3Dフォールドの進化

地質学において、3D 褶曲の進化とは、褶曲の完全な 3 次元構造が時間とともに変化する様子を研究するものである。褶曲は、応力下でのひずみ変形に関連する一般的な 3 次元の地質構造である。3次元における褶曲の進化は、褶曲の成長と褶曲の連結という 2 つの段階に大別できる。この進化は、褶曲の運動学^[1]、褶曲のメカニズム[ ^{2] [3] 、}および褶曲の背後にある歴史と褶曲の年代を理解する関係性の報告に依存している。^{[4]褶曲の進化の進行を再構築する方法はいくつかあるが、特に}堆積証拠、地形学的証拠、バランスのとれた復元を使用する方法がある。^{[5] [6]}

圧縮応力下では、褶曲は褶曲の頂部と頂部に垂直な方向の両方で、垂直褶曲の増幅と横方向の褶曲の伝播を含む3次元すべてで成長します。3次元的な褶曲の成長は、イラクとイランのザグロス山脈^[6]や米国カリフォルニア州のウィーラーリッジ^[7]などの地域で観察されています。

褶曲の垂直方向の寸法は振幅で表すことができます。褶曲の水平方向の寸法は波長と褶曲のヒンジラインで表すことができます。褶曲が3次元的に成長するにつれて、振幅、波長、ヒンジラインの長さが増加します。^[8]

鞘褶曲は、層間の応力の強さの差により、岩石が単純せん断に対して異なる反応を示す領域で形成される。鞘褶曲ではヒンジラインが大きく曲がっている。^[9]

力を受けると、岩石層の座屈は、ヒンジの移動または肢の回転のいずれかの運動学的プロセスによって発生します。^[1]

地層がヒンジ移動によって折り畳まれる場合、褶曲ヒンジは移動できるが、地層が肢回転によって折り畳まれる場合、ヒンジは固定される。 ^[10]褶曲構造全体における褶曲ヒンジの少なくとも1つは、3次元褶曲成長中に可動である。^{[1] [11]}たとえば、運動モデルによって示されるように、断層伝播褶曲の構造には、移動するヒンジを持つ3つの背斜/向斜と、固定されたヒンジ肢回転を持つ1つの背斜が含まれるはずである。^{[1] [12]}

ヒンジ移動は、いくつかの構造的および地形学的特徴によって肢回転と区別することができます。 ^[1]

成長層は、シンテクトニック層とも呼ばれ、褶曲と同時に堆積する堆積層です。これらの層は、背斜の頂上に向かって地層の厚さが薄くなるのが特徴です（図1）。さまざまな幾何学的パターンで存在します。幾何学的パターンの変動は、褶曲の運動学、隆起速度、堆積速度に起因すると考えられます。^{[1] [10] [13]}

ニックポイントとは、現在または廃墟となった川の谷の一部で、傾斜が急激に変化している部分を指す地形学用語で、差異侵食や構造変形に起因すると考えられる。通常、滝や湖に関連している。^[14]

風の隙間の定義については、サブセクション「褶曲の先端の周囲で偏向する流れ」を参照してください。

長期にわたる 3D 成長を経験する褶曲は、その原因によって、デタッチメント褶曲と強制褶曲の 2 つのグループに分けられます。これらは主に、強制褶曲では褶曲構造に対する主要な断層制御が存在するのに対し、デタッチメント褶曲ではそれが存在しないことで区別されます。雁行褶曲、ドラッグ褶曲、ロールオーバー背斜など、 3 次元すべてで顕著な褶曲成長に寄与しない褶曲原因は、これらのグループには含まれません。^{[16] [17]褶曲の進化を理解することは、}石油地質学者が炭化水素の構造トラップの分布をよりよく理解するのに役立つため重要です。^{[18] [19] [20]}

