盆地(构造)分析PPT课件第六讲 平衡地质剖面的制作-以挤压构造为例.ppt
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1、第六讲 平衡地质剖面的制作 以挤压构造为例 一、导 言 只有了解了逆冲构造带或伸展构造区是如何形成的,我们才有可能了解平衡剖面。 严格地讲,这些不是平衡技术,但它们对于研究构造几何学的工作方法来说是基础内容。 这里,将以挤压构造为例,讨论基本的构造几何形态问题;然后应用已提出的一些方法来系统地分析构造几何形态与变形机制的关系;在此基础上,期望建立可平衡的地质构造剖面。 在此之后,我们才可以进行测量和复原地质剖面,以求“平衡”了。,导 言 最简单的地质情况是,逆冲断层或伸展断层的发展只具单向进程,从一个带的一侧发展到另一侧,并且每个断层构造都遵循同样的发展规律,如断弯褶皱作用。 但由于地层序列、
2、温度或压力的变化及(或)构造应力的变化,这种简单一致的模式实际上是少见的。如断弯褶皱沿走向可以转换为断展褶皱,而后又转换为断弯褶皱等。 这些变化要求我们系统地检查构造沿着或横过走向是如何变化的,以及如何将这些变化纳入我们的平衡剖面。,二、断坡与断坪 Dahlstrom(1970)以褶皱作用在先的观点,探讨了逆冲带的构造。认为滑脱面是褶皱缩短作用的几何结果(图lla)。但是他承认,由于阶梯状逆冲断层形迹引起上盘发生褶皱作用,这种断层作用在先的观点也是一种可能的假说(图11b)。,断坡与断坪 Willis(1893)提出,这两种型式的逆冲断层都存在,并称其为剪逆冲断层(从阶梯形路径处破裂)及破逆冲
3、断层(萌芽于背斜褶皱核部的断层)。Rich(1934)对松树山逆冲构造的断坡一断坪的解释就是有关剪逆冲断层假说的最好例子。,断坡与断坪 认识阶梯状逆冲断层形迹的特点,是借助于平衡剖面方法再造构造几何形态的一个基本方法。 当断层被处理为平面状时(图l2),在滑距、水平错距和地层断距之间仅存在简单的几何关系。,断坡与断坪 但在阶梯状断层中(图l3),滑距是一个一般不等于地层断距的变量;它们是相关的,但不是以一种简单的方式相关。在逆冲作用区通常可见到四种关系: 上盘断坪 下盘断坪 上盘断坪 下盘断坡 上盘断坡 下盘断坪 上盘断坡 下盘断坡,断坡与断坪 这种断坡一断坪逆冲模式使人们对逆冲区的构造组合特
4、征有了许多深入的了解。要想建立可以复原的剖面就需要了解这种组合特征。 Wilson和 stearns(1958)指出,田纳西州东兰特高原逆掩断层中的一系列背斜,每一个都可能与下伏逆冲断层面的断坡有关(图l15),即使其中多数断层并未出露亦是如此。,断坡与断坪 背斜的水平间距是断坡间距的函数。背斜的辐度反映了地层在断坡处的重复量。如果断层继续运动(图16),每个背斜的宽度就会增大,而向斜的宽度则会相应减小。,断坡与断坪 在分析任何一条老剖面或绘制一条新剖面时所遇到的第一个问题就是检查上盘的断坡及断坪是否与下盘的断坡及断坪相匹配,这被称为“模板假说”。上、下盘的断坡及断坪的一致性与断层在运动学上是
5、以剪逆冲断层扩展还是以破逆冲断层扩展无关。复原的断坡其陡缓程度则与逆冲断层的扩展方式有关。剪逆冲断层的断坡一般较缓,而破逆冲断层的断坡倾角是变化的,并且由于相伴的岩层旋转而一般较陡。,断坡与断坪 北美科迪勒拉山的第一批阶梯状逆冲断层的例子是由Douglas(1950)研究出来的,Livingstone逆冲断层(图l7a)尽管现在已发生褶皱,但却是沿着其上盘底部的一层页岩发育的。,Livingstone逆冲断层的主要段落是上盘断坪与下盘断坪叠置在一起的(上盘与下盘层理均大致平行于断层面) (图l7b、c),而且上、下盘共同发生了褶皱。断层在其它段落则陡然切割了别的地层。因此Douglas(195
