褶皺巖層高角度斜交構(gòu)造裂縫的形成機(jī)制

董有浦 ,堅潤堂,肖安成,李旭英

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源學(xué)院 地球科學(xué)系,云南 昆明 650093;2.浙江大學(xué) 地球科學(xué)系,浙江 杭州310027;3.中國有色金屬工業(yè) 昆明勘探設(shè)計研究院,云南 昆明 650051;4.昆明理工大學(xué) 城市學(xué)院建筑學(xué)系,云南 昆明 650093)

0 引言

構(gòu)造裂縫的發(fā)育往往與褶皺、斷層等構(gòu)造密切相關(guān)(Mitra,2002;鄧虎成,2009;李樂等,2011;董有浦等,2013)。在巖層彎曲變形的過程中,不同階段的主應(yīng)力作用方向不同(Bobillo-Ares et al.,2000;Smart et al.,2010),造成不同構(gòu)造部位的裂縫類型及分布特征也不相同(圖1a)(Stearns,1968;Bergbauer and Pollard,2004;Ghosh and Mitra,2009)。野外觀測發(fā)現(xiàn)與層面斜交的構(gòu)造裂縫在褶皺巖層中廣泛發(fā)育,尤其與層面高角度斜交的、產(chǎn)狀與Riedel剪切(Bartlett et al.,1981;Ahlgren,2001)中的 X和 R′型裂縫(圖1b)相近的構(gòu)造裂縫則更為常見。盡管R和R′裂縫為共軛關(guān)系,但兩者在 Riedel剪切裂縫的發(fā)育過程中形成順序不同。在剪切作用過程中首先發(fā)育低角度的R和P裂縫,然后再發(fā)育R′裂縫(Dresen,1991)。

對錢塘坳陷南緣的富陽–臨安地區(qū)褶皺巖層的野外考察中,我們發(fā)現(xiàn)與層面高角度斜交的裂縫廣泛發(fā)育。目前,對于這種發(fā)育于褶皺巖層中的與層面高角度斜交的構(gòu)造裂縫的形成機(jī)制存在較大爭議。本文通過對富陽–臨安地區(qū)褶皺巖層中該裂縫的系統(tǒng)觀測,具體包括裂縫發(fā)育的構(gòu)造位置、產(chǎn)狀、巖性等,并在野外觀測的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有的研究成果,對這種裂縫的形成機(jī)制進(jìn)行了分析。該地區(qū)不同巖性的巖層出露較好,為研究的順利開展提供了必要的基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及研究方法概述

研究區(qū)位于下?lián)P子地塊南緣的浙江省富陽–臨安市,區(qū)域構(gòu)造位置處于錢塘坳陷南部,是下?lián)P子地塊的一個次級構(gòu)造單元(圖2a),靠近揚子地塊和華夏地塊的結(jié)合部,現(xiàn)今構(gòu)造總體發(fā)育了一系列NE-SW和NW-SE向斷層(姚琪等,2010),研究區(qū)內(nèi)印支期構(gòu)造運動是最重要的一次構(gòu)造運動,表現(xiàn)為寬緩的褶皺構(gòu)造,形成了明顯的NE向構(gòu)造體系,擠壓應(yīng)力方位呈NW-SE向,印支運動奠定了該區(qū)的主體構(gòu)造格架。而燕山期構(gòu)造運動較為強(qiáng)烈,在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出明顯的繼承性,造成早期構(gòu)造復(fù)活的現(xiàn)象。主要出露地層為古生界–中生界,巖性主要為砂巖、粉砂巖、火山凝灰?guī)r等。

圖1 與褶皺相關(guān)的構(gòu)造裂縫(a) (據(jù)Stearns,1968)和里德爾裂縫(b) (據(jù)Bartlett et al.,1981;Ahlgren,2001)Fig.1 Maps showing Stearns’ model of fold-fractures (a) and characteristic array of Riedel fractures (b)

2 研究區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育特征

2.1 上侏羅統(tǒng)勞村組火山凝灰?guī)r裂縫發(fā)育特征

該剖面的構(gòu)造位置屬于臨安–富陽背斜的 NW翼(圖2b中剖面 1),巖性為上侏羅統(tǒng)勞村組火山凝灰?guī)r。巖層發(fā)生彎曲變形,在巖層中發(fā)育了與層面高角度斜交的構(gòu)造裂縫(圖3),裂縫與層面夾角變化范圍為75°~80°。裂縫發(fā)育明顯受到層面限制。

