收缩环境中的弯曲褶皱：来自智利北部安第斯山脉中部霍尔尼托斯褶皱-冲断带的见解

《Journal of Structural Geology》：Curved folds in contractional settings: insights from the Hornitos Fold-and-Thrust Belt, Central Andes of northern Chile

智利北部Hornitos褶皱冲断带Paipote溪流西侧的弯曲褶皱结构研究表明，其沿走向变化受早中生代伸展构造（正断层系统）控制，多期次缩短导致差异变形，三维形态与基底先存结构密切相关。

　　

F. Martínez|C. Arriagada|C. Schultz|Y. Heredia

智利圣地亚哥安德烈斯贝洛大学工程学院地球科学学院地质学专业，共和国大道220号

摘要

在安第斯褶皱-逆冲带中，弯曲结构，尤其是收缩性褶皱，是最神秘的结构类型之一。这些结构通常表现出明显的沿走向变化，这阻碍了对其三维特性的解释，并导致它们被归类为复杂的断层相关褶皱。在智利北部，特别是在前缘山脉的最西端，Hornitos褶皱-逆冲带为研究这些结构提供了一个天然实验室。在该地区，上白垩统至古新世的火山岩和沉积岩层参与了褶皱的形成，这些褶皱表现出显著的沿走向变化，而这一几何特征尚未得到充分解释。为了更好地约束这些结构的几何形状和运动学特性，我们在Hornitos褶皱-逆冲带的北部进行了结构研究，研究工作基于实地观察、卫星图像和地质剖面数据。我们的研究结果可能对全球其他造山带中的类似褶皱系统具有参考价值。这些褶皱的几何形态与逆冲断层相关的厚皮变形一致，这是智利前缘山脉的经典结构特征。然而，它们的局部沿走向变化似乎受到古代前新生代基底相关结构的控制，这些结构与前安第斯中生代伸展构造有关。在区域尺度上，褶皱主要呈北北东（NNE）走向，但在局部区域则变为近东西（W–E）走向。在智利北部，前安第斯伸展构造主要表现为北北东走向的正断层，这些断层通过东西走向的横向伸展元素（如过渡坡、适应带和传递断层）相连。我们认为，收缩性缩短作用可能叠加在这些古老结构之上，从而产生了观察到的褶皱和断层的局部沿走向变化。这一过程可能发生在多次收缩事件期间，正如上白垩统至古新世同造山作用期间形成的地层所记录的那样。尽管缺乏大量地下证据，但我们得出结论：褶皱-逆冲带中的弯曲褶皱可以在古代伸展构造基础上直接形成，作为对原始伸展框架中不均匀性的结构响应。在随后的缩短过程中，这些古老结构可能引发局部和区域性的扰动、差异性缩短以及次级结构的发育，最终决定了断层相关褶皱的最终三维几何形态。

引言

“弯曲褶皱”是一个非正式术语，一些构造地质学家用它来描述那些无论其运动学起源如何，在平面图或剖面图中都表现出显著沿走向变化的褶皱。这种几何特征通常与褶皱叠加模式相关（Ramsay, 1962），这种模式是由多次变形事件产生的褶皱叠加而成的。这种分类的一个关键标准是原始褶皱轴线的变形程度，这种变形往往导致复杂的结构，使得褶皱-逆冲带的几何和运动学特性难以理解（Alvarez-Marron, 1995; Calamita et al., 2012; Pace and Calamita, 2015）。

智利北部的中央安第斯地区（图1）包含多个褶皱-逆冲带及其相关的山间盆地，这些盆地中既有薄皮断层相关褶皱也有厚皮断层相关褶皱（Moscoso and Mpodozis, 1988; Arriagada et al., 2006; Amilibia et al., 2008; Armijo et al., 2015; Martínez et al., 2016, 2024; Giambiagi et al., 2022; López et al., 2023等）。这些逆冲系统从晚白垩世一直演化至今。最近在该地区不同纬度进行的研究，结合实地观察和工业2D地震数据表明，许多安第斯结构是由先前存在的、涉及基底的正断层逆活化形成的，这些正断层最初界定了中生代伸展盆地。此外，还有一些结构是通过新形成的新生代逆冲系统的传播而形成的（Amilibia et al., 2008; Fuentes et al., 2018; Henríquez et al., 2018; Martínez et al., 2021; López et al., 2022; Martínez and Rojas-Vera, 2025）。

Hornitos褶皱-逆冲带是一个北北东走向的构造域，延伸近300公里，构成了智利北部前缘山脉的最西端边界（图1），并与海岸山脉的东侧相连。其构造特征包括一系列公里级规模的弯曲和S形褶皱（Arévalo, 2005; Pe?a et al., 2013），这些褶皱主要涉及上白垩统至古新世的沉积岩和火山岩层，以及沿轴向表面常见的多个新生代侵入体（Martínez et al., 2023）。尽管之前的研究（Mpodozis and Allmendinger, 1992; Cornejo et al., 2003; Arévalo, 2005; Martínez et al., 2016）提出了两种不同的模型来解释这些结构的形成机制——一种认为与地壳缩短有关，另一种认为与构造伸展有关——但目前普遍接受的是与缩短相关的模型。

