構(gòu)造變形的觀測與研究教材

構(gòu)造變形的觀測與研究2007年2月構(gòu)造觀測是野外地質(zhì)調(diào)查的重要內(nèi)容之一露頭和標本尺度的小型構(gòu)造研究是構(gòu)造研究的基礎構(gòu)造研究是面積性地質(zhì)工作成敗的關(guān)鍵構(gòu)造觀測涉及到地層層序、區(qū)域構(gòu)造格架、區(qū)域構(gòu)造發(fā)展史、乃至礦床的成、導、儲等問題構(gòu)造觀測內(nèi)容的狹義分類：褶皺、斷裂、構(gòu)造變形主要內(nèi)容一、構(gòu)造解析的基本原則二、構(gòu)造變形相分析的基本原理三、構(gòu)造置換作用四、伸展構(gòu)造與韌性剪切帶五、構(gòu)造解析的一般程序和內(nèi)容一、構(gòu)造解析的基本原則構(gòu)造尺度即認識構(gòu)造現(xiàn)象的客觀標準構(gòu)造層次是指構(gòu)造變形過程中由地殼物理化學圖件變化所導致的構(gòu)造分帶現(xiàn)象構(gòu)造體制除擠壓收縮外，還有伸展和走滑剪切一個構(gòu)造變形旋迴可劃分為多個世代，不同世代的構(gòu)造具有不同樣式的構(gòu)造群落，反映不同的變形方式和不同的構(gòu)造變形相影響構(gòu)造變形的環(huán)境因素和物性因素是多種多樣的，是多因素綜合影響的結(jié)果構(gòu)造的動態(tài)發(fā)展是完整系列變形所經(jīng)歷的變形歷史過程多尺度多層次多體制多世代多因素動態(tài)發(fā)展構(gòu)造的尺度觀構(gòu)造尺度分為空間尺度和時間尺度，后者是指依據(jù)地殼變形量與質(zhì)的關(guān)系而劃分出的長短不一的旋迴、世代及先后順序；前者是按地質(zhì)體規(guī)模劃分出的不同空間大小的等級，一般可分為巨型、大型、中型、小型、微型、超微型6級。石英壓力影長徑3mm旋轉(zhuǎn)碎斑露頭，長軸15cm剪切變形巖體，TM影像，長軸大于15km構(gòu)造的尺度觀同一個應力系產(chǎn)生的作用是透入性的，它將發(fā)生全息的影響，從宏觀到微觀，各種尺度的構(gòu)造變形型式具有相關(guān)性和相似性，這就是構(gòu)造變形的全息說。全息理論的意義，在于可在露頭尺度上尋找到“天然模型”，通過露頭尺度的解剖分析來反映區(qū)域構(gòu)造格架。與尺度相關(guān)的幾個問題：1.透入性構(gòu)造與分劃性構(gòu)造——一些宏觀上的透入性構(gòu)造在更小尺度上則有明顯得分劃性2.構(gòu)造的均勻性與非均勻性——一些整體上是非均勻的構(gòu)造，在局部上可分解為若干近似均勻的變形花崗質(zhì)糜棱巖中透鏡域（勒巴泉）3.主體構(gòu)造與從屬構(gòu)造——從屬構(gòu)造在更小尺度可能是總體構(gòu)造，反之亦然4.殘余構(gòu)造與新生構(gòu)造——殘余構(gòu)造與新生構(gòu)造指世代和順序問題構(gòu)造的層次觀包括地殼的垂直分層、造山帶的水平分帶和時間層次。通常所指的構(gòu)造層次指的是構(gòu)造的垂直分層現(xiàn)象。構(gòu)造層次可劃分為如下4級：表部構(gòu)造層次（上部構(gòu)造層次）上部構(gòu)造層次（淺部或中部構(gòu)造層次）中部構(gòu)造層次

（下構(gòu)造層上亞層）下部構(gòu)造層次

