斷層轉(zhuǎn)折褶皺相關(guān)研究及應(yīng)用的分析

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

一、斷層轉(zhuǎn)折褶皺模型

(一)概述

斷層轉(zhuǎn)折褶皺的幾何學(xué)首先是由Rich(1934)在研究阿巴拉契亞山低角度逆掩斷裂作用時提出的，半個世紀之后，Suppe(1983)將其定量化，建立了斷層形態(tài)與褶皺形態(tài)之間的幾何學(xué)關(guān)系，以及斷層滑動與褶皺發(fā)育的運動學(xué)模型。

斷層轉(zhuǎn)折褶皺是由于斷層轉(zhuǎn)折彎曲，斷層上盤巖石在下伏斷層轉(zhuǎn)折部位發(fā)生運動時形成，上盤巖石以形成膝折帶式褶皺來調(diào)節(jié)沿著斷層面的滑動?？煞譃?種基本類型：上凹式斷層轉(zhuǎn)折褶皺和上凸式斷層轉(zhuǎn)折褶皺。斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用沿固定在斷層轉(zhuǎn)折處的活動軸面發(fā)生，當?shù)貙釉诨顒虞S面處產(chǎn)生褶皺以后，將沿上部斷層段發(fā)生平移。不活動軸面表示斷層滑動剛剛發(fā)生時沿活動軸面的質(zhì)點顆粒的位置。它與活動軸面界定的膝折帶的寬度與斷層滑動量成正比。

(二)斷層轉(zhuǎn)折褶皺的特征

1)上凹式斷層轉(zhuǎn)折褶皺的活動軸面為向斜軸面固定在斷層轉(zhuǎn)折處，相對下盤固定，上盤物質(zhì)通過其向前運動。不活動軸面為背斜軸面相對上盤固定，隨上盤一起向前運動，斷層轉(zhuǎn)折后斷層滑動量變大；上凸式斷層轉(zhuǎn)折褶皺的活動軸面為背斜軸面固定在斷層轉(zhuǎn)折處，相對下盤固定，上盤物質(zhì)通過其向前運動。不活動軸面為向斜軸面相對上盤固定，隨上盤一起向前運動,斷層轉(zhuǎn)折后斷層滑動量變小。

2)隨著斷層滑動量的加大，膝折帶變寬。

3)只有不活動軸面和活動軸面之間的地層產(chǎn)狀變化，為一不協(xié)調(diào)塊體。

4)若斷層是圓滑轉(zhuǎn)折，褶皺的產(chǎn)狀也是圓滑變化。

5)當存在沖斷層斷坡時，將形成斷坡背斜。連接上、下滑脫層(斷坪)的斷坡經(jīng)歷了兩次斷層轉(zhuǎn)折，因此，斷坡背斜實際上是前翼背斜式斷層轉(zhuǎn)折褶皺與后翼向斜式斷層轉(zhuǎn)折褶皺的復(fù)合體，即復(fù)合式斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用。

(三)剪切斷層轉(zhuǎn)折褶皺模型

經(jīng)典的斷層轉(zhuǎn)折褶皺是在斷坡上地層發(fā)生撓曲滑動形成。John Suppe(2004)考慮到軟弱巖層在形成斷層轉(zhuǎn)折褶皺的過程中的剪切變形作用，提出了剪切斷層轉(zhuǎn)折褶皺作用理論。剪切斷層轉(zhuǎn)折褶皺在變形時具有較大的非彎滑分量，形成一類特征鮮明的斷坡背斜，體現(xiàn)在:背斜后翼傾角較斷坡角要小，在很多情況下遠遠小于斷坡角；后翼的生長構(gòu)造具有翼旋轉(zhuǎn)的特點；背斜前翼短、后翼長，后翼的寬度不等。分為單剪斷層轉(zhuǎn)折褶皺和純剪斷層轉(zhuǎn)折褶皺2種基本類型。

單剪斷層轉(zhuǎn)折褶皺：滑脫層遭受外部施加的層平行簡單剪切，無底部斷層。軟弱巖層在斷層轉(zhuǎn)折褶皺發(fā)育過程中在斷坡上縮短與增厚，褶皺后翼會向上旋轉(zhuǎn)。

純剪斷層轉(zhuǎn)折褶皺：滑脫層在底部斷層上滑動，在斷坡之上發(fā)生縮短與加厚，而無外加的層平行單剪。軟弱巖層在斷層轉(zhuǎn)折褶皺發(fā)育過程中剪切變薄，褶皺后翼會向下旋轉(zhuǎn)。

(四)斷層轉(zhuǎn)折褶皺角度計算

假定褶皺過程中地層厚度與層長守恒，則斷層形態(tài)與褶皺形態(tài)之間存在如下的關(guān)系(圖1)。

γ：褶皺翼間角的一半

θ：斷層轉(zhuǎn)折前地層和斷層的夾角

β：斷層轉(zhuǎn)折后地層和斷層的夾角

φ：斷層轉(zhuǎn)折前和轉(zhuǎn)折后的角度變化量

上述公式中，有兩個定量等式，所以如果已知其中兩個角的數(shù)值，另外兩個角就可以根據(jù)上述公式計算出。

圖1 斷層轉(zhuǎn)折褶皺的地質(zhì)模型[1]

二、斷層轉(zhuǎn)折褶皺剝蝕后的識別

在野外實際地質(zhì)情況中地層常被剝蝕，這對于斷層轉(zhuǎn)折褶皺的識別造成了很大的困擾。不同剝蝕程度的識別方式如下:

1.地形水平，地層褶皺，斷層轉(zhuǎn)折，此種情況的鑒別與未剝蝕的斷層轉(zhuǎn)折褶皺基本相同。

2.斷層上盤被剝蝕，地層沒有褶皺，斷層面上有擦痕。

3.只能見到褶皺的前翼，前翼呈不協(xié)調(diào)侵入體，這是這種情況識別最重要的標志。與斷層滑脫褶皺的區(qū)別是斷層滑脫褶皺常發(fā)育多個褶皺，形成隔擋式褶皺或隔槽式褶皺。

三、斷層轉(zhuǎn)折褶皺理論的應(yīng)用

(一)地震剖面解釋

斷層或褶皺在地層剖面中的同相軸不清晰或很雜亂，這對剖面的解釋會造成很大的困擾。運用斷層轉(zhuǎn)折褶皺理論可以對剖面進行較準確的解釋：

1.先根據(jù)斷層轉(zhuǎn)折褶皺特點鑒別是否是斷層轉(zhuǎn)折褶皺：

(1)斷層的上盤褶皺變形，下盤不變形或變形程度小于上盤；

(2)只有活動軸面和不活動軸面之間的地層產(chǎn)狀變化；

2.根據(jù)斷層轉(zhuǎn)折褶皺模型解釋剖面。

(二)構(gòu)造形成時期確定

斷層和褶皺同時形成，確定斷層形成時期即可確定褶皺形成時期；確定褶皺形成時期即可確定斷層形成時期。

(三)構(gòu)造形成機制分析

斷層和褶皺的成因有聯(lián)系，在斷層轉(zhuǎn)折褶皺的形成過程中，可能會發(fā)育多條次級小斷裂將構(gòu)造復(fù)雜化。也可能在形成斷層轉(zhuǎn)折褶皺之后疊加其他構(gòu)造，或者先存構(gòu)造疊加斷層轉(zhuǎn)折褶皺。運用斷層轉(zhuǎn)折褶皺理論，有助于構(gòu)造形成機制的分析。

(四)構(gòu)造恢復(fù)

斷層和褶皺同時形成，恢復(fù)時要同時恢復(fù)。