大型鞘褶构造中断裂网络的定量表征：基于野外调查和无人机的数字露头模型分析（意大利利古里亚阿尔卑斯山区）

《Journal of Structural Geology》：Quantitative characterization of fracture network in large sheath-fold: field and UAV-based digital outcrop model analysis (Ligurian Alps, Italy)

本文以意大利利古里亚阿尔卑斯山的Caprazoppa褶皱为例，通过野外地质调查和数字露头建模方法，系统分析了高应变剪切褶皱的断裂网络特征及其与褶皱几何形态的关联。研究发现，强烈弯曲的sheath褶皱轴部控制了断裂网络的发育，形成K?（垂直褶皱轴）、K∥（平行褶皱轴）和两组共轭剪切断裂（Kconj1,2），其空间分布与褶皱曲率高度一致。后续的弱应变变形阶段仅对 schist 成分产生显著影响，而晚期的脆性断层主要复激活早期定向排列的断裂系统。该成果为复杂构造区断裂网络解译提供了新方法。

　　### 地质结构与断裂网络的复杂性

在经历了多期复杂的变形事件后，岩石中的构造断裂网络通常被认为具有高度的不确定性。这种不确定性源于多个因素的相互作用，包括岩石的组成、成岩作用、构造位置、褶皱的弯曲以及构造应力历史的变化。然而，一些研究指出，在大型褶皱的高曲率区域，实际测量的断裂集合与理论预测的几何形态之间往往表现出良好的一致性。本研究以意大利西北部阿尔卑斯山的“Caprazoppa褶皱”为例，该褶皱属于变质碳酸盐序列的一部分，其规模达到千米级别，并且经历了多个区域变形阶段。我们结合实地调查和数字露头模型（DOM）技术，对这一褶皱及其相关的断裂网络进行了结构分析，揭示了断裂集合的取向与三维褶皱结构之间的关系。

### 多阶段变形的地质背景

Caprazoppa褶皱所在的利古里亚阿尔卑斯山是整个阿尔卑斯造山带最南端的一部分，其形成是由于亚得里亚板块与欧洲板块的碰撞。这一碰撞过程伴随着利古里亚-皮埃蒙特海的闭合，发生在始新世至早始新世。该地区经历了多种变形阶段，包括不同的褶皱和断裂活动。早期的D1变形阶段与主要逆冲构造的形成相关，其特点是形成了具有强烈SW向倾伏的等斜褶皱，轴面通常呈低角度倾斜，并且常伴有弯曲的褶皱轴。D2阶段则表现为反向逆冲构造，与D1阶段的褶皱轴方向相反，同时轴面角度更陡。D3阶段主要产生大尺度、开放且直立的褶皱。在晚始新世至中新世期间，利古里亚地区的地壳经历了逆时针旋转超过50°，这一过程与亚得里亚板块向欧洲板块下方的侵入以及西地中海俯冲带的回撤密切相关。回撤导致了阿平尼山脉的逐步迁移，并促进了利古里亚-普罗旺斯盆地的形成。在这一时期，阿尔卑斯构造单元被第三纪皮埃蒙特盆地的浊积岩所覆盖。而Caprazoppa地区的碳酸盐序列则被更新世的软沉积变形结构所覆盖，这些结构记录了地震活动。

### 实地与数字露头模型的综合分析

为了更全面地理解Caprazoppa褶皱及其相关断裂网络的几何关系，我们对研究区域进行了详细的实地调查，并结合数字露头模型（DOM）技术，生成了两个DOM模型，分别称为St-DOM1和St-DOM2。这些模型涵盖了该褶皱的南部部分，为断裂网络的定量分析提供了重要的基础。实地调查中，我们在九个不同的构造站点（St1-9）采集了断裂数据，并通过传统罗盘和倾角仪进行测量。由于植被覆盖较为严重，这些构造站点的选择主要基于较为暴露的岩石露头。此外，我们还利用无人机获取的DOM数据，对两个陡峭的悬崖进行了手动测绘，以进一步验证断裂数据。

### 断裂网络的几何特征

通过对实地和DOM数据的综合分析，我们发现断裂集合的取向在不同构造位置上表现出显著差异。特别是在与褶皱轴线平行和垂直的断裂集合（K//和K⊥）中，它们的取向与褶皱的几何形态高度相关。在一些构造站点中，这些断裂集合呈现出近似垂直的排列，而在其他站点中则表现出更复杂的共轭剪切断裂集合（Kconj1和Kconj2）。这些断裂集合之间的角度变化较大，表明它们的形成可能受到不同的构造应力场影响。值得注意的是，尽管这些断裂集合与岩层之间保持垂直关系，但它们在不同构造位置上的取向却存在显著差异，这与简单褶皱结构中的断裂取向不同。

### 构造轴线的推断

为了更准确地推断Caprazoppa褶皱的构造轴线，我们基于断裂集合的几何特征进行了分析。假设构造轴线与岩层和K//断裂集合的交线方向一致，我们对各个构造站点和DOM模型中的断裂数据进行了处理，得到了构造轴线的取向。这些取向与我们在实地调查中直接测量的构造轴线结果相吻合，表明该褶皱具有两个主要的构造轴线方向：WSW-ENE和NNW-SSE。这两个方向之间的夹角约为70°，进一步支持了该褶皱为非圆柱形构造的观点。此外，我们还发现某些构造站点的断裂数据存在异常，这可能与该褶皱的局部构造特征有关，而非整体构造的控制。

### 断裂与褶皱的相互作用

研究结果表明，在高应变区，尤其是弯曲的非圆柱形褶皱中，断裂网络的形成主要受到构造弯曲的影响，而非单纯的简单剪切应力场。在这些区域，断裂集合的取向与褶皱轴线之间存在密切的对应关系，这种关系在一定程度上可以用来推断褶皱的几何形态。相比之下，较弱的岩石在后续的剪切和褶皱阶段中表现出更多的断裂重组现象，而较强岩石则保留了早期的断裂集合。这表明，在构造变形过程中，岩石的力学性质在控制断裂网络的发展中起到了重要作用。此外，晚造山期的脆性断裂活动在某些方向上选择性地重新激活了早期形成的、取向有利的断裂，这进一步说明了构造变形对断裂网络的控制作用。

### 研究的意义与应用

本研究的成果对于理解多期变形区域中的断裂网络具有重要意义。尽管在复杂的构造环境中，断裂的形成受到多种因素的影响，但高应变区的构造弯曲对断裂网络的几何特征具有主导作用。这一发现为在缺乏良好露头和构造指标的地区推断褶皱的几何形态提供了新的方法。通过结合实地调查和数字露头模型技术，我们能够更精确地识别和分析断裂集合的取向，从而揭示构造变形的细节。这种跨尺度的分析方法不仅适用于Caprazoppa褶皱，也为其他类似的构造区域提供了借鉴。

### 未来研究方向

本研究为多期构造变形区域的断裂网络分析提供了新的视角。然而，未来的研究可以进一步探索不同岩石类型对断裂网络的影响，以及在不同构造阶段中断裂的再激活机制。此外，结合地球物理数据和数值模拟，可以更深入地理解构造变形的动力学过程。随着技术的发展，数字露头模型和无人机摄影测量等方法在构造地质学中的应用将更加广泛，为更精确地识别和分析构造特征提供了可能。这些方法不仅提高了数据的获取效率，还增强了对复杂构造网络的可视化和定量分析能力。