挤压条件下的断层相关褶皱

袁杰

摘要

一直以来断层与褶皱的关系争议不休，不同构造尺度上何者占主导地位不尽相同。造山带内的褶皱与断层具有密切联系，地质学家将挤压环境条件下的褶皱称为断层相关褶皱，并对不同的褶皱与断层组合建立数学模型进行几何学与运动学的研究。本文通过介绍一些经典的褶皱模型，描述地壳挤压缩短增厚过程中，断层相关褶皱的几何学、运动学与力学性质。从平面及立体的角度，动态与静态相结合探讨断层相关褶皱的发展与演化过程，以厘清挤压条件下断层与褶皱之间的关系。

关键词：断层相关褶皱；几何学与运动学；前展式逆冲推覆；构造置换

0 引言

构造的理论研究实质上是岩石或岩石颗粒变形与变位的研究，微观的层面上能较好地将一个小的构造单元其变形及变位区分开来，而宏观层面上的变形与变位则互成因果，表现出“鸡生蛋，蛋生鸡”的逻辑关系，断层与褶皱正是如此。起初，人们从材料力学的角度理解褶皱与断层的关系，认为在挤压背景下，一个地质单元内首先形成褶皱，而后再是断层或断裂形成，二者是截然的、独立的构造体系。后来人们认识到这种看法具有局限性。

最早由Rich(1934)谈到褶皱与断层的关系，提出了二者之间断层主导形成断弯褶皱或断层转折褶皱的观点。之后近50年Suppe(1983)建立起断弯褶皱的平面模型，定量化研究其几何学与运动学特征，成为了后来研究断弯褶皱的经典教材。随后断层相关褶皱的研究得到学界的重视，一时间各种相关模型被建立起来，例如Jamison(1987)的前翼厚度变化模型，Suppe和Medwedeff(1990)的恒定厚度、固定轴面模型，Erslev(1991)的三角剪切模型。(何登发等，2005；管树巍，2007)。

断层相关褶皱是在挤压收缩背景下形成的，免不了讨论造山带内逆冲推覆构造对逆断层或逆冲断层及断层相关褶皱的影响。研究表明薄皮构造常形成经典的双重构造和相关断层，而厚皮构造形成更大的推覆构造，其可能具有更复杂的应变特征，本文即对薄皮构造内的断层相关褶皱展开研究(图2.1(Fossen, 2016)。

1 平面几何学与运动学

Poblet(2020)指出断弯褶皱和断层传播褶皱发育在断坡上，滑脱(拆离)褶皱发育在断坪上。断弯褶皱是由于岩石沿着不平整的断面移动，导致岩层的弯曲。断层传播褶皱发育在断层末端附近，因此褶皱与断层的传播是同时进行的。断层滑脱发育在断层尖端附近或沿逆冲断层发育，如果断层位移减小，可能受下部滑脱、上部滑脱或两者的限制。以下将对一些经典的断层相关褶皱模型进行简要阐述。

1.1断弯褶皱

Suppe(1983)的断弯褶皱模型显示，上盘岩石在下伏断层转折部位发生运动时就会形成断层转折褶皱。断层面的滑动以上盘岩石形成的膝折带式褶皱来调节。断层转折褶皱作用发生在断层转折处的活动轴面, 地层在活动轴面处形成褶皱以后, 将沿着上部断层段发生位移。不活动轴面为断层滑动刚刚发生时沿活动轴面的质点颗粒的位置。上凹式断层转折，上凸式断层转折分别会形成向斜型断层转折褶皱, 背斜型断层转折褶皱。

1.2断层传播褶皱

Erslev(1991)认为下伏断层的脆性强破裂变形为向上变宽的三角形分布式剪切所调节，三角形顶点固定于断层端点。 Hardy和Ford(1997)拓展了三角剪切断层传播褶皱理论并建立数字模拟模型，Allmendinger(1998)进一步建立与完善了三角剪切的正演模型与反演方法。该模型提出，如果自断层端点向外的三角形区发生了分布式剪切, 形成了三角剪切褶皱，那么这个三角剪切区内，变形过程中面积守恒，层长、层厚不守恒 ,前翼地层倾角向下增大(何登发等，2007)。

