褶皱-逆冲带的运动学演化历史通常基于对突出部内高级变质岩的详细研究。我们通过研究突出部-凹入部交界区域,提出了一种理解褶皱-逆冲带的新方法。我们采用详细的断层分析与实验性砂箱模拟相结合的方法,对常被忽视的上地壳岩石进行分析。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
方法文章
* These authors contributed equally
褶皱-逆冲带的运动学演化历史通常基于对突出部内高级变质岩的详细研究。我们通过研究突出部-凹入部交界区域,提出了一种理解褶皱-逆冲带的新方法。我们采用详细的断层分析与实验性砂箱模拟相结合的方法,对常被忽视的上地壳岩石进行分析。
在褶皱冲断带中,突出带与凹入带之间的交接区域可能保存着揭示整体运动学历史的关键线索。这些交接区域的变形历史在冲断层从突出带延伸至相邻凹入带的地区保存得最为完好。本研究以美国西部的塞维尔褶皱冲断带(Sevier fold-thrust belt)中犹他州北部的利明顿横向构造带(Leamington transverse zone)为例,考察这样一个交接区域。该区域的变形主要通过断层作用和碎裂流(cataclastic flow)实现。本文介绍了一种研究此类断层模式的实验方案,以更深入地理解该地区构造演化的运动学历史。断层数据辅以类比砂箱实验进行补充。研究表明,详细来看,上覆冲断层内的变形可能并不直接反映下伏基底构造的形态。我们证明,这种野外与实验相结合的研究方法简便易行、易于获取,相较于计算机模拟等成本更高的方法,能够提供更详细的地壳变形信息。此外,砂箱模型还有助于解释这些构造细节形成的原因和机制。该方法可广泛应用于上地壳岩石保存良好的各类褶皱冲断带,也可根据需要调整用于研究通过弹性-摩擦机制发生变形的上地壳其他区域。最后,这种综合方法有助于进一步揭示褶皱冲断带如何维持临界锥形(critical-taper)状态,并为自然资源勘探提供潜在目标区的依据。
褶皱冲断带由突出段(或称段落)组成,相邻突出段中的冲断层在后缩区或横向带处发生解耦1,2,3。从突出段向后缩区的过渡可能极为复杂,涉及多种构造组合,可能为理解褶皱冲断带的演化提供关键线索。本文通过多尺度野外数据与砂箱模型相结合的方法,系统研究了一个突出段-后缩区交界部位,以深入理解褶皱冲断带内变形的调节机制。
犹他州中部段与利明顿横断带的交界处是一个理想的天然实验室,可用于研究突出部-凹陷部交界带,原因如下(图1)。首先,该段出露的岩石连续无间断地延伸进入横断带4,因此变形模式可以被连续追踪,并在交界处进行对比。其次,这些岩石基本上为单矿物组成,因此断层模式的变化并非由岩层内部非均质性所致,而是反映了研究区域整体的褶皱和逆冲作用4。第三,弹性-摩擦机制(如碎裂流)在整个野外区域促进了变形,使得中尺度断层模式可进行直接比较4。最后,整个段落和横断带范围内的总体运移方向保持连续,因此缩短方向的变化并未影响保存下来的变形模式4。上述所有因素共同减少了可能影响该段与横断带变形过程的变量数量。因此,我们推断,所观察到的构造主要是在基底几何形态变化的影响下形成的5。

图 1. 索引图示例。 美国西部塞维尔褶皱逆冲带,显示主要的突出部、段落、凹陷区及横向构造带。图 2 由方框区域所示(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。请点击此处查看此图的放大版本。
犹他州中部段和利明顿横向带内的褶皱和逆冲作用发生在一定深度 < 15 km 即,在弹性-摩擦 regime 内,变形主要发生在露头尺度(< 1 m 断层与碎裂流4,6由于推覆体的运移和褶皱主要通过弹性-摩擦机制进行,我们预测,对断层进行详细分析可以进一步揭示利明顿横向区的运动学历史及其下伏基底的几何形态。为了验证这一假设,我们采集并分析了犹他州中部段北部区域以及整个利明顿横向区内岩石中保存的断层模式。图2).

