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逆(冲)断层相关的褶皱

2024-01-18科学

在自然界野外露头上常常看到断层和褶皱相伴而生。我们知道,断层属脆性破裂,而褶皱属塑性变形,这种脆性和韧性构造在空间并存的现象看起来有些矛盾。岩石怎么能脆性破裂的同时发生韧性弯曲呢?关于断层和褶皱空间并存的一种解释是构造在不同的时期在不同的压力和温度下形成的。比如说野外露头看到的智皱形成于5亿年前地壳15km的深处,后来包含褶皱的岩体由于地壳运动隆升剥蚀至浅表,再遭受另一次构造运动而形成断层。很明显,在这个例子中断层切割了早期形成的褶皱,而与褶皱没有几何关系。但是在自然界中有很多例子表明断层和智皱是有空间和几何关系的,这两和构造的形成是相工关联的。我们把这种形成机制与断层活动有成生联系的褶皱称之为断层相关褶皱。

断层相关褶皱理论是20世纪80年代以来构造地质学取得的最重要的进展之一。普林斯顿大学Suppe教授是这一理论的奠基人。1934年,Rich在研究阿巴拉契亚山低角度逆掩断层时提出断层转折褶皱的概念,半个世纪之后,Suppe(1983)将其定量化,建立了断层形态与褶皱形态之间的几何学关系,以及断层滑动与褶皱发育的运动学模型。这种定量关系成为前陆褶皱一冲断带构造解释以及正演与反演模拟技术中平衡剖面方法的重要基础。

根据断层性质可将断层相关智皱分为与逆断层相关的断层相关智皱和与正断层相关的断层相关褶皱。自然界中,断层相关褶皱按形成机制主要可分为三种类型:断层转折褶皱、断层传播褶皱、断层滑脱褶皱。对这三种褶皱类型都已建立了较为成熟的几何学与运动学模型。

与逆(冲)断层相关的褶皱

在前陆地区,褶皱和逆(冲)断层常常紧密伴生,关于褶皱和逆(冲)断层的关系即褶皱作用和冲断作用何者居主导地位,地学界有两种观点。第一种观点认为在褶皱和逆冲断层的形成中,智皱作用上主导地位,智皱变形由弱而强直至形成断裂,如Hein(1921)的智皱推覆模式以及Sitter(1964)关于智皱和逆冲断层关系的3种分类(延逆断层、破裂逆断层和剪开逆断层)。第二种观点也是目前比较流行的断层相关褶皱模式,认为逆冲岩席在沿断层滑动过程中,当从一个低层位断坪经断坡爬升到高层位断坪时或者当断面沿倾向终止时,在断坡处或者断层端点处形成以背斜为主的褶皱,即断层相关褶皱。

在断层相关智皱中,断面的形态和沿倾向的延伸取决于岩层的力学性质。理论上,在泥页岩、膏盐岩等软弱岩层中易形成断坪,在此断面常平行于岩层层面发育,即所谓的滑脱面;而在灰岩、白云岩、致密砂岩等强硬岩层中,断面以一定角度切截这些硬岩层而形成断坡,或者终止于此。可见滑脱面(层)的发育是断层相关褶皱形成的基本条件之一。由于岩层内部的非均一性,这在软硬相间的沉积岩层内很容易实现。因此,由断坪一断坡构成的台阶状逆冲断层以及与此相关的智皱就成为前陆地区的常见构造样式。