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逆(沖)斷層相關的褶皺

2024-01-18科學

在自然界野外露頭上常常看到斷層和褶皺相伴而生。我們知道,斷層屬脆性破裂,而褶皺屬塑性變形,這種脆性和韌性構造在空間並存的現象看起來有些矛盾。巖石怎麽能脆性破裂的同時發生韌性彎曲呢?關於斷層和褶皺空間並存的一種解釋是構造在不同的時期在不同的壓力和溫度下形成的。比如說野外露頭看到的智皺形成於5億年前地殼15km的深處,後來包含褶皺的巖體由於地殼運動隆升剝蝕至淺表,再遭受另一次構造運動而形成斷層。很明顯,在這個例子中斷層切割了早期形成的褶皺,而與褶皺沒有幾何關系。但是在自然界中有很多例子表明斷層和智皺是有空間和幾何關系的,這兩和構造的形成是相工關聯的。我們把這種形成機制與斷層活動有成生聯系的褶皺稱之為斷層相關褶皺。

斷層相關褶皺理論是20世紀80年代以來構造地質學取得的最重要的進展之一。普林斯頓大學Suppe教授是這一理論的奠基人。1934年,Rich在研究阿巴拉契亞山低角度逆掩斷層時提出斷層轉折褶皺的概念,半個世紀之後,Suppe(1983)將其定量化,建立了斷層形態與褶皺形態之間的幾何學關系,以及斷層滑動與褶皺發育的運動學模型。這種定量關系成為前陸褶皺一沖斷帶構造解釋以及正演與反演模擬技術中平衡剖面方法的重要基礎。

根據斷層性質可將斷層相關智皺分為與逆斷層相關的斷層相關智皺和與正斷層相關的斷層相關褶皺。自然界中,斷層相關褶皺按形成機制主要可分為三種型別:斷層轉折褶皺、斷層傳播褶皺、斷層滑脫褶皺。對這三種褶皺型別都已建立了較為成熟的幾何學與運動學模型。

與逆(沖)斷層相關的褶皺

在前陸地區,褶皺和逆(沖)斷層常常緊密伴生,關於褶皺和逆(沖)斷層的關系即褶皺作用和沖斷作用何者居主導地位,地學界有兩種觀點。第一種觀點認為在褶皺和逆沖斷層的形成中,智皺作用上主導地位,智皺變形由弱而強直至形成斷裂,如Hein(1921)的智皺推覆模式以及Sitter(1964)關於智皺和逆沖斷層關系的3種分類(延逆斷層、破裂逆斷層和剪開逆斷層)。第二種觀點也是目前比較流行的斷層相關褶皺模式,認為逆沖巖席在沿斷層滑動過程中,當從一個低層位斷坪經斷坡爬升到高層位斷坪時或者當斷面沿傾向終止時,在斷坡處或者斷層端點處形成以背斜為主的褶皺,即斷層相關褶皺。

在斷層相關智皺中,斷面的形態和沿傾向的延伸取決於巖層的力學性質。理論上,在泥頁巖、膏鹽巖等軟弱巖層中易形成斷坪,在此斷面常平行於巖層層面發育,即所謂的滑脫面;而在灰巖、白雲巖、致密砂巖等強硬巖層中,斷面以一定角度切截這些硬巖層而形成斷坡,或者終止於此。可見滑脫面(層)的發育是斷層相關褶皺形成的基本條件之一。由於巖層內部的非均一性,這在軟硬相間的沈積巖層內很容易實作。因此,由斷坪一斷坡構成的台階狀逆沖斷層以及與此相關的智皺就成為前陸地區的常見構造樣式。