図4のデタッチメント褶曲の視覚的な類推で示されているように、褶曲はデコレメント（紙：無能）より上の岩層に見られますが、その下の岩層（表：有能、変形すると破断する）は変形しません。これは、デコレメントより上の岩層に短縮ひずみが集中しているためです。^{[3] [21] [22]}重なり合う地層が対照的な有能性を獲得する状況では、デコレメント（紙と表の境界面）は通常、有能な岩石単位（砂岩など）の地層に沿って、または有能な岩石単位と無能な岩石単位（蒸発岩など）の境界に沿って見られます。褶曲は、デコレメントより上の岩石層が地層と平行または低角度で短縮応力を受けると、振幅が大きく、波長が長くなり、幅が広くなります。応力パラメータとは別に、地層間のコンピテンシーのコントラストとデコルマンに沿った変位の変化が、褶曲の形状と3次元成長パターンに寄与する主な要因です。^{[23] [24]}

強制褶曲の一般的な2つのタイプは、すなわち、断層屈曲褶曲と断層伝播褶曲である。断層屈曲褶曲では褶曲ランプの上盤より上で褶曲が発生するのに対し、断層伝播褶曲では逆断層の切断部（断層の先端）より上で褶曲が発生する。これらは通常、片側の縁がもう片側よりもはるかに急勾配であり、高度に非対称である。^[3]短縮応力は通常、地層に対して高角度であり、逆断層のすべり面と上盤に集中する。褶曲は、下にある同時期の逆断層の断層面に沿って岩石が滑るにつれて、振幅が大きくなり、波長が長くなり、幅が広くなり、褶曲の3次元成長に大きな影響を与える。したがって、強制褶曲は、平面またはリストリック断層面に沿った基盤岩の断層構造によって制御される。^{[3] [25]}断層の変位量は褶曲の振幅を制御し、断層の横方向の成長は褶曲の横方向の成長を意味し、断層の連結は表面上の褶曲の連結を意味します。^[26]デタッチメント褶曲と比較すると、地層間の対照的な能力はそれほど顕著ではなく^[23]、それらが発見される地質環境はより多様であることが多いです。^[3]

デコルマン褶曲は、短縮応力が岩石の最大強度を超えると強制褶曲に進化する可能性があり、その結果、デコルマンは背斜核に向かって上方に伝播し、デコルマン褶曲を断層化する可能性がある。^[24]結果として生じる構造は、デコルマン褶曲と断層伝播褶曲の両方の特徴を備えている。^{[27]この種の構造の典型例は}、メキシコ湾のミシシッピ扇状褶曲帯に見られる。^[28]

褶曲の運動学的進化の断面図でのモデル化は、通常、バランスのとれた復元、順方向運動学的モデリング、またはこれら2つの組み合わせのいずれかの方式に基づいています。 ^{[12] [29] [30] [31]}

3次元断面の復元は高度に専門化されたソフトウェアでのみ実行でき、主に炭化水素の研究に使用されます。^[32]

あるいは、地形学的証拠、特に排水特性を利用して褶曲成長の横方向伝播方向を決定することもできる。褶曲成長の横方向伝播方向を特定するための主な基準は6つある：^{[6] [15] [26] [33] [7]}

排水密度（＝川の総長さ／流域面積）と表面の浸食の程度は、褶曲の伝播方向に沿って減少する。褶曲セグメントの特定の部分における排水密度が高く、表面の浸食の程度が大きいほど、その部分の成熟度が高く、隆起後、その部分がより長い期間侵食にさらされていると推測できる。したがって、褶曲の他の部分よりも比較的早く隆起を経験した^{[33] [34]} 。川の長さと川の順序を考慮した排水の成熟度の数学的分析は、異なる流域の相対的な年齢を確立するためにも使用できる。^{[34] [35]}

