多字型构造在构造地质学中称为雁列构造,但多字型构造的含义更深刻。
一个标准的多字型构造是由一系列平行斜列的压性或压扭性构造形迹(隆起、洼陷、背斜、向斜、压性断裂、挤压破碎带等)及平行斜列的张性及张扭性断裂大体以直角相交组合而成,其总体形态似汉字“多”或反“多”。有时尚伴有两组剪切扭裂面。
多字型构造主要是由直线扭动作用产生的。黄庆华(1974)根据弹性变形场理论,认为多字型构造的形成与弹性薄板失稳原理相符合。若将一长条形理想薄板置于弹性基底上,其两侧假设为固定端,作用反扭、均匀分布的单位长度边界剪力,如图7.3(a)所示,采用失稳状态下,板的挠曲微分方程来模拟多字型构造。
图7.3 条带形理想地块在剪力作用下的褶曲分布形态
(据黄庆华,1974)
根据弹性薄板挠度平衡微分方程:
构造应力场控岩控矿
式中:D=Eh3/12(1—v2)为平板抗弯刚度;E、v分别为弹性模量及泊松比系数;k为基底的比例系数;w为薄板的挠度。
两侧固定的边界条件:
构造应力场控岩控矿
采用挠度表达式为(陈子光,1981)
构造应力场控岩控矿
式中:w0为理想地块在坐标原点的挠度;
采用分离变量求值的办法,利用电子计算机计算其各点挠度w值。将式(7.10)代入式(7.8),可求得挠度表达式:
构造应力场控岩控矿
式中:μλ1、λ2、λ3、λ4及A1、A2、A3、A4为待定系数。其中λ1=—α—β;λ2=—α+β;λ3=α+ηi;λ4=α—ηi及λ1+λ2+λ3+λ4=0(α、β、η为另外待定系数)。
根据式(7.9)边界条件可确定有关系数。
取E=0.5、v=0.22、b=60、Nxy=2.0、k=12,采用分离变量求值的办法,利用计算机计算各点挠度w值。将若干相同挠度值的点相连,得挠度曲线图。实线表示背斜,虚线表示向斜,如图7.3(b)所示。
在变形场中,等挠度线组成三个斜列褶皱。褶皱轴线与剪力方向夹角Q为34°。两褶皱轴间距离s为1.5b,中联线与长边平行。若边界长、宽比改变,褶皱的几何形态,雁列角Q,两褶皱轴间距s随之改变(图7.4)。
图7.4 同一扭(剪)力作用在不同长宽比地块上的变形场模拟
(据黄庆华,1974)
(a)
地质中这种直扭力偶来源,可能是两条既成边界断层的相对错动,一条基底断层的重新活动和不同岩相地块的相对错动等。
多字型构造在地壳中分布十分普遍。我国东部被李四光教授称为的华夏系、新华夏系和我国西部的河西系是一些巨型多字型构造。
(1)华夏构造体系
其主体构造线方向为北东—南西向,主要由一系列褶皱带、断裂破碎带、变质带和火成岩带组成。其形成时间较早。规模最大的是东南部地区和雪峰山—九岭山—天目山褶皱带,即所谓的“江南古隆”。上述隆起带东南侧的建阳复背斜和云开大山复背斜,以及西北侧的龙门山构造带,也属华夏系成分。
(2)新华夏系
图7.5 我国东部新华夏系分布示意图
(据李四光,1973)
1—新华夏系隆起带;2—新华夏系沉降带;3—纬向构造带;4—经向构造带
这是东亚濒太平洋地区规模最大、形象最壮观的一个巨型多字型构造体系。其主体构造是由走向北北东(N18°~25°E)的三条巨型隆起褶皱带和三条巨型沉降带组成(图7.5)。
第一隆起带:北起堪察加半岛,经千岛群岛、日本群岛、琉球群岛、台湾岛至吕宋岛和巴拉望岛。由一系列岛弧构成,是一条活动最为强烈的褶皱带,广泛分布着新生代沉积岩和火山岩。