（深部或下構(gòu)造層下亞層）構(gòu)造的層次觀構(gòu)造層次的意義不僅僅是對斷裂構(gòu)造及地殼層圈結(jié)構(gòu)的垂直變化及分帶的解析，重要的是在一定的層次范圍內(nèi)總是存在一種主導的變形機制形成的構(gòu)造要素群。不同的構(gòu)造層次發(fā)育有不同構(gòu)造生態(tài)的構(gòu)造群落。構(gòu)造層次界面是隨環(huán)境變化不定的，造山環(huán)境和高地熱梯度帶及構(gòu)造應力的增加會導致構(gòu)造層次界面的抬升，而不同體制下構(gòu)造發(fā)育的深度也有明顯差異。斜長角閃巖中的石英分泌脈斜長角閃片麻巖中的長英質(zhì)分泌脈大理巖中的方解石英脈最為常見的同構(gòu)造分泌脈也有構(gòu)造層次上的差異。

構(gòu)造層次對比項目表部（上部）上部（中部）中部（下構(gòu)造層上亞層）下部（下構(gòu)造層下亞層）主導變形機制剪切破裂作用彎曲滑動作用剪切和壓扁作用深熔流動作用構(gòu)造變形特點剛性破裂準塑性或塑性變形塑性流動粘性流動代表性構(gòu)造形跡脆性斷層等厚褶皺頂厚褶皺柔流褶皺構(gòu)造巖碎裂巖系初糜棱巖系超糜棱巖和糜棱巖系片麻巖系巖石的力學性質(zhì)脆性脆韌性韌性高韌性或塑性構(gòu)造的透入性提高不同構(gòu)造層次構(gòu)造變形對比表多體制－構(gòu)造的組合觀迄今我們所研究的構(gòu)造形跡，是在多種變形場、不同層次、不同機制下、不同事件中形成的多種構(gòu)造要素的組合，是對整個構(gòu)造變形歷史的綜合記錄。地殼的構(gòu)造變形場可分為伸、縮、剪、升、降、旋、滑、斜。地殼的大規(guī)模水平運動，既可以在收縮體制下形成推覆剪切變形場，也可在伸展體制下形成剝離剪切變形場，更多的是兩種變形體制有規(guī)律的轉(zhuǎn)化和構(gòu)造復合。多世代－構(gòu)造的新陳代謝觀地質(zhì)體的構(gòu)造屬性總是不斷運動、變化和發(fā)展的，舊的構(gòu)造將會被新的構(gòu)造疊加、置換，從而改變其構(gòu)造屬性。這種新陳代謝的普遍規(guī)律不僅表現(xiàn)在幾何學上，而且涉及到地質(zhì)體內(nèi)巖石的變質(zhì)和重建。構(gòu)造疊加是多期變形的結(jié)果，也可以由不同類型的變形過程所引起。要正確識別不同世代構(gòu)造疊加與不同順序的遞進變形之間的差異。構(gòu)造疊加的常見型式有：斷裂的復合與多期活動、構(gòu)造面理的疊加與置換、褶皺的疊加復合。多世代－構(gòu)造的新陳代謝觀構(gòu)造面理的疊加常見與古老地塊的多期韌性變形中，如在敦煌巖群中識別出了四次疊加韌性變形。把握不同體制、不同運動條件下的構(gòu)造群落的差異是識別構(gòu)造面理疊加的關(guān)鍵。褶皺的疊加及其干涉圖像是地質(zhì)填圖中最令人感興趣的事，正確認識影響疊加褶皺圖像的干擾因素，有助于圖件的準確連繪。這些因素包括：早期褶皺的形狀和產(chǎn)狀；疊加褶皺的方向、性質(zhì)及疊加程度；剝蝕的深度。以片理為變形面的背形（什川，皋蘭巖群）兩期褶皺的疊加（馬鬃山，二疊系）兩期褶皺的干涉樣式（馬鬃山，侏羅系）兩期褶皺的干涉樣式巖體中的兩期糜棱面理（勒巴泉）斜長角閃巖中的兩期分泌脈（長山子）以片理為變形面的疊加穹狀褶皺（潘家井）多因素一種構(gòu)造現(xiàn)象往往是是多種因素綜合影響的結(jié)果。決定構(gòu)造變形的因素有：溫度、有效圍壓、應力大小和方向、有無流體及流體的性質(zhì)、巖石的變形習性及能干性差異、深度、流變速率及作用時間等。構(gòu)造的動態(tài)發(fā)展觀巖石構(gòu)造變形的發(fā)育一般經(jīng)歷了一個復雜的運動過程。迄今展現(xiàn)在人們面前的各種構(gòu)造現(xiàn)象只是這個過程的終結(jié)狀態(tài)。