图2. 宏观尺度地形图示例。 框内区域的晕渲地貌图 图14个区域由实心白线分隔。图中显示了元古宙卡迪峡谷石英岩(PCc)、元古宙互助石英岩(PCm)与寒武纪廷蒂克石英岩(Ct)之间的地层接触关系。虚线表示该区域内山脉的走向。采样点位置以带编号的黑色方块标示。一级线理以实心灰色线条表示(修改自Ismat和Toeneboehn)7). 请点击此处以查看此图的放大版本。
通过开展砂箱实验,与断层数据进行对比并加以补充。采用具有前缘和斜向坡道的推块式砂箱模型,辅助我们分析利明顿横向构造带内部及其周边保存的构造特征(图3)7。该方法的目标包括以下四个方面:1)判断中尺度断层模式是否具有一致性;2)判断砂箱模型是否能够支持并解释野外观测数据;3)判断砂箱模型是否能够提供野外未观察到的构造细节;4)评估这种结合野外与实验的研究方法是否有效且易于重复。

图3. 推块模型示例。 空沙箱模型的照片。图中标注了南部前缘逆冲断层(SFR)、斜向断层(OR)、北部前缘逆冲断层(NFR)以及四个区域(1-4)(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 大尺度野外数据的采集
2. 中尺度野外数据的采集

图4. 中尺度露头示例。 层理以白色虚线标出。文中讨论的特定断层组以细实白线标出。图中显示了m2网格(修改自Ismat和Toeneboehn7)。请点击此处查看此图的放大版本。
3. 微观尺度数据的采集
| 单元 | 床厚 (m) | 层理构造 | 粒径 (m) | X/Z Fry 应变 (平均 Rf) | X/Y Fry 应变 (平均 Rf) | 重结晶程度 | 氧化铁含量 | 杂质含量 | 其他特征 |
| Ct | 1,000 | 明显,厚层与薄层交替发育 | Ave: 1.59 x 10-4 (范围: 3.6 x 10-6 至 3.31 x 10-4) | 1.15 | 1.12 | 中等,小范围半连通 | 中等,小范围半连通 | 中等,小范围半连通方解石 | 形成山脊,白色至灰粉色,风化后呈黄褐色至红褐色 |
| PCm | 570–750 | 明显,发育良好的粒序层理和交错层理 | Ave: 1.48 x 10-4 (范围: 1.15 x 10-4 至 2 x 10-4) | 1.22 | 1.19 | 大量且连通性良好 | 中等且连通性良好 | 少量方解石,连通性差 | 块状露头,紫红褐色,风化后呈紫黑色 |
表1. 微观尺度形态学示例。 元古代互层带(PCm)和早寒武纪廷蒂克(Ct)石英岩单元的描述。X/Z Fry应变在平行于运移面的垂直剖面中测量,而X/Y Fry应变则在垂直于运移面的垂直剖面中测量(修改自Ismat和Toeneboehn7)。请点击此处以Microsoft Excel格式查看/下载此表格。
4. 绘制中尺度断层数据

图5. 等面积图示例。 两个地点的断层组等面积图——41号地点来自2区,5号地点来自1区。断层组以极点等值线图形式绘制(1%面积等值线)。平均断层组由极点集中区确定,并以大圆形式绘制。由共轭-共轭断层组确定的最大缩短方向以黑点表示。断层极点等值线根据各点位的百分比贡献着色。对极点集中区有贡献的 >20% 为红色,15-19% 为橙色,10-14% 为黄色,5-9% 为绿色, <5% 为蓝色。红色故障极点等值线标注为 LPS(层平行缩短)、LE(翼部伸展)和 HE(枢纽伸展)(改编自 Ismat 和 Toeneboehn)7). 请点击此处以查看此图的放大版本。
| 地点 | 岩层产状 | 缩短方向 | 最高断层极点 | 断层组 |
| (倾角,倾向) | 方向 | 集中位置 | (倾角,倾向) | |
| (倾伏角,倾伏向) | (倾伏角,倾伏向) | |||
| 41 | 83, 268 | 79, 115 | 22, 064 | 68, 244 |
| 60, 345 | 30, 265 | |||
| 73, 276 | 17, 096 | |||
| 5 | 63, 265 | 67, 130 | 08, 343 | 82, 263 |
| 36, 247 | 54, 067 |
表2. 中尺度断层数据示例。 图表仅显示24个站点中的2个,记录了以下信息:地层产状、缩短方向、最高断层极点集中区的方位及其相应的断层组(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。

图6. 断层群分布示例图。 该图显示了每个采样点中最大断层组(在图5中以红色标出)的百分比和类型。此处仅显示位于Ct石英岩内的采样点(修改自Ismat和Toeneboehn7)。请点击此处查看此图的放大版本。
5. 推块砂箱模型的构建

图7. 砂箱模型示意图。砂箱模型的平面图与剖面图示意图。 图中标注了南部前缘逆冲断层(SFR)、斜向逆冲断层(OR)和北部前缘逆冲断层(NFR)。断层上方的细箭头表示砂粒可能的运移方向。空砂箱模型的照片见图3(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。请点击此处查看该图的放大版本。

图8. 螺纹杆连接示例。 安装在前挡块上的螺纹杆及其匹配螺母的特写视图。 请点击此处查看该图的放大版本。
6. 运行推块沙箱模型

图9. 砂箱模型中未变形砂层的示例。 砂箱模型中未变形砂层的部分平面视图。注意网格压痕和方形横销。图中标注了南部前缘逆冲断层(SFR)、斜向断层(OR)、北部前缘逆冲断层(NFR)以及四个区域(1-4)(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。请点击此处查看此图的放大版本。

