影响褶皱形成的主要因素

2025-03-10 15:46:49

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回答1：

褶皱的形态、规模和分布特点不仅与褶皱作用力的方式有密切关系，而且要受许多因素的影响。这些因素主要有层理的发育情况和岩层的厚度，以及岩石力学性质、动力作用的方向和性质、埋藏深度和基底构造等等。下面简要地介绍这些因素对褶皱形成的影响。

图10-41 强烈压扁作用对褶皱的影响(据 P. F. Williams，1988)

1. 层理在褶皱形成中的作用

层理或成层构造使岩石具不均一性，致使岩层受力发生变形时，可以通过层间滑动或层内物质塑性流动而弯曲成褶皱。图10-42 是用蜡和粘土做的实验模型，A 图表示一个下部由三层蜡、上部是一厚块粘土组成的试件。在侧向挤压下，蜡层显示出褶皱，而粘土块只被压缩而变厚，仅在块体表面出现一些皱纹，本身却未表现出褶皱; 如将粘土块分为若干分层，层间铺上易于滑动的蜡纸，再施以侧向压力，则粘土层及其下面的三层蜡就一起形成规则的褶皱 (图10-42B) 。由此可见，结构均一的块状岩体 (如侵入岩体) 受力变形时，岩体被压缩，可能在与主压应力垂直的方向上发育有劈理或片理的挤压带或其他方向的断裂，而不形成褶皱。因此，层理或成层构造是岩石产生褶皱的一个必要条件。

图10-42 蜡和粘土在侧向挤压下的变形

2. 岩层的厚度和力学性质对褶皱形成的影响

岩层的厚薄对褶皱的形态和大小也有显著影响。例如当岩性相似而厚度不同的岩层施加同样的水平挤压力时，则厚岩层往往形成曲率小、波长大的平缓开阔褶皱，而薄岩层则形成曲率大、波长小的紧闭褶皱 (图10-43) 。

图10-43 厚度不同的岩层的褶皱变形形态

岩石的力学性质直接影响褶皱的形态和类型，当岩性不同的两组岩层一起褶皱时，可以发现: 其中一组岩层的厚度不变，以弯滑褶皱方式形成平行褶皱，另一组岩层在转折端显著加厚形成相似褶皱; 或者其中一组岩层形成平缓开阔褶皱，另一组岩层则成为紧闭褶皱。在褶皱转折端一组岩层产生扇状楔形张节理，另一组岩层形成反扇形流劈理等等。常把前一组岩层称为 “强岩层”，后一组岩层称为 “弱岩层”，一般来说强岩层在褶皱中表现为相对刚性层，弱岩层则显示为相对韧性层。

野外观察和实验表明，一套强、弱岩层成互层的岩系发生褶皱，其形态不仅与各层的能干性有关，而且也取决于相邻强硬层的互相影响程度 (图10-44) ，后者又取决于强硬层间的距离及褶皱应变所影响的宽度。

图10-44 不同岩性层互层时的褶皱发育形态

岩层的 “强”和 “弱”是相对的。因为岩层强弱除与岩层成分和结构、构造有关外，还受变形时各种因素 (温度、围压、溶液和应变速率等) 的制约。在一个地区表现为强的岩层，在另一地区却可能表现为弱岩层。在一般情况下，砂岩和页岩互层时，砂岩为强岩层; 石灰岩与页岩或泥灰岩一起褶皱时，石灰岩是强岩层; 但石灰岩与白云岩或硅质灰岩互层时，石灰岩则表现为弱岩层。同一种岩石 (如石灰岩) ，层厚的往往表现为强岩层，层薄的则表现为弱岩层。

毕奥特 (M. A. Biot，1957，1965) 和兰伯格 (1963) 等人通过模拟实验和对野外实际褶皱资料的研究，对在侧向压力下纵弯褶皱发育机制进行了力学和数学分析，论证了褶皱中主导岩层的厚度及其有关的岩层力学性质控制着弯曲作用早期的褶皱波长，提出了主波长理论。毕奥特假设，在即将发生褶皱的岩层中存在着一些低幅度正弦曲线状的微小起伏，这些微小起伏可能在岩层受力前已经存在，也可能是在受力初期因局部失稳而引起的。虽然这些不同波长的起伏在褶皱变形过程中，都有可能成长发育，其中某一波长在变形过程中发育最好，波幅增大也最快，最终控制褶皱的成长和发育，该波长称为主波长(W_d) 。