6、0)将断层的形态复原为一系列的阶梯形。,三、三维逆冲断层的几何学 Wilson和Stearns(1985)不仅分析了田纳西州坎伯兰特逆掩断层的剖面形态,而且研究了其三维空间形态(图21)。断层的前断坡沿走向终止于隐伏“捩断层”出现的地方,反映这些断坡的背斜亦终止于此。 这些“隐伏横断层”或“捩断层”为侧断坡。,三维逆冲断层的几何学 侧断坡这一术语同斜切上盘、下盘及逆冲断层本身的捩断层应区分开来;同那些与运动方向相一致的、发育于上盘及下盘的捩断层也应区分开来;这些捩断层在与它们相切的逆冲断层的两侧地层位置方面并不发生变化。,三维逆冲断层的几何学 三维逆冲断层几何学研究的最好的实例是田纳西州、弗吉
7、尼亚州及肯塔基州的松树山逆冲席(图 22)。,三维逆冲断层的几何学 Harris(1970)及Harris和 Milici(1977)用立体图说明了该逆冲席之下的复杂的下盘几何形态(图23,2一4)。,三维逆冲断层的几何学 松树山迎冲席的侧向终端 Jacksboro及 Russell Fork断层均为侧断坡构造。 就Russell Fork断层和 Jacksboro断层的北西段来说,该逆冲断层的上盘与下盘已发生相对位移,但实际上上盘并未向上叠置到下盘上。 在Jacksboro断片的南东段落则具有上盘的下古生界逆冲叠置到下盘的宾西法尼亚系岩石之上,这些地层后来已被剥蚀掉了。,四、地层断距图解 如
8、前所述,逆冲断层面在三维空间上均呈阶梯形(有前断坡和侧断坡)。在横剖面中从底部断坪到前断坡,再到下一个断坪,地层断距表现出一种系统变化(图31,A 压 A、A压B、A压C、B压C、C压C)。,地层断距图解 横过一个侧断坡,地层断距在纵向上也会发生变化。地层断距图解是把上盘地层相对于下盘地层关系标于地理横座标上(图3一2)。,地层断距图解 在多数平面地质图上,断层在每个层位内运动的相对平面图距离可用于识别断坡与断坪。横剖面中重要的断坪通常在纵剖面内也是主要的断坪。因此地层断距图解可提供如何标出地下逆冲断层路径的信息。,地层断距图解 我们可将美国怀俄明州西部Absaroka和Darby逆冲断层作为
9、利用地层断距图了解逆冲断层几何特征的例子。 在爱达荷一怀俄明一犹他州北部的逆冲带中,若干个逆冲席表现出逆冲断层位置的侧向变化,这种现象被认为是由于侧断坡的存在的缘故(图3一4,AB)。,地层断距图解 Darby逆冲断层在McDougal山(MtM)向北并向上切过了近300m的地层剖面(A),在该逆冲带北部,Absaroka前缘逆冲断层向上切割剖面;向南,其分支与St.John逆冲断层相连(B)。,地层断距图解 Absaroka逆冲系统的纵向地层断距图解(图35),在蛇河表现出一个重要的转换带(侧断坡)。 Darby逆冲断层除在McDougal山(MtM)向北并向上切过了近300m的地层剖面(A
10、点)形成一个小型侧断坡外,在蛇河也表现出一个重要的转换带(侧断坡)。,地层断距图解 在图解上Absaroka(St.John)逆冲断层的上盘迹线与St.John逆冲断层的迹线一致,这说明,虽然在蛇河南北的不同山脉中该逆冲席具有不同的名字,但它们都是这同一逆冲席的底界。在蛇河以北,Absaroka(虚线)上盘是一个介于主逆冲席及其下盘之间的独立的逆冲席。图中垂直的实线表示地层断距在从Bbsaroka(St.John)逆冲断面上分出来的分支断层处的变化。,断层优选图解 Dahlstrom(1970)介绍了断层优选图解(FPD直方图解,图36),用来说明加拿大落基山山麓带和前山带中,在每个地层单位中