图10. 变形砂层示例。 从砂箱模型得到的最终变形的平面视图。标有蓝色圆点的选择性横销显示右旋位移。用黄色线条突出显示的弯曲横销。逆冲断层用细的黑色线条标出。四个区域(1-4)已标注(修改自Ismat和Toeneboehn7)。请点击此处查看此图的放大版本。
7. 从沙箱中采集样本

图11. 金属分隔板示例。俯视图,显示两个金属分隔板,其中一个穿过前部斜坡,另一个穿过斜向斜坡,位于变形的砂层中。沿斜向斜坡的金属分隔板内填充有环氧树脂。注意图中的卷尺以提供比例尺(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。请点击此处查看该图的放大版本。

图12. 砂箱模型中环氧树脂固化的样品示例。 来自砂箱模型中(a)北部前缘断坡和(b)斜向断坡的环氧树脂固化样品。所示样品沿断坡走向的垂直方向切割。地层以细白线标示。实心白线表示逆断层,虚线白线表示走滑断层(修改自 Ismat 和 Toeneboehn7)。请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
根据现代山脊走向,利用航拍照片将野外区域划分为四个区域(1-4)(图2)。在这四个区域之间对比了多尺度断层数据。假设这些走向变化反映了下伏基底的几何形态,则斜向斜坡位于区域2和区域3内,这两个区域的山脉走向相对于塞维尔褶皱冲断带呈斜交关系。在全部四个区域中,我们发现中尺度断层保存了一种贯穿性且中尺度上均一的变形组构(即,立方米级岩石尺度),并能代表大于该立方米尺度样点范围的区域特征(图4)4,16。此外,表1所示的微尺度变化并未反映在断层格局的整体特征中。因此,可在所有四个区域之间直接对比中尺度断层组(图5)。简而言之,我们发现中尺度断层组可定义为共轭-共轭断层组,并随岩层产状发生旋转,这意味着缩短方向也随之旋转。这一模式表明中尺度断层形成较早,且不同组合的断层组有助于调节褶皱形态。更详细地,我们发现每个区域内的断层格局具有独特性——区域2与区域3相似,区域1与区域4相似(图6
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
Sevier 逆冲断层带的美国犹他州中部段及其北部边界——Leamington 横向构造带,是研究突出-后缩构造交界区的理想天然实验室(图1)。沿该交界区,物质运移方向保持恒定,逆冲岩片在交界处连续无间断,因此唯一变量为下伏基底的几何形态5。
本文介绍了一种通过结合野外采集的多尺度断层数据与推挤块体砂箱模型来分析此类显著-隐伏接触带的方法,该砂箱模型可复现研究区的大尺度几何形态。砂箱模型实验所代表的变形时间周期长于中尺度断层组——我们假设最年轻的断层组 accommodated(适应)了所观察到的褶皱几何形态。因此,将砂箱模型与断层组数据结合,可用于追踪逆冲岩片的变形过程,并确定下伏基底几何形态的细节。
为使该综合方法取得成功,需在野外和沙箱实验中采取以下关键步骤。对于野外部分,关键在于确定断层均质性的尺度——在不同尺度上保存的断层组无法直接对比。此外,需测量大量断层样本(≥30组断层),以确保获得具有统计可靠性的数据集9此外,应远离层理面等非均质性...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢Erin Bradley和Liz Cole在野外工作中的协助。野外工作、薄片制备以及沙箱模型的材料由富兰克林与马歇尔学院资助委员会提供支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 纤维板 | 任意 | 不适用 | |
| 表面清漆 | 任意 | 不适用 | |
| 环氧树脂 | Epoxy technology | 组分 A 和 B:301-2 2LB | 最好预热至 80º - 125º。若无法预热,仍可固化,但需 1 周时间,而非 1 天。 |
| 松木斜坡板 | 任意 | 不适用 | |
| 美纹纸胶带 | 任意 | 不适用 | |
| 兔耳接头 | 任意 | 不适用 | |
| 沉头紧固件 | 任意 | 不适用 | |
| 砂纸 | 任意 | 不适用 | |
| 儿童用沙 | 任意 | 不适用 | 最好使用粒径均一的沙,粒径约 0.5 mm |
| 食用色素 | 任意 | 不适用 | 建议使用单一颜色,且为深色 |
| 塑料网/格栅 | 任意 | 不适用 | |
| 方形截面钉 | 任意 | 不适用 | |
| 曲柄螺钉 | 任意 | 不适用 | |
| 曲柄手柄 | 任意 | 不适用 | |
| 金属薄板 | 任意 | 不适用 | |
| 分隔条 | 任意 | 不适用 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。