岩层(石)具有塑性状,在蠕变(构造力作用下)状况下,会发生弯曲,而且总体呈现出一种连续状态,这种变形在地质术语中称为褶皱。形成褶皱的变形面多数是层理面(图4-1),变质岩中的劈理、片理或片麻理以及岩浆岩中的原生构造等也可成为褶皱面,即便是节理面、断层面或不整合面,受力后也能变形形成褶皱。
图4-1 褶皱构造形态野外实景
自然界的褶皱千姿百态,规模相差悬殊,大至卫星图像上的区域性或地壳规模的褶皱,小至手标本或显微镜下的微观褶皱。
野外褶皱现象的识别与分析,对于揭示一个地区的地质构造形成规律和发展史具有重要意义,另外,许多矿产资源以及石油、天然气、地下水等都受褶皱构造的影响和控制。因此,研究褶皱构造具有重要的理论和实际意义。
一、褶皱的基本类型
从单一褶皱面的弯曲形态看,褶皱就是岩层的弯曲,分背斜和向斜两种基本类型。在正常情况下,背斜构造表现为中部上拱,中间地层相对较老,两侧岩层向外(相背)倾斜(图4-2)。向斜构造表现为中部下凹,中间地层相对较新,两侧岩层向内(相向)倾斜。背斜和向斜往往是相邻相间存在的,所以相邻的背斜和向斜之间的翼部为两者所共有,并且核部与翼部之间没有确切界线。若在褶皱岩层新老层序不清或褶皱的变形面是其他构造面时,人们则将向上弯曲的构造形态称为背形,向下弯曲的构造形态称为向形。
图4-2 褶皱在平面和剖面的出露特征块段图
值得指出的是,沉积岩层在大多数情况下背形常常就是背斜,向形就是向斜,但在倒转岩层中发育的褶皱常表现为向形背斜(扇形背斜)和背形向斜(扇形向斜)。这种褶皱在变质岩区或叠加褶皱区普遍发育,我们要格外加以甄别。
二、褶皱要素
为了正确描述和分析褶皱,人们将褶皱的各个组成部分称为褶皱要素。褶皱要素主要有核、翼、转折端、枢纽、轴面、轴迹、脊与脊线、槽与槽线、褶轴(图4-3)。
图4-3 褶皱要素
(一)核
核系指平面、剖面上褶皱构造——背斜或向斜中心部位的地层。这是一相对的概念,随着地表剥蚀程度的不同,核部地层的时代会有变化。一般说,中心部位地层最老(背斜)、地层最新(向斜)称为核部,若它们相对较老或相对较新时,则可称为轴部。
(二)翼
翼系指同一褶皱构造核部两侧的地层。背斜两翼的地层时代较核部的新。
(三)转折端
转折端系指背斜或向斜两翼地层汇合转折的部位,也是岩层弯曲最大的部位。转折端形态在平面上和剖面上有相似性,转折端的形态有多样(图4-4)。值得说明的是,若倾伏背斜在平面上的转折端称为倾伏端(外倾转折端),向斜在平面上的转折端称为扬起端(内倾转折端)。
图4-4 转折端形态示意图
(四)枢纽
枢纽系指同一褶皱面上最大弯曲点的连线。枢纽可为直线、曲线;也可为水平线、倾斜线。枢纽的延伸方向,反映褶皱的延伸方向和褶皱的空间形态(图4-5)。枢纽的方位角通常称为褶皱的轴向。枢纽产状通常用倾伏向和倾伏角定义,倾伏向即枢纽的倾伏方向,指在包含枢纽线的直立面上测量的与枢纽倾伏方向一致的直立面的走向,倾伏角为枢纽与包含枢纽的直立面走向线之间的夹角。
图4-5 不同形态产状的褶皱枢纽示意图
(五)轴面
同一褶皱内各相邻褶皱枢纽连成的面,称为轴面。或者说,轴面是大致平分褶皱两翼的对称面。它是一标志面,可为平直面、曲面。在野外工作时,要对轴面量测其产状要素。
(六)轴迹
轴迹系指轴面和地面的交线,或者说,轴面与任意平面的交线。
(七)脊与脊线,槽与槽线
(1)脊与脊线:脊是指背斜的横剖面上同一个岩层面的最高点。把同一背斜同一岩层面在不同横剖面上的脊点连成一线,即为脊线。脊线可为水平或倾伏的直线,也可是曲线或折线。它的延伸方向和形态,反映这一个背斜的延伸方向和空间形态。
(2)槽与槽线:槽是指向斜的横剖面上同一个岩层面的最低点。把同一向斜同一岩层面在不同横剖面上的槽点连成一线,即为槽线。槽线也可是水平或扬起的直线,也可是曲线和折线。它的延伸方向和形态同样反映这一向斜的延伸(扬起)方向和空间的形态。
在野外确定褶皱脊与槽的位置,对寻找油气矿藏及地下水资源,具有重要的现实意义。
(八)褶轴
褶轴又称褶皱轴线或轴,对圆柱状褶皱而言(图4-6A、B),是指一条平行其自身移动能描绘出褶皱面(S)弯曲形态的直线,称为褶轴。若不具备这一特性的褶皱称为非圆柱状褶皱(图4-6C、D、E)。
图4-6 圆柱状褶皱和非圆柱状褶皱
A、B—圆柱状褶皱;C、D、E、F—非圆柱状褶皱,其中D和F为圆锥状褶皱
三、褶皱的翼间角、波长和波幅
(一)翼间角
翼间角系指褶皱两翼间的内夹角,即在褶皱的横剖面上,构成两翼的同一褶皱面拐点的切线间的夹角。圆弧形褶皱的翼间角是指正交剖面上通过两翼拐点的切线之间的夹角。
(二)波长和波幅
波长和波幅是测量褶皱规模大小的要素。其测量方法如图4-7所示。在褶皱的正交剖面中,对称褶皱的波长(W)为一个周期性波长的长度,即两个相同位的拐点之间的距离,波幅(A)为包络线(面)和中间线(面)之间的距离(图4-7A);而不对称褶皱的波长和波幅,有两种测量方法,一是同前述测量方法(图4-7B)中的波长(Wm)和波幅(Am);另一测量方法是在垂直轴面方向测量两个相同拐点间的距离波长(Wa)和顺轴面方向是测量包络线(面)与中间线(面)间的距离波幅(Aa)。
图4-7 褶皱的波长和波幅
(据J.G.Ramsay,1967)
S′0—包络线(面);mm—中间线(面);θ—轴面与中间线(面)的余角;i—拐点