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褶皱
十万个是什么

如何解释地质学中的「褶皱」?

本问题被收录至活动 「十万个是什么」 中。活动时间:11/29 - 12/14 活动规则:大于 200 字的客观事实定义,且注明可信来源,创作时间在前…
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褶皱(fold)是原本水平排列的岩层在外力(指对于岩层来说是外力,即external force,对于地球营力来说是内营力,即endogenic process)下发生形变之后形成的弯曲状构造,它的基本特征是,岩层的形状和空间走向发生了改变,但是原有的连续性并没被打破。按照在空间上的弯曲方向,褶皱可以分为向斜(syncline)和背斜(anticline)。向斜的地层向下凹曲,较古老的岩层包裹较新的岩层;而背斜的地层向上凸曲,较新的岩层包裹较古老的岩层。褶皱的弯曲方向和地形的起伏并不一一对应。在褶皱刚刚形成的时候,背斜会形成高地,而向斜会形成谷地。然而,背斜顶端的岩石更加容易被风化侵蚀;而向下凹曲的向斜则容易成为沉积物堆积的地方。久而久之,背斜上的岩层会在风化作用下被剥落,反而可能形成背斜谷;而沉积物更易堆积的向斜则反而可能形成向斜山。

向斜和背斜示意图(底图来自Pinterest)
向斜成山、背斜成谷的示意图(图片来自地理教师网)

褶皱的几何形态和形成机制是构造地质学的重点研究对象之一,因为它们在油气资源勘探和开采、地下水、地质工程等方面都有很多的应用,也是研究当地质构造和地壳活动历史的重要途径。如下图所示,褶皱中心的岩层叫做核(core),其两侧的斜坡被称为两翼(limb),而其截面上弯曲最大处为弧顶(hinge point或arc point),弧顶的连线是枢纽线(hinge line)。在很多的情况下,枢纽线并不平行于地面,而是有一定的倾斜,这个倾斜的方向叫做倾伏向(plunge direction)。截面两翼切线斜率最大的地方叫拐点(inflection point),是相邻向斜和背斜的分界点,这两条切线延长线的交角是翼间角(interlimb angle),而在拐点分别做切线的垂线,其交角就是褶皱角(fold angle)。此外,褶皱还有轴线(axial line或fold axis,是枢纽线在水平地面上的投影)和轴面(axial plane)在连续褶皱上,两个相邻的向斜或背斜的弧顶距离就是褶皱的波长(wavelength,缩写为Lw);两个相邻拐点之间的距离叫弧长(arc length),为波长的一半;相邻向斜和背斜的两个弧顶在轴面上投影之间的距离是褶皱波幅(amplitude,缩写为a)的两倍,也叫高(height)。这些几何特征,能帮助人们还原出褶皱发育的过程及受到的外力作用,以辅助分析当地地层中应力场的分布情况以及相关的地质历史。

原图:密歇根大学Fold Classification
图片来自Earth Structure,第二版

褶皱的形成机理大体上可以分为强制褶皱作用(forced folding)和自由褶皱作用(free folding)两种。强制褶皱作用中最常见的是和断层相关的褶皱(fault related folding),和角度较小的逆断层有关,它们通常是断层的上盘(hanging wall,顶壁)爬升的时候发生卷曲,产生的褶皱。而自由褶皱作用则是地层在外力作用下发生的自由弯曲。外力的方向可以是平行于地层,也可以是垂直于地层(即纵弯褶皱buckling fold和横弯褶皱bending fold)。其中,大型褶皱带的褶皱多是在平行外力的作用下形成的纵弯褶皱,这些褶皱的几何形状和各个地层的性质有关,可以反映在1960年代提出的Biot-Ramberg公式里。根据Biot-Ramberg公式,褶皱的主波长(dominant wavelength,Wd)是由相应地层的厚度(T)以及褶皱地层与包裹它的外部介质间的阻抗比(competence ratio,R)决定的,而影响地层间阻抗比的是各个地层的粘性、杨氏模量和密度等物理性质。换句话说,越薄的岩层越容易形成波长较短(也就是越明显)的褶皱,而岩层之间物理性质差距越大,褶皱的波长也会越短。

Biot-Ramberg公式
一张经典的图,A处深色部分为页岩,B处浅色部分为砂岩,条状的C为产生褶皱的石英脉。由于AB物理性质不同,B的强度和C比较接近,阻抗比较小,因此C在B中的波长大于在A中的波长。
风河山脉Wind River Range的一处fault related folding,红线标注的是断层,蓝线标注的是地层走势
横弯褶皱bending fold和纵弯褶皱buckling fold示意图,图片来自Earth Structure,第二版

在现实世界中,褶皱在多数情况下都很复杂,例如在褶皱的主波长之下还有次级的甚至第三级、第四级的波长。褶皱的尺度也大小不一,大到可以是数千米长的一整个山体,小到只能在显微镜下观察。由于地壳在水平方向上的挤压,在造山带附近,常常有褶皱带分布,并形成由一条条平行褶皱山组成的岭谷区,其中最典型的包括四川盆地东部的川东平行岭谷(Eastern Sichuan Parallel Ranges and Valleys),以及美国阿巴拉契亚山脉北部的平行岭谷区(Range and Valley Province of Appalachian Mountains)等。

美国马里兰州被I-68号公路切开的阿巴拉契亚山Sideling Hill的向斜褶皱(图片:Maryland Geological Survey)


拓展阅读:

Fundamentals of Structural Geology (2005),斯坦福大学在线资源: Fundamentals of Structural Geology

Earth Structure (2005, 2nd edition) ,密歇根大学在线资源: Earth Structure

密歇根大学: Fold classification

马里兰地质调查局 Sideling Hill Geology

悉尼大学构造地质学公开网课模块: Structural Geology: Folds Descriptors

内布拉斯加大学: Fold geometries, kinematic and mechanics

利兹大学: Fold mechanisms

Biot, M. A., 1959, Folding of a layered viscoelastic medium derived from an exact stabilitytheory of a continuum under initial stress: Quarterly of Applied Mathematics, v. 17, no. 2, p. 185–204

Biot, M. A., 1961, Theory of Folding of Stratified Viscoelastic Media and Its Implications in Tectonics and Orogenesis1: Geological Society of America Bulletin, v. 72, no. 11, p. 1595.

Ramberg, H., 1960, Relationships between length of arc and thickness of ptygmatically folded veins: American Journal of Science, v. 258, no. 1, p. 36–46.

Yan, Dan‐Ping, et al. "Fault‐related fold styles and progressions in fold‐thrust belts: Insights from sandbox modeling."Journal of Geophysical Research: Solid Earth121.3 (2016): 2087-2111.

编辑于 2021-09-16 01:08