褶曲の古い部分はより多くの浸食を受けているため、新しい部分と比較して土壌プロファイルが異なります。土壌プロファイルは、土壌中の炭酸塩層の形態学的段階、二次炭酸塩の質量、酸化鉄含有量、粘土含有量、粘土膜の厚さ、土壌の色の明るさに応じて、さまざまな発達段階に分類できます。 ^[7]これにより、褶曲の横方向の成長方向が確定します。さらに、土壌材料の炭素14またはウラン系列の年代測定により、褶曲の特定の部分に時間的制約が設定され、褶曲の横方向の成長速度を固定するのに役立ちます。^[7]

しかしながら、この比較基準は、褶曲の異なる部分における土壌プロファイルの違いに寄与する唯一の重要な要因は時間であるという仮定に基づいており、土壌の母材、気候、植生、初期の地形など、他の変動要因は除外されている。^[7]したがって、土壌プロファイルの漸進的な変化は、側方褶曲の成長の二次的な証拠である。^[7]

褶曲の頂上に沿った構造標高は、褶曲の成長方向に沿って減少するはずである。なぜなら、褶曲の古い部分は新しい部分よりも隆起をより多く経験するからである^{[33] [7]}。しかし、褶曲の成長による隆起ではなく侵食が景観を形成する主な力である活発な侵食環境では、これは大きな誤解を招く可能性があり、結果として褶曲の成長の二次的な証拠としてしか使用できない。

褶曲が横方向に成長すると、非対称の二股の排水パターンが形成される。排水路が褶曲の頂上から「曲がって」いく方向が、褶曲の横方向の成長方向である（図7） ^{[6] [15] [26]}。次の状況を想像してみてほしい。褶曲の初期段階で褶曲の先端付近では、川は最大勾配の斜面を流れ下る傾向があるため、褶曲の頂上にほぼ沿って褶曲の端に向かって流れる。褶曲が続くと、褶曲が横方向に成長するにつれて、その点は褶曲の先端ではなくなる。その点がより高い標高に持ち上げられると、最大勾配の斜面は褶曲の頂上に沿わなくなり、褶曲のヒンジから褶曲の枝のもう一方の端に向かう距離になり、これは元の方向に対してほぼ垂直になる。その結果、新しい世代の川は褶曲の枝に沿って褶曲の頂上に垂直に流れる。上流域での強い河川侵食により、初期段階の排水路の一部は岩盤に深く刻まれており、そのため河川は最大斜面勾配に従わない古い水路の上部に沿って流れ続けている。その結果、排水路上部の褶曲頂部平行方向の流れ（変形の初期段階から受け継がれている）と、排水路の中部および下部の褶曲頂部垂直方向の流れを組み合わせると、曲がったフォークに似た非対称の排水パターンが生じる。^{[6] [15]}この基準は、横方向褶曲の成長の強力な証拠である。

水流は隆起した岩石に出会うと方向を変え、褶曲の境界に沿って流れます。褶曲の境界は褶曲軸と平行またはほぼ平行です^{[6] [15] [33]}。方向を変えた水流の曲率は褶曲の頂上に沿った横方向の褶曲の成長方向に向かって凸状になります^{[34] 。}

隆起した岩塊によって川の流路がブロックされている場合、2 つのシナリオが考えられます。最初のシナリオ: 川の水力は隆起した岩を削るのに十分なので、川の流路は大幅に変更されません。隆起した岩に浸食によって水路が開き、ウォーター ギャップと呼ばれる地形が形成されます。水路は流れ続け、岩がさらに隆起して川の浸食力が岩を削る力を持たなくなると、2 番目のシナリオになります。2 番目のシナリオ: 水流は岩を削るのに十分な浸食力を持たなくなるため、前述のように隆起した岩塊の境界に沿って流れます。放棄された川の水路はウィンド ギャップと呼ばれます。ここから、川は褶曲の境界に沿って流れ、褶曲の先端の周りを曲がるか、または流れに沿って小さな支流を捕捉して水力を十分に獲得するか、岩に特に弱い部分が存在するかのいずれかにより、ブロックがあるにもかかわらず、いくつかの場所で岩を削ることがあります。^{[6] [15]} いずれにしても、川は流れ続け、さらに岩石が隆起して川が岩を切り抜けるのが難しくなると、再び水路が曲がり、新たな風の隙間が形成されます。

