當代構造地質學進展與前沿研究生課程羅金海

1、當代構造地質學進展與前沿,2004年10月,羅金海,E-mail: luojh@nwu.edu.cn,本多媒體主要為內部教學使用，其中使用了他人尚未出版的資料，不可出版和翻印。如果出現(xiàn)任何違反知識產(chǎn)權事件，責任由非法使用者承擔。,作者聲明,一、構造地質學的發(fā)展趨勢二、 斷層相關褶皺理論三、生長地層與構造變形速率四、伸展斷層相關褶皺五、前陸基底卷入型構造六、平衡地質剖面技術 以上是中-小尺度構造地質學的主要進展,主

2、要內容,一、當代構造地質學的主要發(fā)展趨勢,從定性向定量 有限應變測量、古地磁測量、古應力測量、生長地層測定、遙感遙測、衛(wèi)星定位、重磁測量、地震測量、層析成像技術和超深鉆技術，等2. 研究范圍從巖石圈上部向巖石圈下部、地幔，甚至地核擴展,,一、當代構造地質學的主要發(fā)展趨勢,從宏觀到微觀 從微觀尺度考察地質構造的運動學4. 新構造運動與全球環(huán)境變化 地質災害（地震、地裂縫、地面沉降、滑坡）與工程

3、地質等；青藏高原的隆升與全球環(huán)境、氣候變化，等5. 盆地與造山帶耦合動力學研究,,斷層相關褶皺理論是揭示褶皺與斷層之間相互關系的理論，主要包括斷層轉折褶皺作用（fault-bend folding)、斷層傳播褶皺作用（fault-propagation folding）和滑脫褶皺作用（detachment folding）三種端元模型。,二、斷層相關褶皺理論,,斷層相關褶皺理論的三種端元模型,二、斷層相關褶皺理論,,斷層轉折褶皺作用

4、上盤斷塊沿非平板狀斷面滑動時發(fā)生彎曲而形成褶皺的過程。由于巖石的強度不允許上盤斷塊與斷面之間存在較大的空洞，上盤在滑動時必與斷面緊密接觸，從而使上盤斷塊在斷層轉折處（斷坡）上方發(fā)生扭曲變形而形成褶皺。由這種方式形成的褶皺往往呈具平頂?shù)膶捑忨薨櫋?二、斷層相關褶皺理論,,一個簡單斷坡上斷層轉折褶皺的運動學演化活動軸面：相對于下盤固定，上盤物質通過其向前陸方向運動不活動軸面（固定軸面）：相對于上盤固定，同上盤物質一起向前陸方向運動

5、,一個簡單斷坡上斷層轉折褶皺的運動學演化褶皺隨著膝折帶變寬而生長。,龍門山前茂縣正河地區(qū)石炭系灰?guī)r中的斷層轉折褶皺,二、斷層相關褶皺理論 1.斷層轉折褶皺作用,,由地震剖面揭示的斷層轉折褶皺,二、斷層相關褶皺理論 1.斷層轉折褶皺作用,,多轉折斷層轉折褶皺模型（據(jù)Medwedeff等，1997）,二、斷層相關褶皺理論 1. 斷層轉折褶皺作用,,多轉折斷層轉折褶皺：在斷面發(fā)生多次轉折的情況下，斷面的每一次轉折都會在上盤巖層中形成相應

6、的褶皺構造，由不同斷面轉折端形成的褶皺構造必然會發(fā)生相互干擾，由此將導致褶皺形態(tài)復雜化。,二、斷層相關褶皺理論 1. 斷層轉折褶皺作用,,在多轉折斷層轉折褶皺作用（multi-bend folding）理論中，褶皺軸面數(shù)（m）與斷面轉折點數(shù)（n）之間具有如下關系（Medwedeff等，1997）：可見軸面數(shù)是斷面轉折次數(shù)的四次方函數(shù)，說明褶皺構造的總體形態(tài)將極大地受到斷面轉折次數(shù)的影響。,二、斷層相關褶皺理論 1. 斷層轉折褶皺作用

