第十三讲
褶皱作用
（应变和流变学分析）
1,褶皱作用的基本概念及其类型
1.1 褶皱作用的基本概念
褶皱的形成方式与其受力状
态, 变形环境及岩层的变形行
为密切相关 。 从褶皱过程中岩
层的变形行为来看, 可把褶皱
分为 主动褶皱 和 被动褶皱 两类 。
当各岩层的力学性质和层
理积极地控制着褶皱的发育时，
这种褶皱称为 主动褶皱 。
?主动褶皱
当各层岩石间的 韧性差 很
小，层理在褶皱变形中不再具
有力学上的不均一性，而只是
被动地作为变形的标志，这种
褶皱称为 被动褶皱 。
?被动褶皱
许多被动褶皱是由沿平
行剪切面的不均匀剪切而形
成的，所以亦称 剪切褶皱 。
?剪切褶皱
1.2 褶皱作用的基本类型
?纵弯褶皱作用
?横弯褶皱作用
?剪切褶皱作用
?柔流褶皱作用
1.2.1 纵弯褶皱作用
平行于地质界面的挤压作
用引起的弯曲作用 。
1.2.2 横弯褶皱作用
垂直于地质界面的挤压作
用引起的弯曲作用。
1.2.3 剪切褶皱作用
与地质界面斜交的剪切力偶作用
引起的弯曲作用称 剪切褶皱 作用。
1.2.4 柔流褶皱作用
岩石体在高韧性和低粘度条件下发生
类似粘性流体的粘滞性流动形成的褶皱作
用行为称 柔流褶皱 作用。如肠状褶皱。
2,纵弯褶皱作用
2.1 单层纵弯褶皱作用
2.1.1 单个能干层在不能干基质中
的纵弯褶皱作用
? 岩石能干性
岩石抵抗塑性变形的能力 。
? 韧性
岩石发生破裂前的塑性变形
（ 应变 ） 量 。
能
干
的
（
砂
岩
）
不
能
干
的
（
页
岩
）
?影响岩石能干性的主要因素
物质组成
结构构造
温度
压力
流体
作用时间等
2.1.2 能干层发生褶皱作用的
主波长理论
假设：能干岩层的厚度 = h 粘度 = ?
不能干基质的厚度不限定 粘度 = ?0
在褶皱作用过程中 （ 图中 P为平行层
施加的作用力, K为基质 （ 介质 ） 的阻力 ）
,当能干层发生弯曲褶皱时, 垂直于层面
发生的位移为 u,并假设发生褶皱的初始
波长为 L0, 其相应的位移为 ?0 。
则有：
u = ?0 exp[t / a ] sin（ 2?x / L0 ）
（ 1）
（ 1） 中 t为时间,a为能干层与
介质的函数,x为平行层的距离。
这样,主导褶皱的波长 L
（ 主波长 ）为：
L = 2?h[? / 6?0 ]1 / 3 （ 2）
（ 2） 式中 L的制约因素为：
能干层的厚度和能干层与基质
（介质）之间的粘度比的立方
根。
对于弹性材料，则有：
L = 2?h[B / 6B0 ]1 / 3 （ 3）
B = E / （ 1－ ?2） （ 4）
其中,B和 B0 为能干层和
基质的弹性模量,E为扬氏模
量,?为泊松比。
2.1.3 主波长理论的 构造物理学
意义
? 当岩性一定时, ? / ?0 比为常
数, 褶皱的波长 L与层厚 h成
正比关系 。
? 当层厚一定时,h为常数，褶
皱的波长 L与层和介质之间的
粘度比 ? / ?0 非线性成正比关
系：
当 ? / ?0 ? 50时，形成肠状褶皱
当 ? / ?0 ? 10时，形成肿缩式褶皱
当 ? = ?0 时，只有顺层均匀缩短，
而不会发生褶皱。
2.1.4 影响褶皱波长发育的
主要因素
? 层厚 h
? 粘度比 ? / ?0
? 温度、应力和应变速率对粘度
的影响
?温度、应力和应变速率对粘度的
影响
? = ?? / 3? （ 4）
? = Aexp[-Q / RT ] (??)n （ 5）
其中,A为材料热散常数,Q
为材料激化能,R为气体常数,T
为温度,n为材料常数（应力指
数）,??为差异应力,?为应变速
率。
? 实例
实验表明：
在应变速率 ? = 10-14S-1条件
下, 当 ?Q / ?M ? 1,T ? 550℃ 时,
石英岩比大理岩更能干 。
当 ?Q / ?M ? 1,T ? 550℃ 时,
大理岩比石英岩更能干 。
2.2 多层纵弯褶皱作用
假设四层岩石的粘度分
别为,?1 ? ?2 ? ?3 ? ?4, 那
么有如下情况,
?当 ?1 ???4时
即岩石能干性差达最
大，则分布在软弱基质中
最能干的强硬层形成肠状
褶皱。
肠状褶皱
?当 ?3 ? ?4 时
因两者之间能干性差
最小，故形成尖园褶皱或
肿缩式褶皱。
尖园褶皱
?当 ?2 与 ?4 之间的能干性
差居中，则形成平行褶皱
或相似褶皱。
弯滑褶皱作用 平行褶皱
平行褶皱
弯流褶皱作用 相似褶皱
相似褶皱
?当各岩层厚度都比较小
且粘度比较大时,各层应
变相互影响,总体上形成
不协调褶皱或 S,M,Z褶
皱。
?强硬层间相对距离对褶
皱形态的影响。
不协调褶皱
不协调褶皱或 S,M,Z褶皱
