叠加褶皱对先存裂隙产状的改造

Question

如题所述

Answer 1

(1)叠加褶皱过程中先存裂隙产状变化的影响因素

当岩层受到两次褶皱时，先存裂隙在第一次褶皱中围绕褶皱轴f₁旋转，产状发生变化。第二次褶皱时已被旋转的先存裂隙面状构造又以地层倾向线为旋转轴作倾斜旋转。其旋转后的产状变化规律受诸多因素影响，例如，早、晚两期褶皱强度；两组褶皱轴向交角；两期褶皱形成机制；两期褶皱几何要素与水平面交角等。

为研究问题的方便，假设早、晚两期褶皱为直立水平圆柱状褶皱，根据早、晚两期褶皱形成机理和轴向交角，将叠加褶皱作用分为4类12亚类。

Ⅰ 早期褶皱和晚期褶皱均为纵弯褶皱

Ⅰ₁同轴纵—纵叠加；

Ⅰ₂斜跨纵—纵叠加；

Ⅰ₃横跨纵—纵叠加；

Ⅱ 早期褶皱为滑褶皱，晚期褶皱为纵弯褶皱

Ⅱ₄同轴滑—纵叠加；

Ⅱ₅斜跨滑—纵叠加；

Ⅱ₆横跨滑—纵叠加；

Ⅲ 早期褶皱和晚期褶皱都为滑褶皱

Ⅲ₇同轴滑—滑叠加；

Ⅲ₈斜跨滑—滑叠加；

Ⅲ₉横跨滑—滑叠加；

Ⅳ 早期褶皱为纵弯褶皱，晚期褶皱为滑褶皱

Ⅳ₁₀同轴纵—滑叠加；

Ⅳ₁₁斜跨纵—滑叠加；

Ⅳ₁₂横跨纵—滑叠加。

叠加褶皱的基本类型决定了褶皱面上各质点的运动性质和线理、面理的变化规律。不同类型叠加作用，对先存裂隙产状变化规律的影响不同。下面着重讨论纵弯褶皱叠加纵弯褶皱对先存裂隙产状的改造情况。

(2)纵弯褶皱叠加纵弯褶皱时旋转轴的确定

理论和实验研究证明，正纵弯褶皱作用过程中，运动学轴b轴(褶皱轴)必定位于褶皱面上，所以在纵弯褶皱叠加纵弯褶皱时，在第二次褶皱中，其地层旋转轴为第二次褶皱轴面与早期褶皱两翼地层层面之交线，即第二次褶皱枢纽。故旋转轴产状与交线倾伏方向和倾伏角一致。倾伏角δ_K可用下列公式求得

tanδ_K=tana·cos(90°—ϕ) (9.1)

式中：a为第一次褶皱后翼部地层产状；ϕ为早、晚两期褶皱轴向夹角。

由式(9.1)可知，假定早期褶皱枢纽水平，若早、晚两期褶皱轴向平行时，ϕ=0°，即为同轴纵—纵叠加，则δ_K＜a；当早、晚两期褶皱轴向垂直时，ϕ=90°，即为横跨纵—纵叠加，则δ_K=a。

(3)纵弯褶皱叠加纵弯褶皱作用对先存裂隙产状的改造

伴随第一次褶皱产状发生变化的先存裂隙在第二次褶皱过程中将再次发生旋转。其旋转情况和旋转后的产状变化情况取决于早、晚两期轴向交角ϕ和早、晚两期褶皱强度。不同轴向交角ϕ和早、晚两期褶皱不同强度条件下先存裂隙的旋转情况及产状极点投影如图9.19所示。

该图作法系假设早期褶皱轴为南北向，当岩层水平时其极点为I₀，先存裂隙面直立(垂直岩层面)，走向北东30°，其极点为π₀。第一次褶皱后岩层倾角为15°，投影极点为I_α=15，先存裂隙相应随着旋转15°，投影极点为π_α=15。在第一次褶皱的基础上分别叠加不同方位，即与早期褶皱轴的夹角ϕ=0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°和不同强度，即围绕倾斜轴旋转角度β=15°，30°，45°，60°，75°，90°的晚期褶皱。

