尺皱(scale-folds)的应变分区:东南喀尔巴阡山脉中序列内与序列外的收缩变形

《Tectonophysics》:Strain partitioning of scale-folds: In- versus out-of- sequence contractional deformation in the Southeastern Carpathians

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月31日 来源:Tectonophysics 2.4

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  摘要在 thinly skaled thrust 带中观察到了不对称的区域褶皱,这些褶皱具有增厚的枢纽、变薄的侧翼以及被前陆高角度逆断层截断的翻转地层。这些结构以前被定义为“scale-folds”。这种褶皱类型沿造山走向显示出明显的应变分异,尽管对所涉及的变形机制的理解仍然相对

  

摘要

在 thinly skaled thrust 带中观察到了不对称的区域褶皱,这些褶皱具有增厚的枢纽、变薄的侧翼以及被前陆高角度逆断层截断的翻转地层。这些结构以前被定义为“scale-folds”。这种褶皱类型沿造山走向显示出明显的应变分异,尽管对所涉及的变形机制的理解仍然相对有限。我们的目标是通过在欧洲东南喀尔巴阡山脉的 Vrancea 构造半窗区进行运动学研究来定义这种 scale-folds 的应变分异机制,该地区包含了遭受高度变形的白垩纪至最早中新世的地层。通过对 scale-fold 结构的分析,并结合可用的深度信息和从地表到地下的投影数据,我们发现它们的初始形成后,变形沿造山走向逐渐发生了非序列化的分异。在半窗区的中心形成了千米级的剥离褶皱,而变形则向边缘转移,表现为低角度逆冲作用和前端羽毛状构造的增强。这种转移是通过减少沿地图视域中区域结构(称为撕裂褶皱)的褶皱量来实现的。与建模研究的相关性表明,这种转移是由流变学上较弱的层内的机械解耦控制的,这与合成运动学剥露过程有关。这种相关性还表明,东南喀尔巴阡山脉的变形过程是分阶段进行的,其表现形式与之前的认识不同。变形机制解释了在构造半窗区观察到的差异性剥露现象,并为更好地理解流变学性质不同的地层中的应变分异提供了基础。

引言

人们对 thinly skaled 折皱-逆冲带中的变形机制通常基于露头观测结果并结合地下数据来进行解释。从经典的亚水平剥离层控制沉积楔体解耦的解释(例如 Rich, 1934; Kuenen 和 de Sitter, 1938; Bally 等, 1966; Chapple, 1978 等)开始,以往的观测和建模研究显著推进了人们对这些带中活跃机制的理解(例如 Suppe, 1985; Boyer, 1995; Graveleau 等, 2012; Ruh 等, 2012 等)。沉积物的力学性质决定了变形的机制,包括其形成方式、横向连续性、褶皱与断层结构之间的联系以及它们随缩短作用的演变(Elliott, 1976; Chapple, 1978; Davis 等, 1983; Parker 和 Pearson, 2021; Tavani 等, 2021)。已经定义了一些通用的结构机制,如剥离褶皱、断层弯曲褶皱和褶皱扩展褶皱及其组合,这些机制控制着 thinly skaled 折皱-逆冲带的几何形态(例如 Suppe, 1983, 1985; Jamison, 1987; Mitra, 1990, 2002; Mercier 等, 1997; Cardozo 等, 2003; McClay, 2011; Deng 等, 2013; Butler 等, 2025; Nabavi 和 Fossen, 2025)。先前的建模研究表明,沉积物的力学性质控制着变形的解耦或分异,从而影响观察到的运动学机制(Stockmal 等, 2007; Willingshofer 和 Sokoutis, 2009; Smit 等, 2010; Ruh 等, 2012; Deng 等, 2013; Duretz 和 Schmalholz, 2015; Schellart 和 Strak, 2016; Munteanu 等, 2019; Humair 等, 2020)。
在露头中观察到的变形现象,并通过区域结构进行归类时,往往偏离了标准的变形机制,尤其是褶皱的几何形态和叠加方式更为复杂(例如 Nabavi 和 Fossen, 2021, Nabavi 和 Fossen, 2025 等)。例如,最初由流变学上较弱和较强的层交替组成的层状地层可能会发展出高密度的露头尺度变形结构,这些结构在区域上被定义为“scale-folds”,其机制已在欧洲东部喀尔巴阡山脉的 thinly skaled thrust 带中通过野外运动学观测和地下信息得到了确认(图 1,例如 Nistor 等, 2025)。一个 scale-fold 作为一个初始的剥离褶皱开始形成,并逐渐发展为一个区域性的不对称褶皱,其特征是陡峭或翻转的延长侧翼和增厚的褶皱枢纽,最终被高角度逆断层截断(图 1)。
东部喀尔巴阡山脉的例子表明,在逐渐增加的变形量下,scale-folds 的振幅是可变的,并可能被大偏移量的低角度逆冲、逆冲或前端羽毛状构造所截断,这些构造能够快速沿其走向传递位移和缩短量(Nistor 等, 2025)。这一观察结果与建模研究一致,后者表明,在流变学性质不同的地层中,变形远不如在均匀地层中那样呈圆柱形,而是通过沿走向短距离传递变形的结构来适应(Schmid 等, 2008a; Collignon 等, 2015; Roy 等, 2024)。在运动学研究中,这种传递是通过断层结构(如弯曲逆冲断层或撕裂断层)来定义的,无论这些结构是否与侧向斜坡相关,或者是否与沿走向的缩短量变化或内部地层厚度变化有关(Hinsch, 2013; Edey 等, 2020; Krstekani? 等, 2020)。尽管类似的侧向变化是众所周知的,例如通过在不同背斜和/或向斜之间传递缩短量,或者通过沿走向的弯曲(Grasemann 等, 2004; Bretis 等, 2011; Giampaoli 和 Rojas Vera, 2018),但驱动区域褶皱应变分异的机制仍不为人所充分理解,scale-folds 的情况也是如此(图 1)。
在罗马尼亚东南喀尔巴阡山脉 Vrancea 构造半窗区的 Tarc?u 单元下暴露的高度变形的白垩纪至最早中新世地层中,观察到了一个涉及 scale-folds 的有趣应变分异例子(图 2, 图 3)。我们通过结合和对比露头尺度的运动学观测结果、可用的地质和地球物理地下数据以及之前的低温热年代学研究,对该构造半窗区进行了结构分析。我们的目标是了解 Vrancea 构造半窗区中暴露的 Marginal Folds 单元的运动学特性,以进一步确定形成反旋几何形态的生成机制、变形的横向传递以及在逐渐增加的缩短过程中的应变分异。