11、的断层长度(在平面图上测量)。相对断层优选值是将每一个地层单位内断层线的平面长度除以该地层的厚度,然后将每个值进行标准化处理而得出的。,断层优选图解 Dahlstrom的图解仅考虑了下盘的地层,其实也可考虑整个地层剖面。FPD直方图可用来在一个地区判断最适于发生滑脱的层位。另一方面,在地形起伏较大的地区,断层线是弯曲的,因而相对于地形平缓的地区来说,其平面长度将会被夸大。,五、切层线图 由平面图件资料识别二维及三维构造几何形态最好的方法之一就是绘制切层线叠置图(图4l)。切层线是地层界面与断层面的交线。如果切层线在平面图上呈间隔较密的排布(在岩层厚度较稳定的情况下),则这些切层线就可以指示一个
12、断坡区;如果它们的排布间隔很大,则可指示断坪区(图4一2)。平行于逆冲断层区域走向的切层线明确表示了前断坡,斜交区域走向的切层线则表示斜或侧断坡。,切层线图 Absaroka和 Darby逆冲断层为了解切层线如何说明构造几何形态提供一个很好的例子。在Darby逆冲断层的McDougal山地区(图4一3),Darby逆冲断层的地层断距图解(图35)表明了一个向北上切的断坡。这是一个斜侵蚀面上的前断坡还是受到侵蚀的向北上切的侧断坡呢?,该区的Darby逆冲断层发生了褶皱,造成了几个凹部并使其产状近于水平。密西西比系宾夕法尼亚系界面的切层线,在McDougal山南侧,位于主断层线以东(已侵蚀);在M
13、cDougal 山北侧,则刚好位于断层线以西;在MtM,切层线的走向与区域逆冲断层的走向以直角相交;因此勾画出一个侧断坡。,切层线图 如果看一下Darby和Absaroka的平面图型式(图4一3),就会看出,在大尺度的逆冲带区域延伸上。在一条东西向的线上,两个主逆冲断层均向西凹进。 Absaroka逆冲断层的地层断距图解(图 35)显示出该区 Absaroka冲断面的地层位置未发生变化。,为什么会出现向西的凹进?如果考虑到Darby逆冲断层上盘的向北上切的侧断坡必然会在它后面留下一个对应物,即下盘的向北上切的侧断坡,问题就易于解释了。 Absaroka断面的等高线(以断面构造之下寒武系沿脱面的
14、地层深度计)显示出一个侧向的向南数百米的下降。这与预计的Darby的下盘侧断坡存在位置及辐度上均一致。对 Darby逆冲断层侧断坡的了解也解释了 Absaroka逆冲席的构造。,切层线图 切层线的型式对于确定局部逆冲顺序也提供了一个系统的方法。在一正常的阶梯状逆冲断层上,从后陆到前陆出露地层逐渐变新的切层线(图4l)。如果切层线是以这种方式有规律地变化的,则有理由认为,该断层切穿了一套原先未发生过变形的地层,而且逆冲顺序是从后陆向前陆发展的。切割早期褶皱(图44)或逆冲断层的断层将会显示不规则的或系统反向的切层线型式。,六、逆冲断层系 为了编制和平衡地质剖面,有必要进一步了解褶皱逆冲系统中典型