褶皱作用
（应变和流变学分析）
1,褶皱作用的基本概念及其类型
1.1 褶皱作用的基本概念
褶皱的形成方式与其受力状
态, 变形环境及岩层的变形行
为密切相关 。 从褶皱过程中岩
层的变形行为来看, 可把褶皱
分为 主动褶皱 和 被动褶皱 两类 。
当各岩层的力学性质和层
理积极地控制着褶皱的发育时，
这种褶皱称为 主动褶皱 。
?主动褶皱
当各层岩石间的 韧性差 很
小，层理在褶皱变形中不再具
有力学上的不均一性，而只是
被动地作为变形的标志，这种
褶皱称为 被动褶皱 。
?被动褶皱
许多被动褶皱是由沿平
行剪切面的不均匀剪切而形
成的，所以亦称 剪切褶皱 。
?剪切褶皱
1.2 褶皱作用的基本类型
?纵弯褶皱作用
?横弯褶皱作用
?剪切褶皱作用
?柔流褶皱作用
1.2.1 纵弯褶皱作用
平行于地质界面的挤压作
用引起的弯曲作用 。
1.2.2 横弯褶皱作用
垂直于地质界面的挤压作
用引起的弯曲作用。
1.2.3 剪切褶皱作用
与地质界面斜交的剪切力偶作用
引起的弯曲作用称 剪切褶皱 作用。
1.2.4 柔流褶皱作用
岩石体在高韧性和低粘度条件下发生
类似粘性流体的粘滞性流动形成的褶皱作
用行为称 柔流褶皱 作用。如肠状褶皱。
2,纵弯褶皱作用
2.1 单层纵弯褶皱作用
2.1.1 单个能干层在不能干基质中
的纵弯褶皱作用
? 岩石能干性
岩石抵抗塑性变形的能力 。
? 韧性
岩石发生破裂前的塑性变形
（ 应变 ） 量 。
能
干
的
（
砂
岩
）
不
能
干
的
（
页
岩
）
?影响岩石能干性的主要因素
物质组成
结构构造
温度
压力
流体
作用时间等
2.1.2 能干层发生褶皱作用的
主波长理论
假设：能干岩层的厚度 = h 粘度 = ?
不能干基质的厚度不限定 粘度 = ?0
在褶皱作用过程中 （ 图中 P为平行层
施加的作用力, K为基质 （ 介质 ） 的阻力 ）
,当能干层发生弯曲褶皱时, 垂直于层面
发生的位移为 u,并假设发生褶皱的初始
波长为 L0, 其相应的位移为 ?0 。
则有：
u = ?0 exp[t / a ] sin（ 2?x / L0 ）
（ 1）
（ 1） 中 t为时间,a为能干层与
介质的函数,x为平行层的距离。
这样,主导褶皱的波长 L
（ 主波长 ）为：
L = 2?h[? / 6?0 ]1 / 3 （ 2）
（ 2） 式中 L的制约因素为：
能干层的厚度和能干层与基质
（介质）之间的粘度比的立方
根。
对于弹性材料，则有：
L = 2?h[B / 6B0 ]1 / 3 （ 3）
B = E / （ 1－ ?2） （ 4）
其中,B和 B0 为能干层和
基质的弹性模量,E为扬氏模
量,?为泊松比。
2.1.3 主波长理论的 构造物理学
意义
? 当岩性一定时, ? / ?0 比为常
数, 褶皱的波长 L与层厚 h成
正比关系 。
? 当层厚一定时,h为常数，褶
皱的波长 L与层和介质之间的
粘度比 ? / ?0 非线性成正比关
系：
当 ? / ?0 ? 50时，形成肠状褶皱
当 ? / ?0 ? 10时，形成肿缩式褶皱
当 ? = ?0 时，只有顺层均匀缩短，
而不会发生褶皱。
2.1.4 影响褶皱波长发育的
主要因素
? 层厚 h
? 粘度比 ? / ?0
? 温度、应力和应变速率对粘度
的影响
?温度、应力和应变速率对粘度的
影响
? = ?? / 3? （ 4）
? = Aexp[-Q / RT ] (??)n （ 5）
其中,A为材料热散常数,Q
为材料激化能,R为气体常数,T
为温度,n为材料常数（应力指
数）,??为差异应力,?为应变速
率。
? 实例
实验表明：
在应变速率 ? = 10-14S-1条件
下, 当 ?Q / ?M ? 1,T ? 550℃ 时,
石英岩比大理岩更能干 。
当 ?Q / ?M ? 1,T ? 550℃ 时,
大理岩比石英岩更能干 。
2.2 多层纵弯褶皱作用
假设四层岩石的粘度分
别为,?1 ? ?2 ? ?3 ? ?4, 那
么有如下情况,
?当 ?1 ???4时
即岩石能干性差达最
大，则分布在软弱基质中
最能干的强硬层形成肠状
褶皱。
肠状褶皱
?当 ?3 ? ?4 时
因两者之间能干性差
最小，故形成尖园褶皱或
肿缩式褶皱。
尖园褶皱
?当 ?2 与 ?4 之间的能干性
差居中，则形成平行褶皱
或相似褶皱。
弯滑褶皱作用 平行褶皱
平行褶皱
弯流褶皱作用 相似褶皱
相似褶皱
?当各岩层厚度都比较小
且粘度比较大时,各层应
变相互影响,总体上形成
不协调褶皱或 S,M,Z褶
皱。
?强硬层间相对距离对褶
皱形态的影响。
不协调褶皱
不协调褶皱或 S,M,Z褶皱
