科学网—利用砂砾岩中的劈理恢复沉积层的古应力场
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2026-3-7 08:55
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利用砂砾岩中的劈理恢复沉积层的古应力场
----以狼山南麓李三沟组红层砾岩为例
什么是劈理？这种地质构造在地学研究中有什么作用？本文就以狼山南麓下白垩统李三沟组红层砂砾岩中的间隔劈理为例，介绍其特征、形成机理及其在恢复古应力场工作中的应用。
劈理 （ cleavage ） 的定义和基本特征：
在构造地质学和岩石学中， 劈理 （ cleavage ）是指岩石因变形和变质而形成的一类面状构造，在岩石露头上沿着劈理面可将岩石劈开。劈理将岩石分成两个域： 劈理域 （ cleavage domain ）及劈理之间的 微劈石域 （ microlithon ）。
劈理属于 叶理 （ foliation ）的一种，其分类尚不完善，不同的学者采用不同的分类，这里介绍其中之一：
劈理 可以分成 连续劈理 （ continuous cleavage ）和 不连续劈理 （ disjunctive cleavage ） 。
连续劈理 （ continuous cleavage ）：是均匀贯穿岩石内部的透入性劈理，岩石组构定向与劈理方向基本一致，典型代表为 板劈理 （ slaty cleavage ）、 千枚状构造 （ phyllitic structure ）和 片状构造 （ schistocity ），从板劈理到片状构造重结晶颗粒逐渐变大。
不连续劈理 或 分离劈理 （ Disjunctive cleavage ）之劈理域与微劈石域组构方向明显不同，又可进一步分成 间隔劈理 （ spaced cleavage ）和 褶劈理 （ crenulation cleavage ）。
褶劈理 （ crenulation cleavage ）是指一组先存的连续劈理被另一组劈理相切而组成的劈理组合，主要发生在千枚岩和片岩中，有人将褶劈理也划入间隔劈理范畴。
间隔劈理 （ spaced cleavage ）：是一组近乎平行的破裂面近等距相间分布的劈理，其劈理域可以有黏土物质，但其微劈石域却不具备定向构造。间隔劈理多常见于砂泥交互的未变质或轻变质的碎屑岩中，也可见于花岗岩中。间隔劈理过去曾称为破劈理（ fracture cleavage ），后来该名称逐渐被弃用。
下面这张图展示了劈理的英文定义和分类格局：
下面看看板岩中的板劈理实例（野外露头）：
下面是云母片岩中的褶劈理（显微照片）：
劈理在褶皱剖面上的延伸遵循核部对称规律，常见轴面劈理（即劈理面与褶皱的轴面基本平行），但因不同岩性的物性差异而发生“折射”现象，即不同岩性劈理与层面交角变化：
下面就以太行山元古宙浅变质石英砂岩中的间隔劈理为例展示其特征：
我们将硬度高而塑性低的岩层称作强岩层（competent bed），如石英砂岩或砾岩层，过去曾经翻译成“能干岩层”；将硬度低而塑性大的岩层称为弱岩层（incompetent bed），如泥岩或页岩层，过去曾称为“不能干岩层”；这两种旧称呼应该摒弃，毕竟岩层受力变形都是被动的，无法体现“能干”与否。现在我们根据上面实例（照片） 归纳一下间隔劈理的基本特征：
强岩层劈理外观明显，弱岩层劈理外观不明显（并非不存在）；
厚岩层劈理密度低，薄岩层劈理密度高；
强岩层发育典型的间隔劈理或不连续劈理；
弱岩层可发育典型的连续劈理 （如板劈理），但间隔劈理也可以存在；
劈理与层面交角记录了劈理的形成时段，也反映出岩性差异。
下面的照片揭示了劈理在地下的状态：紧闭而不透水。主要原因在于该劈理面垂直于最大主应力，因受挤压而闭合。
下面根据太行山黎城地质公园中的元古宙浅变质砂岩中的间隔劈理分析一下其形成机理（注：尚未见前人或教材中有这样的论述，本分析为吕洪波自己根据野外露头观察所作的初步归纳性认识）：
我认为这些劈理是褶皱之前发育的微型剪裂构造，因此其延伸方向基本垂直于层面。 在强岩层（ competent layer ）受到近乎水平的顺层挤压时，岩层沿着最大主应力（ σ1 ）方向发生水平收缩，而在最小主应力方向（ σ3 ）发生伸展逃逸，同时形成早期平面 X 共轭剪面。当通过这样的变形无法消耗掉应力时，特别是含有不同大小的脆性砾石时，岩层的不均匀导致相邻颗粒伸展强度不一，因而在局部产生剪切作用，有的为左旋，有的为右旋（见下图），明显的标志就是以石英岩为主的砾石被剪破，含砾砂岩或砾岩岩层形成与层面近垂直的剪破裂面 -- 间隔劈理（破劈理）。当 进一步变形导致岩层褶皱时，已经形成的破劈理随着岩层褶皱旋转。