1.3滑脱褶皱

滑脱褶皱一般发育在非常薄弱的地层之上。由于弯曲作用形成褶皱，薄弱层通过流动来调节平坦滑脱层与上部褶皱层的几何学特征差异。滑脱褶皱通常表现为直立和平行(恒定厚度)特征，有时具有箱型褶皱几何学特征和对倾的轴面。褶皱层和围岩的强黏性差异促使一系列褶皱(褶皱系)的形成。沿滑脱层的视位移表现出趋向于前陆逐渐减小的特征，且可能以盲断层终止。滑脱褶皱发育于任意尺度滑脱面上，且通常未变形基底的断层之上地层发生解耦变形(Fossen，2016)。

2. 三维构造力学

Qingfeng和Hodgetts(2019)以砂箱模拟实验为基础建立离散单元模型，研究三维空间中受挤压力的影响下褶皱形态的变化。研究结果显示褶皱构造的样式主要受滑脱层厚度和颗粒粘结强度影响，并且颗粒粘结强度对褶皱的影响要高于滑脱层对褶皱的影响。随着砂体缩短量增加，该模型呈现出低振幅、正弦褶皱向箱状褶皱、断层传播褶皱再向断弯褶皱转变的趋势，且砂体的黏聚力在不断增强。在黏聚力较小的模型中，褶皱主要为对称的滑脱或拆离褶皱。在具有较高黏聚力的模型中，褶皱是不对称的，因为这些褶皱中的逆冲断层的出现有助于适应断层位移量积累的缩短。一个很薄的滑脱层会限制从滑脱层流向上升褶皱的物质的体积，会抑制或不足以维持滑脱断层的增长。与滑脱层较薄的模型相比，滑脱层厚的模型产生的底辟更高，褶皱垂直增长，褶皱核充满了来自厚基底滑脱层的再活化物质，导致了更明显的隆升。褶皱发育的数量既受黏聚力的影响，也受滑脱层厚度的影响。褶皱数量受盖层岩石粘聚力影响较为显著，粘聚力越大，褶皱数量越少。研究表明，滑脱层厚度和岩石力学性质对褶皱冲断带的构造样式有很强的影响。

3. 断层相关褶皱的时空演化

断层相关褶皱之间密切联系，表现出褶皱样式具有时空对应性，这种现象也是一种构造置换。在造山作用的早期，滑脱层在滑脱面上相对滑动，形成滑脱褶皱。随着造山演化继续进行，地壳缩短增厚，岩石在不平整的断层面上形成断层传播褶皱，地壳缩短增厚加剧，在靠近前陆的一侧发育潜在断坡或切截面，断层向前突破，断坡之上发育新的断坪，直至断层末端到达潜在断坡的位置，形成新的断坪-断坡，此时在新的坪-坡部位，也即断层末端形成新的断层传播褶皱，原来的断层传播褶皱即被置换为断弯褶皱。后展式逆冲推覆构造中则无此现象。

结论

本文基于前人资料的基础，介绍了挤压条件下断层相关褶皱的经典模型，总结褶皱的几何学、运动学和构造力学特性，获得以下认识：

(1)断弯褶皱是由于岩石沿着不平整的断面移动，导致岩层的弯曲。断层传播褶皱发育在断层末端附近，褶皱与断层的传播是同时进行的。断层滑脱褶皱发育在断层尖端附近或沿逆冲断层发育；

(2)在岩体或岩层水平缩短过程中，褶皱的样式受滑脱层及其内聚力共同作用影响，内聚力的影响更为显著。内聚力较低会导致变形的侧向快速传播，褶皱分布更加规律。较高的内聚力有利于应变定位和断弯和断层传播褶皱的产生，而不是滑脱褶皱。更高的内聚力可以促进现有褶皱的垂直增长，导致更明显的应变定位；较厚的滑脱层和较高的内聚力会导致更大的地表隆升和更高的底辟，底辟作为褶皱核，但会减少褶皱的数量。较厚的滑脱层可以提供足够的材料填充褶皱岩心，有助于形成更大的褶皱；

(3)在前展式逆冲推覆构造中，滑脱褶皱-断层传播褶皱-断弯褶皱具有构造置换的特征。

参考文献

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