第一沉降带:包括鄂霍次克海、日本海、东海、南海等边缘海区,其中发育较厚的新生代沉积。古近纪岩层已遭褶皱变动,形成北北东向褶皱。
第二隆起带:北起朱格朱尔山,经锡霍特山、朝鲜半岛、胶辽山地直至武夷山、戴云山。上隆褶皱作用十分强烈,太古宇及元古宇大面积出露,侏罗纪、白垩纪火山普遍发育,中新生代酸性岩大量侵入。
第二沉降带:包括布列亚盆地、松辽平原、华北平原、江汉平原、北部湾。主要为白垩纪—新近纪沉积物所充填,被东西向构造带分隔成一系列盆地,它们彼此斜列,且南段沉积幅度小于北段。
第三隆起带:由大兴安岭、太行山和雪峰山组成,被纬向带分隔成三段,各段呈S形,并呈雁行状排列。
第三沉降带:包括呼伦贝尔—巴音和硕盆地、陕甘宁盆地和四川盆地等。它是叠加在晚古生代负向构造之上,继承性特征显著,陕甘宁盆地和四川盆地主要是晚三叠世至早白垩世陆相沉积,沉积中心偏西。
沉降带中的一系列盆地,是我国重要的油气产地。而隆起带则是我国重要的金属矿产分布地。
新华夏系的各隆起带和沉降带并非同期产物,由西向东其形成时代愈来愈新。新华夏系一级(甚至二、三级)隆起带和沉降带两侧呈不对称状,其轴面向西倾,而且一级隆起带和沉降带往往是由一系列次级褶皱和断裂带斜列组成。
新华夏系开始形成于晚三叠系,侏罗纪晚期和古近纪时期构造活动达到高潮,直到现今还在继续活动。
(3)西域系
它是由一系列走向N55°~65°W的相互平行的隆起褶皱带所组成。其主要构造带有:东准噶尔构造带、婆罗科努褶皱带、祁连山构造带和祁漫塔格—巴颜喀拉构造带。西域系主要是由海西—印支期褶皱带组成(图7.6)。
图7.6 中国西北部及中亚地区西域系及河西系展布特征
(据亚洲地质,1982)
(4)河西系
主要展布于新疆、青海、甘肃等地区。其主体构造线呈北北西(330°~345°)向。主要由压性、压扭性断裂组成,并有张性和张扭性配套构造伴生。其扭动方向为顺扭。目前已确定为该体系的成分有:科克同套断裂带、艾比湖断裂带、可可托海断裂带、哈拉湖东—兴海断裂带、张掖—贵德断裂带、永昌—临夏断裂带和永登—兰考断裂带。
我国西部一些重要的含油盆地均与西域系和河西系有关。
据赵重远等(1984)资料,渤海盆地的古近纪、新近纪构造虽以拉张变形为特征,但它终未脱出其中生代左行雁列构造的基本格局。被太行山东麓断裂带、沧东断裂带、聊城—兰考断裂带和郯庐断裂分割而成的冀中断块、黄骅断块和辽河—渤海—济阳断块是最大一级雁列断块。每一断块内部还有次一级的雁列断块(图7.7)。一级断块因为在古近纪、新近纪时受拉张剪力作用,一侧沿着断裂带滑动,倾伏侧转变为“坳陷”,翘升侧成为隆起。如冀中断块西侧为冀中坳陷,东侧为沧县隆起;黄骅断块西侧为黄骅坳陷,东侧为埕宁隆起等。另外,位于坳陷中的次级雁列断块多由背斜、半背斜或次级翘倾断块组成,它们在坳陷中构成凸起或其他二级构造带。分布于次级雁列断块之间者则填充着古近纪、新近纪地层的雁列凹陷。如在黄骅雁列断块西侧从北而南依次有北塘、板桥、沧东和南皮等凹陷;东侧依次由南堡、歧口和盐山等凹陷;冀中雁列断块两侧也分别有武清、霸县、饶阳和廊固、保定、石家庄等凹陷。
图7.7 渤海湾盆地雁列断块
(据赵重远等,1984)
刘迅等(1998)通过光弹实验研究了张扭(剪)性雁列式构造的等差线和等和线(图7.8,图7.9)。
