褶皱岩层高角度斜交构造裂缝的形成机制

董有浦 ,坚润堂,肖安成,李旭英

(1.昆明理工大学 国土资源学院 地球科学系,云南 昆明 650093;2.浙江大学 地球科学系,浙江 杭州310027;3.中国有色金属工业 昆明勘探设计研究院,云南 昆明 650051;4.昆明理工大学 城市学院建筑学系,云南 昆明 650093)

0 引言

构造裂缝的发育往往与褶皱、断层等构造密切相关(Mitra,2002;邓虎成,2009;李乐等,2011;董有浦等,2013)。在岩层弯曲变形的过程中,不同阶段的主应力作用方向不同(Bobillo-Ares et al.,2000;Smart et al.,2010),造成不同构造部位的裂缝类型及分布特征也不相同(图1a)(Stearns,1968;Bergbauer and Pollard,2004;Ghosh and Mitra,2009)。野外观测发现与层面斜交的构造裂缝在褶皱岩层中广泛发育,尤其与层面高角度斜交的、产状与Riedel剪切(Bartlett et al.,1981;Ahlgren,2001)中的 X和 R′型裂缝(图1b)相近的构造裂缝则更为常见。尽管R和R′裂缝为共轭关系,但两者在 Riedel剪切裂缝的发育过程中形成顺序不同。在剪切作用过程中首先发育低角度的R和P裂缝,然后再发育R′裂缝(Dresen,1991)。

对钱塘坳陷南缘的富阳–临安地区褶皱岩层的野外考察中,我们发现与层面高角度斜交的裂缝广泛发育。目前,对于这种发育于褶皱岩层中的与层面高角度斜交的构造裂缝的形成机制存在较大争议。本文通过对富阳–临安地区褶皱岩层中该裂缝的系统观测,具体包括裂缝发育的构造位置、产状、岩性等,并在野外观测的基础上,结合已有的研究成果,对这种裂缝的形成机制进行了分析。该地区不同岩性的岩层出露较好,为研究的顺利开展提供了必要的基础。

1 研究区地质背景及研究方法概述

研究区位于下扬子地块南缘的浙江省富阳–临安市,区域构造位置处于钱塘坳陷南部,是下扬子地块的一个次级构造单元(图2a),靠近扬子地块和华夏地块的结合部,现今构造总体发育了一系列NE-SW和NW-SE向断层(姚琪等,2010),研究区内印支期构造运动是最重要的一次构造运动,表现为宽缓的褶皱构造,形成了明显的NE向构造体系,挤压应力方位呈NW-SE向,印支运动奠定了该区的主体构造格架。而燕山期构造运动较为强烈,在研究区内表现出明显的继承性,造成早期构造复活的现象。主要出露地层为古生界–中生界,岩性主要为砂岩、粉砂岩、火山凝灰岩等。

图1 与褶皱相关的构造裂缝(a) (据Stearns,1968)和里德尔裂缝(b) (据Bartlett et al.,1981;Ahlgren,2001)Fig.1 Maps showing Stearns’ model of fold-fractures (a) and characteristic array of Riedel fractures (b)

2 研究区构造裂缝发育特征

2.1 上侏罗统劳村组火山凝灰岩裂缝发育特征

该剖面的构造位置属于临安–富阳背斜的 NW翼(图2b中剖面 1),岩性为上侏罗统劳村组火山凝灰岩。岩层发生弯曲变形,在岩层中发育了与层面高角度斜交的构造裂缝(图3),裂缝与层面夹角变化范围为75°~80°。裂缝发育明显受到层面限制。

2.2 中志留统康山组裂缝发育特征

图2 下扬子地区构造单元简图(a)(据朱光等,1999)和研究区地质简图(b)(据Dong et al.,2014)Fig.2 Geological map of the study area

该剖面中岩层为厚层至块状砂岩,出露良好。其构造位置属于富阳–临安背斜的SW翼(图2b中剖面2),地层较为陡倾,产状为150°∠60°(图4),主要的构造裂缝与层面呈高角度斜交,两者夹角主要为72°~80°,其发育同样受到层面的限制。

本文结合曾联波等(2009)和 Petracchini et al.(2012)对裂缝产状的研究,将与层面夹角为 70°~80°的构造裂缝称为高角度斜交裂缝,夹角为 30°~70°的称为倾斜相交裂缝,夹角小于 30°的称为低角度斜交裂缝。

图3 上侏罗统劳村组火山凝灰岩高角度斜交裂缝Fig.3 Photograph showing the structure fractures of the Upper Laocun Group

研究区内多处露头均可见高角度裂缝的发育(Dong et al.,2014),综合各露头点裂缝发育的特点,可见褶皱翼部多发育高角度斜交的裂缝,而低角度斜交及倾斜相交裂缝发育较少。Petracchini et al.(2012)在野外观测中发现褶皱翼部岩层该种裂缝广泛发育,而且随着构造的演化不同岩层中的高角度斜交裂缝可逐渐连接起来,形成一系列的逆断层。Price (1965)、Stearns (1968)、Fischer and Wilkerson(2000)、Bergbauer and Pollard (2004)认为这种高角度斜交裂缝是在褶皱过程中形成的同褶皱裂缝。