7、,,,2. 斷層傳播褶皺作用正在向上擴展的沖斷層前端上方地層由于吸收了下伏沖斷層的位移量而形成褶皺的過程。,二、斷層相關褶皺理論,,穩(wěn)定層厚斷層傳播褶皺作用（據(jù)Suppe，1983）,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,,簡化的厚度不變模型（據(jù)Suppe，1983）,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,,斷層傳播褶皺的形成過程厚度不變模型,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,,在厚度不變的情況下斷層傳播褶

8、皺的形成過程相同位移量不同斷層轉折角斷層傳播褶皺的形態(tài)對比可見斷面轉折角度明顯地影響著斷層傳播褶皺的形態(tài),二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,,斷層傳播褶皺,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,,突破斷層對斷層傳播褶皺的改造在斷層傳播褶皺形成之后，如果斷層的位移量繼續(xù)增加，則斷層可能成為突破斷層（breakthrough fault），對先期形成的斷層傳播褶皺進行改造。,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用

9、,,經(jīng)典的斷層傳播褶皺模型,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用,,突破斷層沿背斜軸面突破,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用—突破斷層,,突破斷層沿前翼高角度突破,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用—突破斷層,,突破斷層沿向斜軸面突破,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用—突破斷層,,美國Elk盆地中Greybull砂巖油藏剖面 具有突破構造的特點,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用—突破

10、斷層,,美國Elk盆地中的突破構造剖面,二、斷層相關褶皺理論 2.斷層傳播褶皺作用—突破斷層,,3. 滑脫褶皺作用強硬巖層由于下伏塑性層中的斷層滑動而形成褶皺的過程。,二、斷層相關褶皺理論,,瑞士侏羅山經(jīng)典的滑脫褶皺,二、斷層相關褶皺理論 3. 滑脫褶皺作用,,塔里木盆地地震剖面揭示的滑脫褶皺,二、斷層相關褶皺理論 3. 滑脫褶皺作用,,生長提離褶皺,二、斷層相關褶皺理論 3. 滑脫褶皺作用,,秘魯東部烏卡亞利盆地Cashiriari

11、背斜和圣馬丁背斜地震剖面（據(jù)Shaw等，1999）斷層傳播褶皺和斷層轉折褶皺,秘魯東部烏卡亞利盆地Istmo背斜地震剖面（據(jù)Shaw等，1999） 斷層轉折褶皺與反沖斷層,4. 斷層相關褶皺的組合型式,二、斷層相關褶皺理論,,（1）斷層轉折褶皺與構造楔斷層轉折褶皺與反沖的斷層轉折褶皺聯(lián)合形成構造楔,構造楔的發(fā)育過程,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (1)構造楔,,由斷層轉折褶皺和反沖斷層構成構

12、造楔,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (1)構造楔,,構造楔的疊置樣式,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (1)構造楔,,疊瓦狀構造楔的實際剖面,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (2)干涉構造,,干涉構造模型,（2）干涉構造：不同方向的構造相互干擾現(xiàn)象。,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (2)干涉構造,,實驗模擬得到的干涉構造,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的

13、組合型式 (2)干涉構造,,實際的干涉構造,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (2)雙重構造,,逆沖雙重構造的演化（動畫）多個斷層轉折褶皺的復合構成了雙重逆沖構造,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (2)雙重構造,,多轉折的疊瓦狀逆沖構造的演化（動畫）多個斷層轉折褶皺的復合構成了雙重逆沖構造,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (2)雙重構造,,一個堆垛式逆沖構造的演化（動畫）多個斷層

14、轉折褶皺的復合構成了雙重逆沖構造,二、斷層相關褶皺理論 4.斷層相關褶皺的組合型式 (2)雙重構造,,一個對沖式逆沖構造剖面的演化（動畫）多個斷層轉折褶皺的復合構成了雙重逆沖構造,生長地層是在沖斷層活動的同時沉積的地層，又稱同沉積地層。由于褶皺的生長主要是通過膝折帶（翼寬）遷移的方式生長的，褶皺的翼長將隨著褶皺的生長而增加，同時翼傾角保持不變。如果在褶皺生長期間有沉積作用發(fā)生，則在生長地層范圍內，褶皺的翼長將向上減小（因為下部地層