從其初始狀態(tài)到其終結(jié)狀態(tài)的這個復雜的變形歷史過程，稱為遞進變形。遞進變形的研究是通過對變形過程中各時間間隔段依次發(fā)生的增量應變狀態(tài)的考查來實現(xiàn)的。由于變形巖石中能保留下來的增量應變得信息很少，通常借助構(gòu)造模擬實驗的方法來再現(xiàn)某些構(gòu)造發(fā)育的全過程，來解釋天然變形巖石中的類似的遞進變形結(jié)果。S型分泌脈和遞進變形（什川）非共軸遞進變形S型張節(jié)理泥巴實驗MEST巖石本身的變形習性變形時的物理－化學環(huán)境構(gòu)造作用力及其應力－應變狀態(tài)構(gòu)造變形的時間因素構(gòu)造變形相分析的基本途徑就是探索影響巖石變形的因素。這些影響因素中起決定性作用的有四個:構(gòu)造變形相分析的基本原理就是解析這四個變量的具體情況及其對變形的影響。稱之為構(gòu)造變形相分析的MEST思維法則。二、構(gòu)造變形相分析的基本原理影響巖石變形習性的自身因素中起決定作用的是巖石的各向異性和能干程度。巖石的各向異性：就是巖石在空間各方向上其成分、組構(gòu)及物化性能的差異性。巖石的各向異性是發(fā)生褶皺變形的前提，其決定因素中最重要的是界面、厚度和粘度比。先存界面是巖層層間滑動或塑性流動而彎曲褶皺的基礎，厚度和粘度比是控制褶皺規(guī)模的主因。實驗表明，不同粘度材料褶皺時，其主波長（Wd）大小與主導層厚度（t）和巖層間的粘度比（η1/η2）成正比：主波長理論巖石本身的變形習性－M分析巖石的能干程度是指巖石抵抗變形的能力。巖層能干性差異的表現(xiàn)有劈理折射、石香腸構(gòu)造、窗欞構(gòu)造等（下圖）。一個地區(qū)的巖層能干性差異可以在野外露頭系統(tǒng)研究的基礎上建立。北京西山沉積巖層能干性由強到弱排列順序為：硅化白云巖、砂巖、礫巖、砂質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、粉砂巖、泥灰?guī)r、頁巖。劈理折射（白家河）偉晶巖脈石香腸構(gòu)造（舊井）巖石本身的變形習性－M分析巖石本身的變形習性－M分析褶皺窗棱構(gòu)造大型窗棱構(gòu)造（敦煌巖群，長山子）變形時的物理－化學環(huán)境－E分析變形環(huán)境分析中最大的制約條件是大地構(gòu)造背景和構(gòu)造層次，尤其是構(gòu)造層次。有效圍壓和溫度的提高會導致巖石韌性程度的提高。同一種巖石，從脆性到韌性的轉(zhuǎn)變得臨界值，隨擠壓或拉伸環(huán)境的不同而有顯著差異。溶液的存在對構(gòu)造變形過程來說是相當重要的影響因素，會從根本上改變巖石的變形習性。構(gòu)造作用力及其應力－應變狀態(tài)－S分析S分析是指對應力場、應力（古差異應力）、應變和應變量的研究。應力大小可以據(jù)自由位錯密度在儀器中量測，通常石英組構(gòu)分析可以估測古差異應力。應變量的大小可通過有限應變測量和平衡剖面技術(shù)來量測。應力場與應變場在小變形或脆性變形中是對應的，在大變形中二者是不對應的。巖石構(gòu)造變形樣式取決于其內(nèi)在變形機制，隨構(gòu)造層次的加深，巖石宏觀變形機制由脆性剪切－彎曲滑動－固態(tài)流變－深熔流動，微觀變形機制由剪切破裂－碎裂流動、粒內(nèi)流動－晶界滑移－超塑性流動。構(gòu)造變形的時間因素－T分析與構(gòu)造變形相關(guān)的時間因素有應變速率和持續(xù)時間。時間對應變的影響極大。隨時間的持續(xù)加長，巖石的粘性應變行為將占主導地位，而產(chǎn)生固態(tài)流變。