3 构造裂缝形成机制分析

3.1 褶皱过程中拉张应力和挤压应力的变化

褶皱变形过程中,外弧遭受拉伸,而内弧主要受到挤压,但是主应变轴与层面并不平行或垂直。以岩层中和面上部的外弧为例(图5),在中和面上任意一点的垂直矢量(n)代表最小主应变轴、切向矢量(t)代表最大主应变轴,其可由公式(1)表示(Struik,1988)。其中,X代表中和面上任意一点的横坐标,而ρ为褶皱岩层的曲率半径。

未变形的点K(X,0)为变形点J(X,Y)在中和面上的投影点,过变形点j做垂直于中和面的直线,此直线与中和面相交于k点(图5a,b)。K点与k点、J点与j点的关系分别为:

由未变形的J点转换到变形的j点可由公式(3)表达:

其中,h(X,Y)可以通过(4)、(5)、(6)和(7)式得到。

(3)和(4)式为j分别对X,Y求导,

由于岩层在变形的过程中,面积保持不变,此时满足公式(6).

公式的通解为(7)式所示,其中f(X)为任意函数。

当Y=0,h(X,Y)=0式,f(X)=0。根据(7)式得到(8)式:

图5 褶皱过程中中和面位置的变化及造成的垂向、切向矢量的变化(岩层弯曲变形后,层面与中和面不再平行,岩层(除中和面)受到斜交的挤压应力和拉张应力作用)Fig.5 Plots showing the initial (a) and finite (b) position of the neutral line,and tangential and longitudinal vector of layer (c)

(8)式的解为:

H(X,Y)的偏导数为(9)和(10):

将(9)和(10)式带回(3)和(4)式,可以得到岩石的变形梯度F,如(11)式所示:

根据(11)式可知,在褶皱变形后,外弧中任意一点切向的矢量t'与 t的夹角为 α(图5c),如(12)式所示:

由(13)式可见在褶皱变形后,外弧中任意一点切向的矢量t'与t的夹角α与岩层的曲率半径、与中和面的距离有关。除在褶皱轴面处以外,两者的夹角 α均不为 0。也就是说,褶皱变形的岩层(除轴面处以外)中主应变轴均不与层面平行或垂直,岩层外弧受到与层面不平行的拉伸作用,而内弧则受到与层面不平行的压缩作用(图6)。

这一部分重点导论了褶皱过程岩层中应力的方位变化问题,而至于应力强度及在这种应力作用下形成的裂缝强度、密度,我们尚不清晰,还需要进一步的研究。根据Lacazette (2009)对裂缝方位与应力方位之间关系的分析,在上述这种应力作用下形成的裂缝与层面斜交。

3.2 层间滑动作用的影响

剖面2所在位置附近的岩层存在层间滑动作用(Dong et al.,2014),那么裂缝是不是在层间滑动作用下形成的呢？这种与层面高角度斜交裂缝的产状与 Riedel剪切(Bartlett et al.,1981;Ahlgren,2001)中的X和R′型裂缝(图1b)较为相近。岩层在弯滑作用下发生褶皱变形,在褶皱变形的过程中相邻岩层存在相对的滑动作用。层间滑动作用对岩层中应力分布有较大的影响(Smart et al.,2009),当厚薄或软硬岩层相间组合时,夹持在其间的薄岩层或软岩层会发育层间褶皱(易顺华等,2007)。如果层间滑动形成的剪切作用导致了裂缝发育,其形成的裂缝组合如图1b所示。

图6 褶皱过程中岩层受到与层面不平行的应力作用Fig.6 Plot showing the folded rocks under inclined tensional stresses

如果该裂缝为 R′裂缝,根据 Riedel剪切发育的顺序,在剖面中应该有 R裂缝的发育,但在各剖面中却没有发现与层面低角度斜交的R裂缝发育。而X型裂缝的形成机制存在争议,Dresen (1991)认为其可能是由 R′型裂缝是旋转而成的。但是,由 R′裂缝旋转为X裂缝的过程中旋转角度约为30° (Labuz et al.,2006;Misra et al.,2009),形成的剪应变为0.58。在如此大剪应变下,岩层中很难不发育新的断裂。其次,这种脆性的断裂变形过程在前,塑性旋转变形在后,与一般变形发育过程相矛盾。

综合已有研究成果及本次研究野外实际观测,本文认为剖面中高角度斜交裂缝并不是层间剪切形成的 R′和 X裂缝,而很可能是在褶皱变形过程中,岩层外弧受到与层面不平行的拉伸作用,而内弧则受到与层面不平行的压缩作用下形成的裂缝系统。

4 结论

通过对钱塘坳陷南缘的富阳–临安地区褶皱岩层及其发育的构造裂缝进行分析,取得了以下几点认识:

(1) 与层面高角度斜交的构造裂缝多发育在褶皱翼部,而相同剖面中低角度斜交裂缝发育较少或不发育。

(2) 根据对高角度斜交构造裂缝地质特征的观测,其不同于前人报道的层间滑动作用形成的裂缝。

(3) 在褶皱变形过程中,岩层外弧受到与层面不平行的拉伸作用,而内弧则受到与层面不平行的压缩作用,高角度斜交裂缝很可能是在这种机制下形成的。

致谢:感谢本文的审稿专家,你们的宝贵意见显著提高了本文的质量,同时感谢参加野外测量工作的浙江大学地球科学系的刘聃、龚根辉、毕彪同学。

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