與逆(沖)斷層相關(guān)的褶皺研究綜述

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

前言

在自然界野外露頭上我們經(jīng)常可以看到斷層和褶皺，這兩個(gè)地層發(fā)生構(gòu)造變形的最基本的形式，它們往往如影隨形。眾所周知，構(gòu)造變形是在不同時(shí)期在不同的溫度和壓力下形成的，這種脆性和韌性的構(gòu)造組合方式在空間上的并存堪稱鬼斧神工。褶皺體現(xiàn)為巖石的連續(xù)韌性變形；而大多數(shù)斷層都是巖石不連續(xù)的破裂變形的脆性剪切裂縫帶，在同一地區(qū)或同一構(gòu)造單元內(nèi)兩者常常相伴而生，比如在前陸構(gòu)造環(huán)境中的褶皺和逆沖斷層。至于褶皺和斷層的主次關(guān)系、以及是形成褶皺還是形成斷層、包括褶皺作用和沖斷作用的主次等問題，需要具體問題具體分析。一般情況下主要取決于如壓力、溫度、應(yīng)力場、流體及巖石的組成等具體的構(gòu)造環(huán)境。

斷層相關(guān)褶皺按形成機(jī)制劃分主要有斷層轉(zhuǎn)折褶皺、斷層傳播褶皺和斷層滑脫褶皺。Rich(1934)在研究阿巴拉契亞山脈時(shí)首次提出斷層相關(guān)褶皺的概念，認(rèn)為褶皺變形與下伏的斷層有關(guān)。Suppe(1983)發(fā)表的《斷層相關(guān)褶皺的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)》提出了褶皺和斷層幾何學(xué)之間的關(guān)系，建立了褶皺形態(tài)與斷層形態(tài)和斷層滑動(dòng)之間的定量關(guān)系，首次實(shí)現(xiàn)了斷層相關(guān)褶皺的定量化，奠定了斷層相關(guān)褶皺理論的基本模型。隨后，Erslev(1991)提出了更為廣泛適用的三角剪切斷層傳播褶皺模型，認(rèn)為在斷層端點(diǎn)處存在一個(gè)向外發(fā)散的剪切區(qū)來控制變形；Hardy and Ford(1997)提出了傳播褶皺剪切區(qū)內(nèi)的速度場分布模型。斷層相關(guān)褶皺的理論不斷豐富和完善,并在日后的實(shí)例中應(yīng)用,尤其是在前陸沖斷帶和逆沖斷層帶的構(gòu)造解釋中。

一、逆沖斷層相關(guān)褶皺理論模型

(一)斷層轉(zhuǎn)折褶皺。斷層轉(zhuǎn)折褶皺也稱斷彎褶皺，是指由于斷層轉(zhuǎn)折彎曲，斷層上盤巖層按下盤的形狀以形成膝折帶式的褶皺來調(diào)節(jié)沿?cái)鄬用娴幕瑒?dòng)形成褶皺，通常由斷坪-斷坡-斷坪來構(gòu)成褶皺的斷層面。前翼總是位于斷坡的前陸一側(cè)，沿?cái)鄬用嫖灰屏勘３趾愣ā?/p>

1.斷層轉(zhuǎn)折褶皺的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。經(jīng)典斷層轉(zhuǎn)折褶皺的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由Suppe(1983)建立。在斷層轉(zhuǎn)折褶皺的幾何模型中，活動(dòng)軸面和不活動(dòng)軸面位于斷層的上方，這兩個(gè)軸面之間的區(qū)域是巖層發(fā)生變形的活動(dòng)區(qū)，活動(dòng)軸面下端位于斷層的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處。斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用發(fā)生在沿固定于斷層轉(zhuǎn)折處的活動(dòng)軸面上，當(dāng)發(fā)生褶皺以后，它將沿上部斷層段發(fā)生平移，形成的褶皺后翼長，前翼短背斜一般頂部較平。不活動(dòng)軸面表示斷層滑動(dòng)剛剛發(fā)生時(shí)沿活動(dòng)軸面的質(zhì)點(diǎn)顆粒的位置，它和活動(dòng)軸面之間的區(qū)域組成膝折帶，膝折帶的寬度等于斷層的滑移量。

斷層轉(zhuǎn)折褶皺可分為上凹式斷層轉(zhuǎn)折褶皺與上凸式斷層褶皺，上凹式斷層轉(zhuǎn)折發(fā)展成為向斜型斷層轉(zhuǎn)折褶皺，上凸式斷層轉(zhuǎn)折發(fā)展成為背斜型斷層轉(zhuǎn)折褶皺。

(二)斷層傳播褶皺。斷層傳播褶皺也稱斷展褶皺，由后斷坪和下盤斷坡組成，褶皺形成于逆沖斷層的終端，與斷坡同時(shí)形成，斷層的幾何形態(tài)限制了褶皺的形狀，形成的的褶皺通常是軸面傾斜的不對(duì)稱構(gòu)造。其形成是由于應(yīng)力的改變導(dǎo)致斷層產(chǎn)狀改變，由深部層位向淺部層位擴(kuò)展的逆沖斷層，由于應(yīng)力的減弱，斷裂變形被褶皺變形所取代，在其前鋒斷層端點(diǎn)處形成斷層傳播褶皺；褶皺作用吸收了滑動(dòng)量使得沿著褶皺下伏斷坡向上發(fā)展的逆沖斷層的位移逐漸衰減為零。