毕奥特、兰伯格和柯里 (J. B. Currie) 等根据数理分析和模拟实验表明，岩石在小应力的长期作用下，可以看作具有不同黏度的黏性固体，发生均匀缩短或失稳而成褶皱。黏度较高的岩层 (也可称为强岩层) 在褶皱作用中起着主导作用。当黏度较高的岩层夹于黏度较低的介质层中，受纵向挤压发生褶皱时，其初始主波长 (W_d) 的计算公式为:

综合地质学

式中:d为主导层的厚度;μ₁为主导层的黏度，μ₂为介质层黏度，μ₁>μ₂。

从上式可知，褶皱主波长与褶皱中主导层厚度(d)成正比，与主导层和介质层二者的黏度比μ₁/μ₂的立方根成正比。当μ₁/μ₂一定时，即岩层性质差异相同时，不同厚度的岩层形成不同波长的褶皱。厚度小的层形成的褶皱波长小，褶皱数目多，每个褶皱较紧闭;厚度大的层形成波长大而开阔的褶皱。厚度相差很大的多层岩石组成的褶皱，不同厚度的岩层形成波长不同、形态各异的褶皱，在剖面上构成明显的不协调褶皱。

上式还表明，主波长与压应力的大小无关，因为应力只影响褶皱作用的速率而不影响主波长。还有一个值得注意的特征，即当μ₁值与μ₂接近时，主波长值接近于3.46d，这样的褶皱是非常微弱的。因此当W_d/d比值很小(例如小于5)时，则可以认为只有压缩而无褶皱，上述主波长公式就失效了。

3.岩层埋藏深度及应变速率对褶皱形成的影响

地壳中不同深度的岩层，由于所受的围压和温度不同而具有不同的力学性质，因而处于地壳不同深度的岩层发生褶皱时，褶皱作用机制和褶皱形态各有其特点。一般地说，在地表附近的常温、常压下，岩石表现为脆性，以断裂变形为主，难以形成褶皱;在地表以下随着温度、围压的增大，岩石的韧性也随之增高，在较浅处，岩石可能表现为弹性性状，层理所显示的物质不均一性明显，岩层褶皱以弯滑褶皱作用为主，常形成平行褶皱;愈向深处岩石的韧性越高，其性状渐接近理想的黏弹性体，不均一性逐渐消失，褶皱作用也逐渐以弯流褶皱作用和剪切褶皱作用为主，进而变为柔流褶皱作用为主。

4.基底构造对盖层褶皱的影响

基底或深层构造特别是基底断裂构造对盖层或浅层的褶皱形态和组合分布具有较大的影响。例如，有些雁行褶皱就是由基底中的平移断层(走向滑动断层)的水平剪切作用所引起的盖层褶皱。

张文佑等根据野外观察和模拟实验研究，论述了不同组合形式和不同运动方式的基底断裂对盖层褶皱的形态和组合型式的控制关系，钟大赉等人还讨论了深层隆起、深层褶皱、深层断裂、深层不同岩性界面和深层波状古剥蚀面对浅层 (盖层) 褶皱的形态和组合型式的控制关系 (图10-33) 。如基底隆起上的盖层形成大型穹窿，四川威远穹窿就是一例，深层 (基底) 断裂常使浅层 (盖层) 形成不对称褶皱，其陡翼通常反映深层断裂的部位，褶皱轴面和深层断裂倾向一致。在两基底断裂之间的断块部位常形成箱状褶皱，如深层是波状起伏的 “硬化”基底，当侧向挤压时，波状不整合面成为滑动面，则可能在深层的正向地形上出现向斜构造，负向地形上出现背斜构造。

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