2.2 中志留統(tǒng)康山組裂縫發(fā)育特征

圖2 下?lián)P子地區(qū)構(gòu)造單元簡圖(a)(據(jù)朱光等,1999)和研究區(qū)地質(zhì)簡圖(b)(據(jù)Dong et al.,2014)Fig.2 Geological map of the study area

該剖面中巖層為厚層至塊狀砂巖,出露良好。其構(gòu)造位置屬于富陽–臨安背斜的SW翼(圖2b中剖面2),地層較為陡傾,產(chǎn)狀為150°∠60°(圖4),主要的構(gòu)造裂縫與層面呈高角度斜交,兩者夾角主要為72°~80°,其發(fā)育同樣受到層面的限制。

本文結(jié)合曾聯(lián)波等(2009)和 Petracchini et al.(2012)對裂縫產(chǎn)狀的研究,將與層面夾角為 70°~80°的構(gòu)造裂縫稱為高角度斜交裂縫,夾角為 30°~70°的稱為傾斜相交裂縫,夾角小于 30°的稱為低角度斜交裂縫。

圖3 上侏羅統(tǒng)勞村組火山凝灰?guī)r高角度斜交裂縫Fig.3 Photograph showing the structure fractures of the Upper Laocun Group

研究區(qū)內(nèi)多處露頭均可見高角度裂縫的發(fā)育(Dong et al.,2014),綜合各露頭點裂縫發(fā)育的特點,可見褶皺翼部多發(fā)育高角度斜交的裂縫,而低角度斜交及傾斜相交裂縫發(fā)育較少。Petracchini et al.(2012)在野外觀測中發(fā)現(xiàn)褶皺翼部巖層該種裂縫廣泛發(fā)育,而且隨著構(gòu)造的演化不同巖層中的高角度斜交裂縫可逐漸連接起來,形成一系列的逆斷層。Price (1965)、Stearns (1968)、Fischer and Wilkerson(2000)、Bergbauer and Pollard (2004)認(rèn)為這種高角度斜交裂縫是在褶皺過程中形成的同褶皺裂縫。

3 構(gòu)造裂縫形成機(jī)制分析

3.1 褶皺過程中拉張應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的變化

褶皺變形過程中,外弧遭受拉伸,而內(nèi)弧主要受到擠壓,但是主應(yīng)變軸與層面并不平行或垂直。以巖層中和面上部的外弧為例(圖5),在中和面上任意一點的垂直矢量(n)代表最小主應(yīng)變軸、切向矢量(t)代表最大主應(yīng)變軸,其可由公式(1)表示(Struik,1988)。其中,X代表中和面上任意一點的橫坐標(biāo),而ρ為褶皺巖層的曲率半徑。

未變形的點K(X,0)為變形點J(X,Y)在中和面上的投影點,過變形點j做垂直于中和面的直線,此直線與中和面相交于k點(圖5a,b)。K點與k點、J點與j點的關(guān)系分別為:

由未變形的J點轉(zhuǎn)換到變形的j點可由公式(3)表達(dá):

其中,h(X,Y)可以通過(4)、(5)、(6)和(7)式得到。

(3)和(4)式為j分別對X,Y求導(dǎo),

由于巖層在變形的過程中,面積保持不變,此時滿足公式(6).

公式的通解為(7)式所示,其中f(X)為任意函數(shù)。

當(dāng)Y=0,h(X,Y)=0式,f(X)=0。根據(jù)(7)式得到(8)式:

圖5 褶皺過程中中和面位置的變化及造成的垂向、切向矢量的變化(巖層彎曲變形后,層面與中和面不再平行,巖層(除中和面)受到斜交的擠壓應(yīng)力和拉張應(yīng)力作用)Fig.5 Plots showing the initial (a) and finite (b) position of the neutral line,and tangential and longitudinal vector of layer (c)

(8)式的解為:

H(X,Y)的偏導(dǎo)數(shù)為(9)和(10):

將(9)和(10)式帶回(3)和(4)式,可以得到巖石的變形梯度F,如(11)式所示:

根據(jù)(11)式可知,在褶皺變形后,外弧中任意一點切向的矢量t'與 t的夾角為 α(圖5c),如(12)式所示:

由(13)式可見在褶皺變形后,外弧中任意一點切向的矢量t'與t的夾角α與巖層的曲率半徑、與中和面的距離有關(guān)。除在褶皺軸面處以外,兩者的夾角 α均不為 0。也就是說,褶皺變形的巖層(除軸面處以外)中主應(yīng)變軸均不與層面平行或垂直,巖層外弧受到與層面不平行的拉伸作用,而內(nèi)弧則受到與層面不平行的壓縮作用(圖6)。

這一部分重點導(dǎo)論了褶皺過程巖層中應(yīng)力的方位變化問題,而至于應(yīng)力強(qiáng)度及在這種應(yīng)力作用下形成的裂縫強(qiáng)度、密度,我們尚不清晰,還需要進(jìn)一步的研究。根據(jù)Lacazette (2009)對裂縫方位與應(yīng)力方位之間關(guān)系的分析,在上述這種應(yīng)力作用下形成的裂縫與層面斜交。

3.2 層間滑動作用的影響

剖面2所在位置附近的巖層存在層間滑動作用(Dong et al.,2014),那么裂縫是不是在層間滑動作用下形成的呢？這種與層面高角度斜交裂縫的產(chǎn)狀與 Riedel剪切(Bartlett et al.,1981;Ahlgren,2001)中的X和R′型裂縫(圖1b)較為相近。巖層在彎滑作用下發(fā)生褶皺變形,在褶皺變形的過程中相鄰巖層存在相對的滑動作用。層間滑動作用對巖層中應(yīng)力分布有較大的影響(Smart et al.,2009),當(dāng)厚薄或軟硬巖層相間組合時,夾持在其間的薄巖層或軟巖層會發(fā)育層間褶皺(易順華等,2007)。如果層間滑動形成的剪切作用導(dǎo)致了裂縫發(fā)育,其形成的裂縫組合如圖1b所示。

圖6 褶皺過程中巖層受到與層面不平行的應(yīng)力作用Fig.6 Plot showing the folded rocks under inclined tensional stresses

如果該裂縫為 R′裂縫,根據(jù) Riedel剪切發(fā)育的順序,在剖面中應(yīng)該有 R裂縫的發(fā)育,但在各剖面中卻沒有發(fā)現(xiàn)與層面低角度斜交的R裂縫發(fā)育。而X型裂縫的形成機(jī)制存在爭議,Dresen (1991)認(rèn)為其可能是由 R′型裂縫是旋轉(zhuǎn)而成的。但是,由 R′裂縫旋轉(zhuǎn)為X裂縫的過程中旋轉(zhuǎn)角度約為30° (Labuz et al.,2006;Misra et al.,2009),形成的剪應(yīng)變?yōu)?.58。在如此大剪應(yīng)變下,巖層中很難不發(fā)育新的斷裂。其次,這種脆性的斷裂變形過程在前,塑性旋轉(zhuǎn)變形在后,與一般變形發(fā)育過程相矛盾。

綜合已有研究成果及本次研究野外實際觀測,本文認(rèn)為剖面中高角度斜交裂縫并不是層間剪切形成的 R′和 X裂縫,而很可能是在褶皺變形過程中,巖層外弧受到與層面不平行的拉伸作用,而內(nèi)弧則受到與層面不平行的壓縮作用下形成的裂縫系統(tǒng)。

4 結(jié)論

通過對錢塘坳陷南緣的富陽–臨安地區(qū)褶皺巖層及其發(fā)育的構(gòu)造裂縫進(jìn)行分析,取得了以下幾點認(rèn)識:

(1) 與層面高角度斜交的構(gòu)造裂縫多發(fā)育在褶皺翼部,而相同剖面中低角度斜交裂縫發(fā)育較少或不發(fā)育。

(2) 根據(jù)對高角度斜交構(gòu)造裂縫地質(zhì)特征的觀測,其不同于前人報道的層間滑動作用形成的裂縫。

(3) 在褶皺變形過程中,巖層外弧受到與層面不平行的拉伸作用,而內(nèi)弧則受到與層面不平行的壓縮作用,高角度斜交裂縫很可能是在這種機(jī)制下形成的。

致謝:感謝本文的審稿專家,你們的寶貴意見顯著提高了本文的質(zhì)量,同時感謝參加野外測量工作的浙江大學(xué)地球科學(xué)系的劉聃、龔根輝、畢彪同學(xué)。

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