首先，根据式(9.1)计算出ϕ=15°，30°，45°，60°，75°，90°时，对第二次褶皱旋转轴倾角δ_K，以吴氏网为工具进行倾斜旋转测量。①将地层复平，I_α=15回到网中心I₀，裂隙极点回到基圆π₀处；②在吴氏网上标上ϕ=15°，30°，…，90°时的第二次褶皱时，旋转轴投影点

，

，

，

，

，

；③将旋转轴

转到网的东西直径上，并转到基圆上的

，与此同时，将裂隙投影点π₀及地层投影点I₀向相同方向沿各自所在小圆转到同样的角度至

，

；④将

移至与网的S极重合；⑤围绕

按要求(第二次褶皱旋转角度)将

和

沿所在小圆转动相同角度(β)至

，

；⑥将

重新移至东—西直径，此时岩层投影点分别为I_β=15，I_β=30，…，I_β=90，相应的裂隙投影点分别为π_β=15，π_β=30，…，I_β=90。

图9.19 纵弯褶皱叠加纵弯褶皱时地层及先存裂隙产状变化极点轨迹图

α—早期褶皱后地层倾角；β—晚期褶皱地层旋转角；ϕ—早晚褶皱轴夹角；f₁—早期褶皱轴；

，

，…，

—与早期褶皱轴呈不同交角的第二次褶皱旋转轴。

岩层水平时投影点；

岩层褶皱后投影点；

岩层水平时裂隙投影点；

第一次褶皱后裂隙投影点；

第二次褶皱后裂隙投影点

图9.20 同轴纵弯褶皱叠加纵弯褶皱时先存裂隙的产状变化

(a)早期褶皱；(b)晚期褶皱后地层倾向与早期褶皱翼部倾向一致；(c)晚期褶皱后地层倾向与早期褶皱翼部倾向相反。f₁、f₂分别为早期褶皱和晚期褶皱轴。

代表裂隙极点；

代表岩层极点；实线代表第一次褶皱后岩层投影大圆；点线代表第二次褶皱后岩层投影大圆；点划线代表裂面投影大圆

旋转后，先存裂隙面的产状数学表达式为

构造应力场控岩控矿

Q=arccos{cosδ—2[sinδcos(ω—ω_K)sinβsinδ_K+sinδsin(ω—ω_K)cosβ+cosδsinβcosδ_K]} (9.3)

式中：ε为先存裂隙旋转后的倾向；Q为先存裂隙旋转后的倾角；δ为先存裂隙的原始倾角；ω为先存裂隙的原始倾向；ω_K为旋转轴的倾向；β为晚期褶皱时地层旋转角的二分之一；δ_K为旋转轴的倾角。

δ_K=arctan[tana·cos(90—ϕ)] (9.4)

式中：a为早期褶皱两翼地层的倾角；ϕ为早、晚两期褶皱轴向的交角，其变化范围为90°≥ϕ≥0°。

下面分别对不同ϕ值的情况进行讨论。

(1)同轴纵弯褶皱叠加纵弯褶皱时先存裂隙产状的转变

当先期褶皱为水平直立褶皱时，如果后期褶皱轴与先期褶皱轴平行，即ϕ=0°，则先期褶皱通常发生再变形，已经褶皱的面再弯曲，褶皱紧闭程度增加，枢纽(轴)及有关线理发生弯曲、变位等。这使原来的褶皱形态复杂化，对称性降低。

当早期褶皱为直立水平褶皱，且主波长L₁大于晚期褶皱主波长L₂时，在经晚期褶皱后，早期褶皱轴面不发生弯曲，而早期褶皱翼部褶皱面再次发生褶皱，使之变成复背斜(形)复向斜(形)。此时先存裂隙产状变化不一致。晚期褶皱后地层倾向与早期褶皱翼部地层倾向一致时，则先存裂隙面倾向不变，但倾角变得更缓。反之，倾角变陡，甚至向相反方向倾斜(图9.19，图9.20)。

若早、晚两期褶皱主波长相等，即L₁=L₂，则随着晚期褶皱强度增加，早期褶皱变得越紧闭，先存裂隙的倾角随地层倾角增大而变缓，其极点沿早期褶皱时的运动轨迹小圆继续向前运移，直至地层直立裂面变成水平。