它的基本特點(diǎn)是:1)形態(tài)不對(duì)稱，前翼陡、窄，后翼寬、緩；2)向斜“固定”在斷層端點(diǎn)處；3)隨深度加大褶皺越來越緊閉；4)背斜軸面的分叉點(diǎn)與斷層端點(diǎn)在同一地層面上；5)背斜軸面在斷面上的終止點(diǎn)和斷層轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的距離即是斷層的傾向滑動(dòng)量；6)斷層滑動(dòng)量向上減小，至斷層端點(diǎn)處變?yōu)榱恪?/p>

1.斷層傳播褶皺形成機(jī)制。斷層上盤巖石開始滑動(dòng)時(shí)，由于具有較快的滑移速率，使其先于斷層面擴(kuò)展到前鋒位置，并積聚較大的內(nèi)部應(yīng)變能，因而在前鋒位置形成膝折帶式褶皺來調(diào)節(jié)斷層面的滑動(dòng)位移量，而褶皺形態(tài)多為緊閉同斜-倒轉(zhuǎn)褶皺。該類褶皺由下伏斷層的形態(tài)、斷坡的產(chǎn)狀、上盤巖層的擴(kuò)展速率、巖石力學(xué)性質(zhì)等共同主導(dǎo)控制形成的。斷層與褶皺的幾何形態(tài)關(guān)系是多方面的，一方面斷層面一般會(huì)切穿褶皺倒轉(zhuǎn)翼，另一方面在斷層兩盤發(fā)育著一套背向斜褶皺。

(三)斷層滑脫褶皺。滑脫褶皺是一種常見的褶皺類型。斷層滑脫褶皺：也稱為滑脫褶皺，沒有斷坡，只有斷坪，通常是在擠壓環(huán)境下，在一個(gè)或多個(gè)滑脫層之上形成的收縮背斜?；撁嫱ǔ０l(fā)育在摩擦系數(shù)較低、容易發(fā)生塑性變形的地層中?；擇薨櫷ǔＪ菍?duì)稱的，其幾何結(jié)構(gòu)從同心褶皺到V型褶皺，也可以是箱狀褶皺。

滑脫褶皺的基本特征：1)在滑脫層之下或之中往往存在一條或多條底部滑脫斷層；2)底部滑脫層在褶皺核部發(fā)生加厚；3)在變形之前，滑脫層之上的能干巖層，在變形過程中厚度，長度不變；4)同生長地層向褶皺頂部厚度減薄，褶皺翼呈扇狀旋轉(zhuǎn)；

1.斷層滑脫褶皺的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。Epard和Groshong(1995)引入了翼部旋轉(zhuǎn)模型，該模型描述了在一個(gè)固定的平行分離層上滑脫褶皺的演化。其基本假設(shè)是在兩個(gè)標(biāo)線之間發(fā)生變形，并通過褶皺補(bǔ)償沿滑脫方向的位移，這意味著該模型是局部線平衡的。背斜的擴(kuò)大引起了變形，該模型強(qiáng)調(diào)對(duì)稱褶皺；描述了具有固定樞紐的滑脫褶皺的演化，以及具有活動(dòng)樞紐的滑脫褶皺的演化。褶皺生長是翼部旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。

Poblet and McClay(1996)提出了一種滑脫褶皺的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，他們提出了三種滑脫褶皺發(fā)育機(jī)制即翼旋轉(zhuǎn)、膝折帶遷移、翼旋轉(zhuǎn)和膝折帶遷移混合，它們都是強(qiáng)巖層褶皺作用的幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制的褶皺作用。在褶皺發(fā)育過程中，軟弱層或者韌性層可以流入或流出褶皺核部，強(qiáng)巖層的長度、厚度和面積不變。

二、結(jié)論

斷層轉(zhuǎn)折褶皺是指由于斷層轉(zhuǎn)折彎曲，斷層上盤在下伏斷層遇到轉(zhuǎn)折，斷層改變運(yùn)動(dòng)方向，上盤用褶皺的形式來調(diào)節(jié)斷層面的滑動(dòng)形成褶皺。其可分為上凹式斷層轉(zhuǎn)折褶皺與上凸式斷層轉(zhuǎn)折褶皺，其演化的基本要求是斷層平面幾何形態(tài)的變化，如彎曲或斜坡等。

斷層傳播褶皺的形成是由于應(yīng)力的改變導(dǎo)致斷層產(chǎn)狀改變，斷層從深部向淺部運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力減弱，斷層滑動(dòng)減小，到端點(diǎn)處為零，褶皺吸收了斷層的位移滑動(dòng)量轉(zhuǎn)化為褶皺變形，通常是軸面傾斜的不對(duì)稱構(gòu)造。

滑脫褶皺是發(fā)育在平行于層面的斷層面之上的褶皺，下伏斷層近于水平，斷層未切割地層，也不發(fā)育斷層斜坡?；摂鄬悠叫杏趧傂詭r層，斷層的位移向上傳遞導(dǎo)致了上覆巖層褶皺變形，形成的褶皺通常是對(duì)稱的