根据能量原理和矿液运移势原理,利用应变能和运移势公式:
构造应力场控岩控矿
和
构造应力场控岩控矿
求得模型中各点的应变能和运移势。
式中:fp、fc及dp、dc分别是条纹值和模量厚度,是由试验测定的常数;μ和E分别是泊松比和弹性模量;a为介质的压缩系数;η为矿液黏度;k0为介质流通系数的经验值,由岩石样品实验测定;nc为模型中各点的等差条纹级数;np为等和条纹级数;nc和np对各不同点来说是变量。
图7.8 张扭性雁行式构造试验的等差线及条纹级数
(据刘迅等,1998)
图7.9 张扭性雁行式构造试验的等和线及条纹级数
(据刘迅等,1998)
把各点的nc值和np值代入式(7.12)和式(7.13)中,即可分别求得应变能值和运移势值。本实验中求的是各点的相对值,各常数值提取公因式于括号外并令其等于1。应变能的单位为J/m3,为单位体积应变能;矿液运移势的单位为m/s。
部分试验的运移势只给出了扩容值Δ>0、Δ=0、Δ<0三种区域,矿液由Δ<0流向Δ=0再流向Δ>0区,对应的vi>0流向vi=0再流向vi<0区。由前面的论述可知,vi最低值区、Δ>0区和高应变能分布区是成矿的有利部位(刘迅等,1998)。
应变能集中区包围了组成雁行式构造的各条断裂,其覆盖范围略大于雁行式构造的范围,并随雁行式构造呈较明显的单向带状延伸。张扭性雁行式构造的应变能较高值区分布较不规则,方向性较不明显,但主要沿断裂中间部位分布,部分分布于断裂末端,延长方向与断裂的夹角较小,相邻两条断裂之间应变能较低,较高值区横跨两条断裂的现象不明显(图7.10)。压扭性雁行式构造的应变能较高值区分布规律性较强,单个呈长椭圆状,总体呈与断裂大角度相交的斜列式分布,其斜列方式恰与断裂的斜列方式相反,相邻两条断裂之间常有较高的应变能分布,出现较多的横跨两条断裂的现象(图7.11)。
张扭性雁行式构造的矿液运移扩张区(Δ>0)分布大部分与各分支断裂相吻合,呈单向延长明显的透镜状分布,亦呈雁行状,各分支断裂末端常有一小的扩张区,雁行两端的扭性裂也各存在一透镜状扩张区,分支断裂之间为较大范围的压缩区,将扩张区分开,使其呈孤立状(图7.12)。压扭性雁行式构造的矿液运移扩张区基本上包含了组成雁行式构造的各条断裂及雁行两端的扭性断裂,但断裂末端的扩张不明显,在相邻两条断裂之间的中心部位常有扩张分布区,从而使整个雁行式断裂分布区的扩张区相连而成一体(图7.13)。
图7.10 张扭性雁行式构造应变能分布
(据刘迅等,1988)
图7.11 压扭性雁行式构造应变能分布
(据刘迅等,1988)
图7.12 张扭性雁行式构造
(据刘迅等,1988)
Δ>0,Δ=0,Δ<0区
图7.13 压扭性雁行式构造
(据刘迅等,1988)
Δ>0,Δ=0,Δ<0区
雁行式构造控矿的一个典型实例可见图7.14,该矿区由14个矿带组成,夹持在F101断层和F102断层之间。容矿断裂由这两条断层的右旋平移产生,为张扭性右行雁列式斜列。铜矿脉均充填于雁行式构造的断裂中,呈与断裂一致的雁行式分布。此外,在两条主断裂之间,还展布着一系列雁行式石英脉,图中反映出的石英脉比含铜矿脉早,并被含铜矿脉穿切,从石英脉雁行式排列表明早期两条主断裂为左旋反扭(刘迅等,1998)。
图7.14 雁行式矿脉
(据刘迅等,1998)
1—张扭性断裂;2—铜矿脉;3—石英脉