若早期褶皱随着发展强度逐渐加大，最后变成紧闭的等斜平卧褶皱[图9.21(a)、(b)]时，早期褶皱的一翼地层先是逆(顺)时针下翻，之后又顺(逆)时针上翻；另一翼则持续逆(顺)时针上翻或下翻，从而使两翼先存裂隙产状也随之作相应的旋转[图9.21(c)]。之后若继续发生同轴褶皱，则先存裂隙产状再次围绕f₁(=f₂)旋转[图9.21(d)]。

若早期褶皱主波长小于晚期褶皱主波长，即L₂＞L₁时，先存裂隙产状变化规律与L₁＞L₂时基本相似。

(2)纵弯褶皱斜跨纵弯褶皱时先存裂隙产状的转变

当早、晚两期褶皱斜交时，90°＞ϕ＞0°。此时，旋转轴为晚期褶皱轴面与早期褶皱褶曲面的交线。其旋转产状可由前述公式求得。在这种情况下，早期褶皱面、轴面和褶皱轴、线理将同时发生弯曲变形和变位。在早期褶皱过程中已围绕其褶皱轴f₁发生旋转，产状已发生了改变的先存裂隙将再围绕倾斜轴旋转，产状再次遭到改变，在投影图上的轨迹如图9.22和图9.23所示。其产状变化情况与早、晚两期褶皱强度和早、晚两期褶皱轴向夹角大小有关。同轴叠加裂隙极点轨迹是以f₁为圆心的小圆；斜跨叠加裂隙极点轨迹不成圆弧；横跨叠加裂隙极点轨迹是以f₂为圆心的小圆。

图9.21 平卧褶皱发生同轴叠加褶皱

(a)对称褶曲；(b)两翼直立；(c)平卧褶皱；(d)平卧褶皱发生同轴叠加褶皱。f₁，f₂分别为早、晚期褶皱轴；I为岩层投影极点；π为裂隙极点；实线代表岩层投影大圆；虚线代表先存裂面投影大圆；点线代表下翼

当早期褶皱两翼直立(a=90°)时，由于tanδ_K=tana·cos(90—ϕ)，不管ϕ取何值，δ_K=90°，即晚期褶皱时旋转轴产状与早期褶皱后地层产状相同，演变为横跨叠加(图9.23)。

(3)纵弯褶皱横跨纵弯褶皱时先存裂隙产状的转变

如果早、晚两期褶皱轴垂直，即ϕ=90°时，经第二次褶皱后，地层和先存裂隙的产状均受到改造，其投影极点轨迹如图9.24～图9.26所示，具有如下特征：①地层极点投影为一大圆弧；而先存裂隙极点投影轨迹为一小圆，小圆圆心为晚期褶皱轴，其半径角距随先存裂隙走向而变化。当倾角一定而走向不同的裂隙经两次褶皱后，其小圆半径角距随先存裂隙走向与早期褶皱轴的夹角增大而增大。当先存裂隙走向与早期褶皱轴垂直时，经叠加褶皱后，其极点投影轨迹为一大圆。②当早期褶皱强度一定(a一定)时，先存裂隙产状随晚期褶皱强度加强而改变(图9.25，图9.26)。③当晚期褶皱强度一定，即旋转角β一定时，先存裂隙产状变化与早期褶皱强度有关，随早期褶皱加强而变化加大，其倾斜甚至变得相反(图9.27)。④晚期褶皱强度一定时，走向相同而倾角不同或倾角相同而走向不同的先存裂隙产状随早期褶皱强度而变化(图9.28)。

图9.22 不同走向裂隙在横跨和斜跨叠加中的产状变化规律

(a)未褶皱的原始产状；(b)早期褶皱直立、水平；(c)横跨叠加；(d)斜跨叠加(α=30°，β=40°，ϕ=45°)。

为地层极点；

为与f₁斜交的先存裂隙极点；

为与早期褶皱轴平行的先存裂隙极点；

为与早期褶皱轴垂直的先存裂隙极点；

为晚期褶皱轴；点线代表与早期褶皱轴成40°夹角的裂隙投影大圆；虚线代表与早期褶皱轴平行的裂隙投影大圆；点画线代表与早期褶皱轴垂直的裂隙投影大圆

由上所述可见，在纵—纵褶皱横跨过程中，先存裂隙产状的变化与早、晚两期褶皱的强度和先存裂隙的原始产状有关。

若早期褶皱为倾斜水平褶曲，由于两翼产状不对称，在晚期褶皱中褶曲面旋转轴倾伏角不等，故先存裂隙面经旋转后产状不对称，其极点在投影图上不对称，情况更为复杂。

(4)滑褶皱叠加纵弯褶皱过程中先存裂隙产状的转变

滑褶皱为沿一组S面发生规律的连续滑动而形成。滑褶皱作用与弯滑褶皱作用不同，其b轴不是弯曲轴，其内部所含被动面对于沿滑动面滑动所引起的褶皱来说其变形和伴随的内部旋转必定涉及的是非仿射变换。

