斷層轉折褶皺相關研究及應用的分析

(成都理工大學 四川 成都 610059)

一、斷層轉折褶皺模型

(一)概述

斷層轉折褶皺的幾何學首先是由Rich(1934)在研究阿巴拉契亞山低角度逆掩斷裂作用時提出的，半個世紀之后，Suppe(1983)將其定量化，建立了斷層形態與褶皺形態之間的幾何學關系，以及斷層滑動與褶皺發育的運動學模型。

斷層轉折褶皺是由于斷層轉折彎曲，斷層上盤巖石在下伏斷層轉折部位發生運動時形成，上盤巖石以形成膝折帶式褶皺來調節沿著斷層面的滑動。可分為2種基本類型：上凹式斷層轉折褶皺和上凸式斷層轉折褶皺。斷層轉折褶皺作用沿固定在斷層轉折處的活動軸面發生，當地層在活動軸面處產生褶皺以后，將沿上部斷層段發生平移。不活動軸面表示斷層滑動剛剛發生時沿活動軸面的質點顆粒的位置。它與活動軸面界定的膝折帶的寬度與斷層滑動量成正比。

(二)斷層轉折褶皺的特征

1)上凹式斷層轉折褶皺的活動軸面為向斜軸面固定在斷層轉折處，相對下盤固定，上盤物質通過其向前運動。不活動軸面為背斜軸面相對上盤固定，隨上盤一起向前運動，斷層轉折后斷層滑動量變大；上凸式斷層轉折褶皺的活動軸面為背斜軸面固定在斷層轉折處，相對下盤固定，上盤物質通過其向前運動。不活動軸面為向斜軸面相對上盤固定，隨上盤一起向前運動,斷層轉折后斷層滑動量變小。

2)隨著斷層滑動量的加大，膝折帶變寬。

3)只有不活動軸面和活動軸面之間的地層產狀變化，為一不協調塊體。

4)若斷層是圓滑轉折，褶皺的產狀也是圓滑變化。

5)當存在沖斷層斷坡時，將形成斷坡背斜。連接上、下滑脫層(斷坪)的斷坡經歷了兩次斷層轉折，因此，斷坡背斜實際上是前翼背斜式斷層轉折褶皺與后翼向斜式斷層轉折褶皺的復合體，即復合式斷層轉折褶皺作用。

(三)剪切斷層轉折褶皺模型

經典的斷層轉折褶皺是在斷坡上地層發生撓曲滑動形成。John Suppe(2004)考慮到軟弱巖層在形成斷層轉折褶皺的過程中的剪切變形作用，提出了剪切斷層轉折褶皺作用理論。剪切斷層轉折褶皺在變形時具有較大的非彎滑分量，形成一類特征鮮明的斷坡背斜，體現在:背斜后翼傾角較斷坡角要小，在很多情況下遠遠小于斷坡角；后翼的生長構造具有翼旋轉的特點；背斜前翼短、后翼長，后翼的寬度不等。分為單剪斷層轉折褶皺和純剪斷層轉折褶皺2種基本類型。

單剪斷層轉折褶皺：滑脫層遭受外部施加的層平行簡單剪切，無底部斷層。軟弱巖層在斷層轉折褶皺發育過程中在斷坡上縮短與增厚，褶皺后翼會向上旋轉。

純剪斷層轉折褶皺：滑脫層在底部斷層上滑動，在斷坡之上發生縮短與加厚，而無外加的層平行單剪。軟弱巖層在斷層轉折褶皺發育過程中剪切變薄，褶皺后翼會向下旋轉。

(四)斷層轉折褶皺角度計算

假定褶皺過程中地層厚度與層長守恒，則斷層形態與褶皺形態之間存在如下的關系(圖1)。

γ：褶皺翼間角的一半

θ：斷層轉折前地層和斷層的夾角

β：斷層轉折后地層和斷層的夾角

φ：斷層轉折前和轉折后的角度變化量

上述公式中，有兩個定量等式，所以如果已知其中兩個角的數值，另外兩個角就可以根據上述公式計算出。

圖1 斷層轉折褶皺的地質模型[1]

二、斷層轉折褶皺剝蝕后的識別

在野外實際地質情況中地層常被剝蝕，這對于斷層轉折褶皺的識別造成了很大的困擾。不同剝蝕程度的識別方式如下:

1.地形水平，地層褶皺，斷層轉折，此種情況的鑒別與未剝蝕的斷層轉折褶皺基本相同。

2.斷層上盤被剝蝕，地層沒有褶皺，斷層面上有擦痕。

3.只能見到褶皺的前翼，前翼呈不協調侵入體，這是這種情況識別最重要的標志。與斷層滑脫褶皺的區別是斷層滑脫褶皺常發育多個褶皺，形成隔擋式褶皺或隔槽式褶皺。

三、斷層轉折褶皺理論的應用

(一)地震剖面解釋

斷層或褶皺在地層剖面中的同相軸不清晰或很雜亂，這對剖面的解釋會造成很大的困擾。運用斷層轉折褶皺理論可以對剖面進行較準確的解釋：

1.先根據斷層轉折褶皺特點鑒別是否是斷層轉折褶皺：

(1)斷層的上盤褶皺變形，下盤不變形或變形程度小于上盤；

(2)只有活動軸面和不活動軸面之間的地層產狀變化；

2.根據斷層轉折褶皺模型解釋剖面。

(二)構造形成時期確定

斷層和褶皺同時形成，確定斷層形成時期即可確定褶皺形成時期；確定褶皺形成時期即可確定斷層形成時期。

(三)構造形成機制分析

斷層和褶皺的成因有聯系，在斷層轉折褶皺的形成過程中，可能會發育多條次級小斷裂將構造復雜化。也可能在形成斷層轉折褶皺之后疊加其他構造，或者先存構造疊加斷層轉折褶皺。運用斷層轉折褶皺理論，有助于構造形成機制的分析。

(四)構造恢復

斷層和褶皺同時形成，恢復時要同時恢復。