不同材料達到固態(tài)流變的時間不同，這就是固流限，如冰的固流限為15天，巖鹽為10a，蛇紋巖為0.01Ma。當巖石變形時間達到固流限后，即使微小的應力也會發(fā)生流變，產(chǎn)生可觀的構(gòu)造變形。巖石的一種構(gòu)造在經(jīng)遞進變形后，被另一種構(gòu)造所替代的現(xiàn)象。構(gòu)造置換分為縱向構(gòu)造置換和橫向構(gòu)造置換。縱向構(gòu)造置換橫向構(gòu)造置換三、構(gòu)造置換作用縱向構(gòu)造置換橫向構(gòu)造置換體制收縮體制伸展體制構(gòu)造層次上、中－上構(gòu)造層次下、中－下構(gòu)造層次變形相彎曲滑動變形相固態(tài)流動、深熔或柔流變形相褶皺等厚褶皺，M、N型不對稱、無根褶皺，軸面劈理化構(gòu)造置換程度未置換－完全置換，不徹底置換廣泛、徹底，但不均勻?qū)有蛱攸c新生層序破壞原有層序，總體無序局部有序新生層序不破壞原有大套層序，總體有序局部有序或總體無序局部無序面理產(chǎn)狀特點陡傾片理化帶緩傾片理化帶作用和機制縱彎褶皺，壓扁、壓溶分異作用水平分層剪切作用、固態(tài)流變作用應變共軸應變非共軸應變巖層厚度的改造總體加厚總體減薄，單層厚度變化急速，透鏡化縱向構(gòu)造置換和橫向構(gòu)造置換的對比花崗巖脈被強韌性變形置換呈假礫巖（潘家井，敦煌巖群，橫向構(gòu)造置換）糜棱面理的置換使巖體塊狀呈假層狀（白湖，新元古代，橫向構(gòu)造置換）花崗巖體中的透入性糜棱面理（舊井，橫向構(gòu)造置換）四、伸展構(gòu)造與韌性剪切帶伸展構(gòu)造是地殼水平運動的重要表現(xiàn)型式，大洋中脊是最引人注目的現(xiàn)代伸展構(gòu)造。伸展構(gòu)造分為三個層次：地殼上層：為脆性剪切變形域，發(fā)育一系列脆性破裂構(gòu)造，有地塹、盆嶺構(gòu)造、裂谷、及差異性升降和盆地的伸展等。韌性中間層：近水平的韌性剪切帶和褶疊層，向上過渡為脆-韌性低角度正地層或剝離斷層及變質(zhì)核雜巖構(gòu)造。地殼下層：伸展構(gòu)造表現(xiàn)為小型韌性剪切帶和基性巖墻群的侵入。韌性剪切帶是地殼中的高應變帶，是地殼較深層次的韌性變形域中相當斷層的一種構(gòu)造型式。韌性剪切帶在地殼中的產(chǎn)狀，與其形成時的應力場形式有關(guān)，與斷層一樣，也可有逆沖、走滑、正斷及斜沖等性質(zhì)。韌性剪切帶性質(zhì)的判別主要依據(jù)對剪切帶幾何學及運動學的分析進行。運動方向判別依據(jù)的獲得、拉伸線理的量測、有限應變測量、組構(gòu)分析等是幾個重要的工作方面。要正確區(qū)分糜棱巖系與碎裂巖系。塑性變形是糜棱巖的重要形成機制。巖石的塑性變形機制主要有：晶內(nèi)滑移、位錯滑移、位錯蠕變、顆粒邊界滑移、超塑性流動及壓溶作用。糜棱巖的宏觀地質(zhì)特征是流狀構(gòu)造、拉伸線理及細粒化，特征的微觀構(gòu)造有拔絲構(gòu)造、核幔構(gòu)造、鑲嵌構(gòu)造、S-C組構(gòu)、旋轉(zhuǎn)碎斑系、云母魚、壓力影等。褶疊層是在地殼較深層次，在伸展構(gòu)造體系的水平分層剪切流變機制下，以順層剪切帶和順層掩臥褶皺為主體，經(jīng)強烈遞進變形，新生面理置換原生層理而形成的嶄新的構(gòu)造單元。