当许多不平行的面受到剪切褶皱时，每一个面都以该面与剪切面ab的交线为轴形成圆柱状褶皱(Ramssy，1986)。因为褶皱前地层是水平的，地层与先存裂面的交线与剪切面ab的夹角在变形开始时是固定的，并在整个变形过程中都保持不变，所以裂隙面在剪切褶皱过程中被褶皱成一圆柱状褶曲，其极点为一大圆弧。在流动极不均匀的简单剪切所产生的相似型褶皱系中，新褶皱的轴就是剪切面ab与受到褶皱作用的面的交线。因此，当滑褶皱叠加纵弯褶皱时，先存裂隙面理在早期褶皱过程中，已沿平行轴面的S面滑动，表现出被动状态，所以在后期纵弯褶皱作用叠加时，先存裂隙面通过弯滑褶皱作用，形成平面状圆柱褶皱，其产状变化等同于一次纵弯褶皱作用中的情况。

图9.23 斜跨叠加褶皱时先存裂隙产状变化规律

(a)α=15°；(b)α=30°；(c)α=45°；(d)α=60°；(e)α=75°；(f)α=90°。f₁，f₂分别代表早、晚期褶皱轴；α代表早期褶皱两翼地层倾角；β代表晚期褶皱旋转角度；ϕ代表早、晚期褶皱轴交角；

代表地层极点；

代表裂隙极点；

代表第二次褶皱轴的投影

图9.24 倾角相同而走向不同的先存裂隙在纵—纵横跨叠加时的产状变化规律

f₁、f₂分别代表早、晚期褶皱轴；

代表岩层投影极点；

和

分别代表先存裂隙投影极点；实线大圆弧代表早期褶皱后岩层投影大圆；虚线大圆弧代表纵—纵横跨叠加之后岩层投影

图9.25 早期褶皱强度一定（α=30°），走向相同而倾角不同的裂隙随不同强度的后期褶皱后的产状极点轨迹图

为地层极点；

为第一次褶皱后裂隙产状极点；

和

分别为叠加褶皱后的先存裂隙极点；f₁、f₂分别为早、晚其褶皱轴；

为地层水平时先存裂隙极点

图9.26 早期褶皱强度一定，倾角一定而走向不同的裂隙随后期褶皱强度变化的产状极点轨迹图

代表地层极点；

代表地层水平时先存裂隙极点；

和

分别代表纵—纵横跨后先存裂隙产状极点

图9.27 晚期褶皱强度一定，倾角相同而走向不同的裂隙产状随早期褶皱强度变化极点轨迹图

为地层极点；

和

分别代表地层水平时先存裂隙极点；

和

分别代表第一次褶皱后先存裂隙极点；

和

分别代表纵—纵横跨叠加先存裂隙极点；f₁、f₂分别代表早期和晚期褶皱轴

图9.28 晚期褶皱强度一定，走向相同而倾角不同的裂隙产状随早期褶皱强度变化极点轨迹图

f₁、f₂分别为早、晚两期褶皱轴；

为地层极点；

为地层水平时先存裂隙极点；

为第一次褶皱后裂隙极点；

为纵—纵横跨叠加先存裂隙极点

至于滑褶皱叠加滑褶皱和纵弯褶皱叠加滑褶皱作用对先存裂隙产状的改造有待进一步研究。

最后应该强调的是，上述两期褶皱叠加作用所引起的先存裂隙产状变化是以理想的几何学和运动学模式为基础的，而实际地质情况要复杂得多。由于应变的不均一性，岩层的相对厚度及韧性差变化很大，早、晚两期褶皱规模不同，尤其是褶皱过程中与轴面垂直的压扁作用(flattening)的影响，往往改变理想的几何关系。在具体进行分析时只能求得某种类型的近似结果。

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