能反映枢纽的产状，核部变窄或闭合的方向是背斜枢纽倾伏向，或向斜枢纽扬起方向。上述确定枢纽产状的方法只适用于轴面近直立过陡倾斜的倾伏褶皱及地形比较平缓地区。在倒转褶皱中，岩层呈直立处（一般在转折端的附近) 的岩层走向的一端反应了枢纽的倾伏方向，其走向与枢纽方向呈直立处的岩层倾角等于枢纽倾伏角。

4 讨论：怎样确定褶皱的形成时代？

褶皱有的是在地质历史中短暂的地史时期内形成的，有的是在较长的时期内逐渐产生的。较长时期内形成的褶皱其形成时期总是与某个时期的构造运动相联系可用角度不整合来分析，而在较短时间内形成的褶皱，其形成时期是根据沉积岩相和厚度的分析来确定的。

4.1角度不整合分析法

大同数褶皱是成岩后和主要是成岩后形成的，他们的形成时代也主要是根据区域性角度不整合来确定的，不整合面以下的一套地层均褶皱，而其上的地层未褶皱，则褶皱形成的时代通常看作与角度不整合时代相一致，既不整合面下伏褶皱中最新沉积地层之后，上覆最老地层沉积之前，如果不整合面上、下地层均褶皱，但褶皱方式，形态都互不相同，则至少发生过两次褶皱运动。如果一个地区存在两个角度不整合，且两个褶皱上下的地层均褶皱，而褶皱形态不一样，则该地区至少发生过三次褶皱运动。从图2中可以看出，该地区在白垩系与侏罗系之间，上新统（N2) 与中新统（N1）以及下地层之间均为角度不整合接触，故在这地区发生过两次褶皱运动。从上述可以看出，由于不整

合，特别是角度不整合所分开的上、下两套地层，他们

各自由一套不同沉积建造特征和不同时代的岩系组成，

并有相应的构造变形，即形成不同形态的褶皱类型，甚

至有岩浆活动、变质作用和成矿作用。

4.2岩性厚度分析法

对于在较长的地质时期内逐渐变形而形成的褶皱，可以通过褶皱地层的岩性和厚度分析来确定其形成时代，如前面讲过的，同沉积褶皱是在岩层沉积过程中，地壳不断缓慢升降运动中逐渐形成的，因此，在背斜顶部岩层薄层数少，而向两翼和向斜中岩层逐渐增厚，层数也多，顶部和槽部岩层倾角小，两翼倾角自上而下逐渐变陡；顶部岩层粒度粗，两翼和向斜部位粒度逐渐变细，等等。根据地层剖面中的上述变化特点，可以推断同沉积褶皱的形成时代。

此外，褶皱的形成时代还可以根据与褶皱相结的岩浆岩体的同位素年龄来加以间接确定；也可以根据褶皱的重叠变形关系，分析多期褶皱的存在及个各期褶皱的相对先后顺序。

5. 结论

褶皱的形成机制根据受应力的状态不同主要有，纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、剪切褶皱作用、柔流褶皱作用，在形成的褶皱中纵弯褶皱比较常见。褶皱两翼优选产状分别求形成时应力方向，根据叠加褶皱地区共轭“ X”节理产状求主应力方向或利用共轭“ X”节理共轭角求最大主应力 (σ 1 )、最小主应力 (σ 3)和最大剪应力 (τ max )大小；另一方面对褶皱的野外识别可明确该地区底层层序，测定相应产状，如果在观察到有地层重复现象，则该地区可能会有褶皱存在，再根据地层年代确定是背斜或向斜。

6. 文献

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