15、的增加幅度比上部地層的增加幅度大），因而形成一個三角形的生長地層區(qū)域，稱為生長三角（growth triangle）。生長三角是在地震剖面上鑒別生長地層的重要標志。,三、生長地層與構造變形速率 1.生長地層與生長三角,,一個簡單斷坡上斷層轉折褶皺的運動學演化褶皺隨著膝折帶變寬而生長。,地震剖面揭示的生長三角,三、生長地層與構造變形速率1. 生長地層與生長三角,,斷層轉折褶皺及相關的生長地層與前生長地層、生長三角箭頭指示質點位移

16、方向,三、生長地層與構造變形速率1. 生長地層與生長三角,,斷層轉折褶皺及相關的生長地層與前生長地層、生長三角的演化模型,斷層傳播褶皺及相關的生長地層與前生長地層、生長三角的演化模型,在滑脫褶皺的運動學模型中，由于下伏滑脫斷層位移量的增加而引起的不對稱膝折型滑脫褶皺的漸近演化過程（據(jù)Poblet等，1996）請注意：雖然運動學過程不一樣，但終構造的形態(tài)則是完全一樣的。,不同的運動學過程可以形成幾何形態(tài)完全相同的終構造，但生長地層的特征

17、則是不相同的。,三、生長地層與構造變形速率 1.生長地層與生長三角,,不同斷層相關褶皺形成的生長地層,三、生長地層與構造變形速率1. 生長地層與生長三角,,2. 構造生長速率利用生長地層可以確定構造的生長速率。,三、生長地層與構造變形速率 2.構造生長速率,,沖斷斷坡之上向上變窄的膝折帶或生長三角模型（據(jù)Suppe等，1992和Shaw等，1996）,生長三角內部地層單元的形成時代和翼寬可以用來測算翼部的擴展速率和褶皺生長速

18、率(Suppe等，1992)。在滑脫面之間有簡單斷坡的情況下，斷層滑動速率在傾向方向的分量等于翼寬變化量與形成該翼寬變化量的時間之比。在同一生長三角中至少兩套地層（如X層和Y層）的形成時代已知的情況下，褶皺翼部加寬的速率（ΔL/ΔT，或平均斷層滑動速率）是可以測定的，平均斷層滑動速率為由于兩側地層厚度不同，生長軸面不平分褶皺翼間角。,三、生長地層與構造變形速率 2.構造生長速率,,,在生長三角內部，在時間t內，翼長L除以生長地

19、層厚度Tb即可得到一個無量綱的生長速率G： 。對每一生長地層段? Tb 有 。若能確定生長地層中標志層的時間范圍??t，則褶皺的絕對生長速率（Ga）為： （式中 為沉積速率）。這說明，在生長地層沉積期間，褶皺的絕對生長速率Ga是褶皺生長速率的幾何表述。,三、生長地層與構造變形速率 2.構造生長速率,,沖斷斷坡之上向上

20、變窄的膝折帶或生長三角模型（據(jù)Suppe等，1992和Shaw等，1996）,,,,,生長地層應用舉例① 美國加利福尼亞圣巴巴拉海峽一個構造的翼長為2.5km，生長地層厚2.1km，無量綱生長速率（G）為1.2，生長地層的時間范圍為2~4Ma，則絕對褶皺生長速率（Ga）約為0.6~1.3mm/a（Suppe等，1992）。② 對阿根廷中部貝爾梅霍前陸盆地中與沖斷相關的生長地層的研究表明，沖斷帶東部的前科迪勒拉構造開始于2.7Ma之

21、前，尼奎威爾背斜的抬升速率約為0.3mm/a，拉斯薩里拉斯背斜的抬升速率約在0.6mm/a與0.38mm/a之間（Zapata等，1996）。,三、生長地層與構造變形速率 2.構造生長速率,,,,,,關于伸展背景下的正斷層與逆牽引構造在伸展背景下通常會發(fā)育正斷層，長期活動的正斷層的上盤往往會發(fā)育逆牽引構造，這種逆牽引構造實際上也是一種斷層相關褶皺作用，被稱為伸展斷層相關褶皺作用?？梢岳脭鄬酉嚓P褶皺的一般理論來分析伸展斷層相關褶皺作