15、的几何形态,这些典型的几何学模式可以帮助我们了解理想的构造是如何配置在一起的;为我们在缺乏露头及详细资料的地区建立剖面提供类比的依据;此外,逆冲断层的几何形态还可以提供地质构造的运动学及演化方面的线索,这在地质剖面的运动学平衡方面是非常重要的。,单一逆冲席的几何形态。 一个简单显露的逆冲席由其前缘的显露断层(首缘断层)及尾部的尾缘断层(下一个逆冲席的首缘断层)所围限(图6la)。在一个逆冲席中通常可出现三种类型的褶皱:在逆冲席位移通过下伏逆冲断层的断坡时,由于弯曲作用形成的断坡背斜;由于逆冲席内部缩短作用引起的席内褶皱和逆冲席前缘的紧闭褶皱。席内褶皱通常以“盲”叠瓦构造为核,这是由于上覆褶皱的
16、缩短作用需要下伏的叠瓦构造的缩短作用来平衡(Faill,1969,1973)。Suppe(1983)称断坡背斜为断弯褶皱( faultbend fold), Suppe和Medwedeff(1984)将核部具叠瓦断层的褶皱定义为断展褶皱(faultProPagation fold)。,单一逆冲席的几何形态。 上述逆冲构造类型可定义为“前冲”,因为逆冲席内所有的构造均倒向前陆,所有的位移亦朝向前陆。大多数逆冲系主要由前冲断层组成。但不同规模的逆冲断层也可指向后陆,如果一套理想的水平岩层受到平行层理的水平缩短作用,前冲断层与后冲断层发生的机会应是同等的。加拿大西北地区的弗兰克林山脉就是一个同时兼有
17、前冲及后冲构造的例子(图61b)。在向克拉通方向变尖的沉积楔内,层面向后陆倾斜。主逆冲断面及前冲断层通常利用这些与相应的剪切面呈低角度的先存薄弱面,而更易发育。 由于断坡处的应力集中,也可见到后冲断层(图6-1c)。,简单的逆冲系 逆冲叠瓦构造(图62)形成时可以出露于地表,也可能以盲断层的形式向上消失于褶皱的核部,或向上并入一条先存的逆冲断层而形成双重构造。,简单的逆冲系 位于一条主逆冲断层上盘的位移量较小的叠瓦构造称为“首叠瓦扇”,位于一条主逆冲断层下盘的位移量较小的迭瓦构造称为“尾叠瓦扇”。一般认为首迭叠瓦扇的发展顺序为“后展”式,而尾迭瓦扇的发展顺序是由后陆朝向前陆的“前展”式。 应当
18、注意的是,在侵蚀之后,盲逆冲断层的端缘及双重构造的顶板断层均可被侵蚀掉,这样,二者均具有出露的叠瓦扇的平面图型。,盲逆冲系 扩展端缘位于地下的逆冲断层称为盲逆冲断层。其位移向剖面上部转入褶皱,这可能是逆冲断层扩展的结果,也可能是滑脱作用的结果。核部无逆冲断层的滑脱褶皱或 Dahlstrom的“同心褶皱”通常被称为“抬离”褶皱。另外,逆冲断层的位移还可转人透入性变形带或强压溶带。,盲逆冲系盲逆冲断层系可以包括很大的断坡褶皱,并具有类似于大多数逆冲席的几何形态,所不同的是,前部逆冲断层的端缘不出露(图63)。,盲逆冲系 确定现今仍存在的“盲冲断层”可能相对容易,但确定古“盲冲断层”可能较难。古老的
19、逆冲带一般自形成之后均经历了长期的侵蚀作用,现在出露的断层可能当时是盲逆冲断层。因此,如果没有保留同造山的碎屑沉积(已剥蚀),我们就无法确定一条逆冲断层是否是盲断层。 如果一个逆冲席冲到了它本身的岩屑堆之上,即使同造山沉积物(未固结的)连续地覆盖了逆冲断层的前缘,这条逆冲断层亦应被认为是出露的。如果同造山岩屑堆不明显,且逆冲断层现在出露地表,其位移量可达数十公里,这样的逆冲断层亦可能是出露的。,双重构造几何形态的变化 一个主逆冲席一旦发生运动(图64a),新的一条逆冲断层可以从逆冲席的前方发育。如果它不与早期逆冲断层联合,则仅形成一个叠瓦分叉断层;如果第二代逆冲断层与主逆冲断层联合,则形成一个