章节片段

东南喀尔巴阡山脉的地质背景

喀尔巴阡山脉的现今结构最终形成于最后的阿尔卑斯造山周期(例如 Golonka 等, 2021)。这一周期的特点是中侏罗世至早白垩世阿尔卑斯特提斯洋东部分支的开启,随后在晚早白垩世至中新世经历了闭合(例如 Ceahl?u-Severin, S?ndulescu, 1988; Schmid 等, 2008b; Pla?ienka, 2018)。整个奥利戈新世至中新世的缩短总量已经

方法论

我们进行了露头运动学和结构分析,以研究 Vrancea 构造半窗区中 Marginal Folds 单元及其邻近的 Tarc?u 和 Subcarpathian 单元中暴露的变形(图 3)。下白垩纪至最早中新世的沉积物最初似乎在随后的变形之前就已经形成了。我们描述了这些结构及其叠加关系,特别关注了之后的旋转、倾斜和截断现象

野外运动学

在研究区域内记录到的大量缩短作用表现为密集的露头尺度变形特征(图 5)。根据叠加标准识别出的最古老的变形特征是等斜褶皱(f1,图 5a),主要出现在剥离层或主要剪切带的趾部(C1,图 5d),通常存在于流变学上较弱的层中,如远洋页岩或低密度的浊积岩(例如,图 6a)。它们的几何形态随后发生了倾斜

区域剖面的解释

通过将野外运动学数据与地层观察结果、层理测量和可用的地下信息相结合,我们在研究区域内构建了两个东西向的区域剖面(图 9)。由于 Vrancea 半窗区存在厚层的白垩纪沉积物,这些沉积物对勘探行业的吸引力较小,因此井数据十分稀缺,仅限于研究区域的最东部。剖面从

变形机制

野外运动学分析与区域剖面的结合表明,Marginal Folds 单元的现今几何形态是由基底剥离层和相关褶皱引发的连续多阶段变形作用的结果,这种变形逐渐演变为不对称褶皱,并通过 Tarc?u 单元及其前端羽毛状构造的逆冲作用形成了一个双重构造(图 10a-e)。双重构造的形成之后是

结论

之前将 scale-fold 结构定义为具有增厚枢纽、变薄侧翼和被前陆高角度逆断层截断的翻转地层的不对称区域褶皱,这种现象出现在流变学性质不同的层理特征的 thinly skaled thrust 带中的沉积物中。我们研究了欧洲东南喀尔巴阡山脉 Vrancea 构造半窗区中观察到的这种应变分异情况,该区域包含了高度变形的白垩纪地层

CRediT 作者贡献声明

Valentin Nistor:撰写——初稿、可视化、方法论、调查、形式分析、概念化。Liviu Matenco:撰写——初稿、可视化、监督、方法论、调查、形式分析、概念化。Teodor Gheorghe:方法论、调查。Ernst Willingshofer:撰写——审阅与编辑、概念化。Ioan Munteanu:可视化、方法论、调查、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益和个人关系。

致谢

这项研究是荷兰 乌得勒支大学 地球科学系与罗马尼亚 布加勒斯特大学 地质博士学院、
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