22、用。,四、伸展斷層相關褶皺,,,,,,正斷層相關褶皺作用的一般特點,（1）張性環(huán)境中主張應力軸近于水平，主壓應力軸近于垂直；（2）張性環(huán)境中巖石強度較弱，易于沿庫侖剪面發(fā)生破裂變形；（3）分割不同傾斜域的軸面由庫侖剪切破裂準則限定；（4）庫侖剪裂面的傾角取決于巖石特征，多數(shù)巖石介于60º和70 º之間；（5）正斷層相關褶皺作用期間地層的層厚和層長可以不守衡，但面積守衡；（6）正斷層相關褶皺的軸面不平分翼間角

23、。,四、伸展斷層相關褶皺,,四、伸展斷層相關褶皺,,同沉積正斷層上盤的伸展斷層相關褶皺以往把這種褶皺籠統(tǒng)地稱之為逆牽引構造（或滾動褶皺，rollover fold),四、伸展斷層相關褶皺,,伸展斷層相關褶皺作用的一般模型所謂的犁式斷面實際上是由斷面的多次轉折形成的，斷面轉折的結果在上盤中形成活動的剪切軸面和不活動的軸面，這兩種類型的軸面決定著上盤褶皺的形態(tài)與演化。,四、伸展斷層相關褶皺,,滾動背斜的術語,活動剪切面(活動軸面)、前生

24、長不活動軸面、生長軸面、生長地層和前生長地層,,,斷層滑動速率,沉積速率,在不同沉積速率與斷層滑動速率情況下伸展褶皺的形態(tài)特征請注意：生長地層厚度變化和褶皺形態(tài)變化a、c、e和g中褶皺形態(tài)類似， b、d、f和h中褶皺形態(tài)類似?？梢姅鄬踊瑒铀俾蕦ι煺柜薨櫟臉嬙鞓邮接绊戯@著。,四、伸展斷層相關褶皺,,兩次轉折的伸展斷層轉折褶皺模型兩個滾動翼（膝折帶，rollover)在水平方向寬度相等，并且等于水平伸展量。滾動翼的寬度也等于任一前生長

25、地層（如X層）的水平錯斷量,沉積沉降比率(EPTD)：靠近斷層測得的上盤厚度除以斷層滑動量的垂直分量，即：沉積厚度/沉降量=上盤厚度/斷層滑動量的垂直分量。,四、伸展斷層相關褶皺,,Expansion ratio(擴充率 PRINCETON):區(qū)域上盤厚度除以下盤厚度，即：Expansion ratio =上盤厚度/下盤厚度,Expansion rate（SED）：靠近斷層測得 的上盤厚度除以下盤厚度，Expansion rate =上

26、盤厚度/下盤厚度,上凸、上凹斷層形成的不同生長地層,四、伸展斷層相關褶皺,,四、伸展斷層相關褶皺,,伸展斷層相關褶皺實例,四、伸展斷層相關褶皺,,下凹和上凸型斷面轉折處伸展斷層相關褶皺的軸面分析,四、伸展斷層相關褶皺,,下凹和上凸型多轉折斷面轉折處伸展斷層相關褶皺的軸面分析,多轉折伸展斷層相關褶皺作用實例,上一頁地震剖面的運動學演化模型斷層的幾何形態(tài)、剪切（軸面）方位、地層厚度是從上一頁下圖（7B）中獲得的，并被用于反演運動學過程。

27、初始階段反映區(qū)域上早于斷裂作用的掀斜，后續(xù)階段反映了槽地內構造和地層幾何學的演化過程。最后階段（階段5）顯示褶皺的同構造沉積樣式（生長三角和一個角度不整合），這種構造樣式與上一頁地震剖面上觀察到的構造樣式類似。,四、伸展斷層相關褶皺,,箕狀盆地（半地塹盆地）中滾動背斜的軸面趨近,實際的箕狀盆地及上盤的滾動背斜（軸面分析見下頁）,對上一頁箕狀盆地中滾動背斜的軸面分析,四、伸展斷層相關褶皺,,四、伸展斷層相關褶皺,,多轉折伸展斷層相關褶皺