基本特征：①大規(guī)模近水平韌性剪切帶的發(fā)育是透入性的、不均勻的，有強弱不同的應變帶；②具不同樣式、不同規(guī)模的多級組合的順層掩臥褶皺群；③新生面理從微觀上往往構(gòu)成順層掩臥褶皺的軸面面理，宏觀上與各時代褶疊層的主層型界面的產(chǎn)狀一致，表現(xiàn)為順“層”面理；④發(fā)育不同程度的糜棱巖化，構(gòu)成典型的S-l構(gòu)造巖，發(fā)育具穩(wěn)定指向的拉伸線理或礦物線理；⑤原生巖層往往高度變薄，不同巖層韌性差較明顯時強硬巖層常強烈香腸化或透鏡化，形成粘滯性石香腸構(gòu)造；⑥受變形分解作用和變質(zhì)分異作用，往往出現(xiàn)大量同構(gòu)造分泌脈。基本構(gòu)造要素：順層韌性剪切帶、順層掩臥褶皺、順層面理、拉伸線理、粘滯性石香腸、構(gòu)造透鏡體、同構(gòu)造分泌脈順層掩臥褶皺順層掩臥褶皺鞘褶皺大理巖流變褶皺順層掩臥褶皺拉伸線理桿狀構(gòu)造透入性糜棱面理粘滯性石香腸構(gòu)造透鏡體同構(gòu)造分泌脈五、構(gòu)造解析的一般程序和內(nèi)容構(gòu)造變形分析幾何學分析構(gòu)造變形相分析構(gòu)造序列分析運動學分析M、E、S、T分析構(gòu)造變形史分析構(gòu)造體制分析地質(zhì)事件表動力學分析形態(tài)、位態(tài)、樣式、變形量運動方式、方向、過程、路徑應力方向和大小力學模擬實驗構(gòu)造綜合分析結(jié)果構(gòu)造變形場幾何學分析幾何學分析是在對地質(zhì)體內(nèi)各構(gòu)造單元的各種物理的、幾何等構(gòu)造要素研究的基礎上，從形、位、樣、量四個方面進行全面的解析。形——個構(gòu)造單位的空間形狀、大小和產(chǎn)狀位——各構(gòu)造要素的空間分布機優(yōu)選方位，對透入性變形通常在統(tǒng)計和模擬的基礎上用方位圖解來表達樣——構(gòu)造的總體特征和風格，即構(gòu)造樣式量——變形量，包括巖石應變的性質(zhì)、大小和主應變方位，可通過有限應變測量來確定運動學分析運動學分析的任務是再現(xiàn)巖石在構(gòu)造變形期間所發(fā)生的運動，包括四個方面：運動方式——有直移、旋轉(zhuǎn)、體變、形變。運動方式的確定是在精確的幾何學分析的基礎上進行的運動方向——可依據(jù)各種指向構(gòu)造來確定。有褶皺倒向、拉伸線理、雁列脈、旋轉(zhuǎn)碎斑系、多米諾骨牌、壓力影、云母魚、S-C組構(gòu)等運動過程——常通過模擬實驗來解釋構(gòu)造發(fā)育過程變形路徑——依靠巖石運動過程中遺留的相對位移蹤跡來實現(xiàn)具指向意義的花崗巖脈褶皺（右旋，敦煌巖群）具指向意義的偉晶巖脈褶皺（左旋，敦煌巖群）具指向意義的分泌長英質(zhì)脈褶皺（右旋，敦煌巖群）能指示運動方向的構(gòu)造形跡由分泌脈表現(xiàn)出的多米諾骨牌（右旋，皋蘭巖群）σ型旋轉(zhuǎn)碎斑（左旋，敦煌巖群）巖脈透鏡化及旋轉(zhuǎn)（右旋，敦煌巖群）旋轉(zhuǎn)碎斑和糜棱面理（左旋，赤金鎮(zhèn)北巖體）δ型旋轉(zhuǎn)碎斑（右旋，皋蘭巖群）能指示運動方向的構(gòu)造形跡動力學分析動力學分析的目的是闡明產(chǎn)生構(gòu)造的力、應力、應力學過程，描述引起變形的應力的相對大小和方位，以圖建立起一個地區(qū)的構(gòu)造應力場。研究方式：通過力學實驗和模擬實驗，建立模式，定性解釋變形構(gòu)造系統(tǒng)。構(gòu)造變形相：是巖石在地殼運動過程中一定變形環(huán)境的構(gòu)造表現(xiàn)，是一定物理化學條件范圍內(nèi)形成的各種巖層和巖體的，以某一變形機制的變形為主導的變形構(gòu)造的共生組合。構(gòu)造變形相分析：依據(jù)對天然構(gòu)造形跡的定性、定量分析，透過它們的不同應變表現(xiàn)來進行構(gòu)造分類，用以反映其生成的構(gòu)造－熱環(huán)境，恢復它們生