尽管之前的研究主要集中在理解Hornitos褶皱-逆冲带（图1）的区域尺度机制及其与相邻地区（如海岸山脉和前缘山脉；图1）的构造抬升之间的关系，但仍有一些关键方面尚未得到探索。这些方面包括弯曲褶皱的三维几何描述、断层相关褶皱的运动学特性、它们与主要相邻断层的关系、褶皱形成的时间以及它们与古老构造体制重新激活的潜在联系等。

为了对这些关键方面提供新的见解，我们在Hornitos褶皱-逆冲带北部的Paipote Creek地区分析了褶皱的几何形态（图2）。根据这些褶皱的几何特征及其与当地断层的结构关系，我们讨论并提出了与断层相关褶皱传播相关的运动学模型。然而，详细的动态分析（例如，基于古应力测定和/或褶皱前恢复）超出了本研究的范围，因此在此不予讨论。本研究主要基于从实地数据中获得的断层相关褶皱的区域和局部尺度几何分析，并将其纳入地质剖面中。我们探讨了该地区弯曲褶皱的形成可能受到以下因素的控制：a) 已存在结构的几何形态；b) 多次地壳缩短阶段；c) 力学性质较弱的岩层单元；d) 主要断层上的显著侧向（走滑）位移。最后，我们提出了一种可能的运动学机制，可以解释褶皱的最终几何形态。理解这些结构的几何形态对于变形区域的精确构造分析至关重要（Navabi and Fossen, 2021），并且可以为全球类似构造域的解释提供参考，尤其是在有地下数据的情况下。

虽然这里呈现的结果主要基于实地观察和卫星图像，但它们为理解收缩环境中的复杂结构提供了关键见解，并为与其他构造情景、地震数据、模拟模型以及学术、科学和勘探用途中常用的其他工具的比较提供了基础。

方法论

野外测绘。我们采用了传统的地质测绘技术，首先利用卫星图像识别区域尺度的结构和地质单元，然后进行详细的野外验证。主要地层序列的横向和纵向划分完全基于岩石学标准，并与Arévalo（2005）和Pe?a et al.（2013）在相邻区域已绘制的单元进行对比。褶皱的识别基于...

Hornitos褶皱-逆冲带中的结构

我们的分析重点关注Paipote Creek沿线暴露出的结构，特别是Paipote断层西侧的结构，因为这些结构提供了极佳的三维暴露效果，并表现出明显的沿走向变化（图2）。总体而言，该区域的褶皱是非圆柱形结构，在平面图中以东北（NE）走向为主，具有S形几何形态。在Paipote Creek以南，有三个特定的褶皱：Paipote向斜、Chulo背斜和Cinchado...

断层相关褶皱类型的解释

在研究区域的相邻部分（海岸山脉和前缘山脉），通常可以识别出两种类型的结构：薄皮断层相关褶皱和厚皮断层相关褶皱（Jensen, 1976; Moscoso and Mpodozis, 1988; Martínez et al., 2016; Pe?a et al., 2023）。这些解释主要基于古生代结晶基底岩石是否参与了收缩性褶皱和逆冲断层的形成，其中许多褶皱在前缘山脉中清晰可见。

讨论

无论褶皱-逆冲带由薄皮结构还是厚皮结构组成，沿走向的变化都是其常见特征。造成这些变化的因素可能包括：a) 逆冲前的地层模板中的构造不均匀性（例如正断层系统和线性构造的存在；b) 多次缩短事件的叠加；c) 地层的力学性质变化；e)...

结论

本文的结果有助于理解褶皱-逆冲带中弯曲褶皱的几何形态和可能的运动学特性。一个合理的假设是，这些褶皱可能在局部受到前兆裂谷相关结构的控制，这一点已在模拟模型和地震数据中得到证实。然而，很多时候由于缺乏地下数据（尤其是3D地震数据），很难证明这一点，因此其地下表现...

CRediT作者贡献声明

YARA HEREDIA： 方法论。CRISTIAN SCHULTZ： 方法论。CESAR ARRIAGADA： 方法论、形式分析。FERNANDO MARTINEZ： 文稿撰写、初步调查、概念构思

未引用参考文献

Henriquez et al., 2018; Turner and Weiss, 1963.

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：

FERNANDO MARTINEZ表示得到了安德烈斯贝洛大学的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了智利圣地亚哥安德烈斯贝洛大学资助的研究项目DI-07-24/REG“智利北部（21°–23° S）安第斯前弧的构造序列恢复”的支持。我们感谢Geologistica公司在野外考察期间的后勤合作，也感谢Mary Ragan提供了StructureSolver软件的学术许可，用于开发前向模型和恢复褶皱结构。最后，我们感谢Paolo的建议...