28、作用的演化模型（一）,四、伸展斷層相關褶皺,,多轉折伸展斷層相關褶皺作用的演化模型（二）,四、伸展斷層相關褶皺,,多轉折伸展斷層相關褶皺作用的演化模型（三）,四、伸展斷層相關褶皺,,多轉折伸展斷層相關褶皺作用的演化模型（四）,四、伸展斷層相關褶皺,,多轉折伸展斷層相關褶皺作用的演化模型（五）,渤海裂谷盆地實例,四、伸展斷層相關褶皺,,四、伸展斷層相關褶皺,,渤海裂谷盆地實例,四、伸展斷層相關褶皺,,South Rift盆地地震測線和解釋

29、剖面示犁式正斷層作用，犁式斷層實際上是斷面的多次轉折,五、前陸基底卷入型構造,,前陸基底卷入型構造（foreland basement-involved structure)是山前沖斷構造帶中常見的一種構造類型，常以狹長的不規(guī)則鏈狀隆起帶的形式出現(xiàn)在前陸盆地中，它是在蓋層或蓋層-基底分界面附近（包括少量基底巖石）由基底主斷層的位移向上傳遞而形成的構造。由于同時涉及到基底和蓋層兩套巖石力學性質差異較大的地層，基底主斷層的位移量在向上傳

30、遞過程中，蓋層和蓋層-基底分界面附近對主斷層位移量的響應比較復雜。,五、前陸基底卷入型構造,,在前陸基底卷入型構造中，把主斷層位移量轉移到變形帶的可能機制,在前陸基底卷入型構造中，基底主斷層位移量向上傳遞的可能機制主要有3種：（a）三角變形帶發(fā)育于基底斷層末端上方的沉積蓋層中；（b）以基底中大量次級斷層為特征的變形帶；（c）三角變形帶發(fā)育于特定深度的基底中。,五、前陸基底卷入型構造,,關于前陸基底卷入型構造成因的主要模型,在前陸基底卷入

31、型構造中，主變形帶往往呈一個向上變寬的三角形區(qū)域，由于該帶內地層傾角通常較大，對地震波的反射不明顯。因此，前陸基底卷入型構造在地震剖面上通常具有多解性。,平衡地質剖面技術簡介前提：在垂直構造走向的剖面上，地層長度或面積（2D）、體積（3D）在變形前后守恒。變形主要是以平面應變的方式實現(xiàn)的。目的：利用數(shù)學手段對構造剖面進行正演或反演模擬，驗證剖面的正確性，再現(xiàn)地質構造的初始形態(tài)，恢復變形過程，計算縮短量主要的計算機軟件：GEOSEC

32、,六、平衡地質剖面技術,,平衡地質剖面的基本流程點編輯 對圖形中的數(shù)據(jù)點進行增刪、移動、調整等線編輯 對線進行截斷、抽稀、刪除等斷距消除 平衡剖面技術的核心，校正壓實量，消除斷距層拉平 地層的斷距被完全消除（平衡）之后，地層恢復到原始的沉積狀態(tài)，應該是水平的復制和移動 對某特定地層平衡并拉平之后，需要把該標準模型復制一份作為平衡下部地層、斷層的源地質模型。

33、,六、 平衡地質剖面,,伊朗Kashan地區(qū)S6760測線平衡地質剖面（據(jù)宋來亮等，2003） 該區(qū)QOM組地層的最大位移量為9800m，其中斷層的橫向位移為5900m，褶皺縮短量為3900m,六、 平衡地質剖面,,對平衡剖面技術的限制★ 在平面應變的前提下，不平衡的剖面是錯誤的；但平衡的剖面未必是正確的?！?在非平面應變的前提下，平衡的和不平衡的剖面既可能是正確的，也可能是錯誤的。★ 地質觀察與綜合分析是不替代的