20、马石断片(horse)。与主逆冲断层联合的一系列次级逆冲断层造成一组叠置在一起的隐伏断片(马石)即双重构造。 双重构造最主要的运动发生在主上盘和断片之下的主断层上。断片之间的逆冲断层通常是不活动的。 理论上讲,断片的规模可以变化很大。怀俄明的Absaroka逆冲系统中识别出的断片走向长度可由50m到15km,断片的位移量变化亦很大。,双重构造几何形态的变化 双重构造的几何形态取决于位移量(图64b)。如果在一个双重构造中,每个叠瓦片的位移量和间距是常数,而且单个叠瓦片的位移量接近变形前叠瓦片间距的一半,则形成一个“正常的”平顶的双重构造,叠瓦片内的构造向后陆倾斜(倾向后陆双重构造)(图64d)
21、。当叠瓦片的位移量与间距相等时,则形成“背形垛”(图64e)。当位移量接近间距的两倍时,则会形成平顶的“向前陆倾斜的双重构造”(图64f、 g)。,双重构造几何形态的变化 如果叠瓦片上的位移量小于间距的一半,则会形成一个具“崎岖的”或“波形的”顶板的双重构造。如果叠瓦片的位移量比间距小得多,就会形成隔离的断坡背斜。严格按术语来说这种情况仍然属于双重构造。因为这些叠瓦断层仍是从一个单一的底板断层分叉出来又并入一个单一的顶板断层。然而,这种构造缺乏一般双重构造的那种紧密的叠瓦排列(图68)。,双重断层带的几何形态 最常见的双重断层带由顶板逆冲断层、底板逆冲断层及夹于它们之间的迭瓦断片组成,每个叠瓦
22、断片的位移量一般小于顶、底板逆冲断层的位移量。顶板逆冲断层可以是平的或波状的,可以平行于层理或以低角度向上切割地层剖面,每个断片中的地层均褶皱呈长S型,其首缘为上盘断坡,尾缘为下盘断坡。,双重断层带的几何形态 双重断层带最好的实例之一(可能并非最简单的)出露在加拿大落基山LeWis逆冲席的 Cate Creek和 Haig Brook构造窗(图 66)。 Fermor和 Price(1976)利用 Haig Brook构造造窗的陡崖露头,建立了该构造的一条平衡剖面。,双重断层带的演化 Boyer建立了各种模式,并对不同的逆冲顺序产生的几何形态进行了分析。这些模式可归为两大类,即向前的扩展序列及
23、向后的扩展序列。逆冲断层由后陆向前陆扩展的模式似乎是唯一能够使预期的和观察到的双重构造几何形态相附合的模式(图67a)。,双重断层带的演化双重构造形成了一个从下部滑脱面到上部滑脱面的位移传递带。图 67a中表示了一个由三个叠瓦片的发育而组成的双重构造。初始状态包括一个位移量为S0的主逆冲席。当一个叠瓦片就位时,其位移S1向上转入顶板逆冲断层,则主逆冲席的位移量成为S0S1。后两个叠瓦片的演化亦是如此。,双重断层带的演化当沿活动的底板断层的位移减弱时,双重构造下面的位移就增加到其前方的顶板断层上。例如,叠瓦片1的顶板位移量为S0,其底板可达S1S2S3,而叠瓦片3的顶板位移量是S0S1S2,其底
24、板位移量仅为S3,双重构造前部(上滑脱面)与后部(下滑脱面)的位移量是相等的,为S0S1S2S3。,双重断层带的演化 双重构造和断坡背斜可以相互重叠、干扰,形成复杂的组合型式(如 Mitra, 1986,图68)。,双重断层带的演化 在一个真正的双重构造中,顶板及底板逆冲断层均不切割每个断片中的层理。但在违序双重构造中,顶板断层可能重新活动; 或一条平缓逆冲断层切过一个先存的叠瓦扇(图67b)。,双重构造沿逆冲带形成后,可以在后期逆冲带演化中受到再次变形。此外,逆冲带变形区可常见倾向前陆的后期伸展断层带(Wojtal,1986),这种晚期的伸展断层作用都会强烈地破坏早期形成的简单的压性的双重构
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