这也是我们利用早期平面X共轭剪面和劈理面恢复古应力场的理论基础。
下面就利用狼山南麓下白垩统李三沟组红层砂砾岩中的间隔劈理（即过去所称的破劈理）恢复该区晚白垩世的古应力场（结合早期平面X共轭剪面和晚期剖面X共轭剪面）：
狼山南麓李三沟组红层以逆冲片形式赋存，其中明显的特征是普遍发育间隔劈理构造：
我们测量了狼山南麓李三沟组和巴音戈壁组沉积层中的某些变形要素，以恢复其古应力场并与狼山北侧测老庙坳陷对比。这里还是借助于两套碎屑岩地层中的早期平面 X 剪节理，再加上红层普遍发育的劈理构造和少量其他构造（表 2 ）。狼山变质杂岩区经历了更加复杂的变形历史，包括新生代地壳活动的改造和叠加，构造事件时限难以厘定，暂不予讨论。
根据褶皱阶段划分沉积层变形期次：褶皱之前首先形成的早期平面 X 剪节理为第一期（ I ），褶皱之前形成的劈理为第二期（ II ），褶皱之后形成的剖面 X 剪破裂为第三期（ III ）（表 2 ）。
平面 X 剪节理： 平面 X 剪节理（见表 2 中的点 386* 、点 288 、 381 、 392 ）作为早期变形标志，用于恢复最初的最大主应力方位。经过赤平投影恢复最大主应力方位为 NW—SE 方向（见表 2 ，图 21 ）。可见，狼山南麓巴音戈壁组和李三沟组所经历的主压应力方位大致一样。对比狼山北侧测老庙坳陷中的巴音戈壁组与狼山南侧的两套地层，所经受的早期应力场基本都是 NW—SE 方向的挤压作用。这说明狼山南北的广大区域内在早白垩世碎屑岩沉积后都处于统一的应力场中。
间隔劈理 （ spaced cleavage ） ： 狼山南麓李三沟组中的劈理构造（图 21b ，图 22 ）成为恢复古应力场的重要标志。
经典教材和专著中介绍：劈理构造多被看作晚期变形构造，即：一般形成于褶皱构造之后，在紧闭褶皱的两翼对称发育（ Davis and Reynolds, 1996， 443页 ）。然而，这里的间隔劈理却明显形成于褶皱之前，证据就是狼山南麓拖曳褶皱层显示劈理随着岩层褶皱而旋转，但仍保持与层面垂直的关系不变。
我们将这些因拖曳褶皱而直立的岩层的层面产状和其劈理面的产状测量后在室内进行赤平投影，将岩层恢复到水平方向上后，劈理方向完全吻合，其所反映的古应力场也完全一致：
下面是不同露头上的测量和恢复结果（表2）：
下面是部分野外露头照片：
下面是早期平面X共轭剪面野外照片：
我们对李三沟组红层 22 个露头点砂砾岩的岩层和劈理构造进行了详细的产状测量，通过野外现场或室内赤平投影操作恢复到地层水平状态下的最大主应力方位： NW—SE ，无一例外。唯一的区别是有的倾向北西，有的倾向南东（表 2 ），说明受到挤压时地层有所起伏。
下面展示剖面X共轭剪面及其古应力场恢复原理：
剖面 X 共轭剪面： 剖面 X 共轭剪面被看作褶皱之后继续遭受水平挤压而形成的晚期破裂构造，其特点是共轭剪面的交线（ σ 2 ）水平，最大主应力方位（ σ 1 ）也近水平，而最小主应力方位（ σ 3 ）垂直。狼山南麓的巴音戈壁组巨砾岩中发育典型的晚期剖面 X 共轭剪面（图 23 ），反映了褶皱后构造运动的主应力方位。其中有一处演化成明显的小型逆断层，将巨型砾石剪切错开（图 23a ），另一处位移不明显（图 23b ）。经赤平投影找到两组共轭剪面的角平分线，其中近水平者代表最大主应力方位，两处构造均显示为 NW—SE 方向（表 2 ，图 23 ）。
经过上述简单分析，从早期的平面 X 剪节理到间隔劈理，再到晚期剖面 X 共轭剪面，所反映的最大主应力方向均为 NW—SE 方向（表 2 ，图 21 、 22 、 23 ）。这说明伴随着狼山隆起的最大主应力方位就是 NW—SE 方向，从早到晚的递进应变过程中最大主应力方向基本保持不变，应该是鄂尔多斯地块持续向狼山之下俯冲的结果。这些构造与狼山山前逆冲断裂（图 15 、 16 ）动向一致，包括狼山南麓巴音戈壁组和李三沟组断层接触带（图 24 ）等一系列逆冲带。这种向北西方向的俯冲和碰撞最终定位了狼山的走向： NE—SW ，也限制了河套平原的延展方向（图 18 ）。
相关讨论的详细内容请参阅我们发表在《地质论评》上的最新论文：
吕洪波，冯雪东，王俊，朱晓青，董晓朋，张海春，李莎，郑大燃，张琦 . 2025. 盆山耦合的关键问题及其在狼山与两侧白垩纪盆地研究中的应用。地质论评， 2025.12.20 网络首发。网络连接： https://www.geojournals.cn/georev/georev/article/abstract/20257106051
下篇博文将介绍本文研究的主要认识：大地构造意义。
吕洪波
2026.03.07
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