風間隙の標高は褶曲の成長方向に沿って減少し、湾曲した風間隙の曲率は褶曲の成長方向に向かって凸状になる。^{[15] [26] [33] [36]}褶曲が継続的に横方向に成長し、川が以前の水路を放棄して発達中の褶曲の外側に新しい水路を形成することによって方向を変え続ける場合、1つの川から複数の風間隙が​​形成されることがある。 ^[33]褶曲の頂上に沿った地形プロファイルでは、風間隙は深く狭いV字型の谷として現れる。風間隙の切り込みの深さは、水路が放棄される前の活発な川の浸食期間、つまり川または水間隙であった期間に対応する。古い川の水路が放棄された時点（新しい風間隙の形成時点）は、新しい川の水路が形成され、新しい水路で浸食が始まった時点であるため、同じ川から形成された場合、風間隙のベース標高は、後継の水路の表面標高とほぼ等しくなる。^[36]したがって、風の隙間の標高は、褶曲の頂上に沿った横方向の褶曲の成長方向に沿って常に減少するはずであり、これは褶曲の成長の特徴を示す最も強力な証拠の1つであるが、決定的ではない。^[33]かつての偏向した流れと同様に、風の隙間のいくつかは、横方向の褶曲の成長方向に向かって凸状の曲率を示す可能性がある。

デジタル標高モデル（DEM）では、風間隙の縦断プロファイルは凸上傾向を示し、水間隙の縦断プロファイルは凹上傾向または線形傾向を示します。^[26]

前述の方法論はいずれも3次元の褶曲成長を決定する上で決定的なものではなく、複数の方法論を組み合わせて使用​​する必要がある。なぜなら、さまざまな能力を持つ地層をまたがる肢の回転と差別侵食によって同様の形態が形成される可能性があるためである^[15]。これは3次元の褶曲成長を意味しない。

南カリフォルニアに位置するウィーラーリッジ背斜は、東西方向に走る断層屈曲褶曲であり、^[38]プレイト-ウィーラーリッジ逆断層系の一部です。^{[7]この地域の構造変形は後期}更新世以来活発であり、その結果、3次元褶曲が著しく成長しました。^[7]

背斜の東端では、東南東方向への褶曲成長がみられる。^[7]

まず、ウィーラーリッジ東部の構造標高は西から東に向かって低下しており、^[7]調査されたセクションの東部は調査されたセクションの西部よりも後に隆起し、侵食にさらされたことを示唆している。これにより、西から東への褶曲成長方向が支持される。

第二に、主な河川の流路は東南東方向に曲がる湾曲をしています。この湾曲は、岩石が東南東方向に徐々に隆起した結果であるように思われ、横方向の褶曲が成長する過程で偏向した河川のパターンに類似しています。この仮定に基づくと、この証拠は褶曲が東南東方向に成長したことを支持するものです。^[7]

第三に、古い河道の放棄（風間隙の形成）は、尾根の頂上を横切る地形プロファイルで見ることができます。^[7]図12に示すように、風間隙のベース標高は水間隙1の表面標高とほぼ一致しており、風間隙に沿った元の河道は水間隙1に水が流れ始めると同時に放棄されたことを示し、したがって2つはおそらくシンガー川から形成されたものです。もともと風間隙を流れていた川は隆起により方向を変えられ、代わりに水間隙1に沿って流れているようです。したがって、褶曲が東南東に向かって横方向に成長することを裏付ける強力な証拠があります。

第4に、土壌分析によると、調査されたセクションの西部では土壌の発達レベルが高く、東部に向かって土壌の発達レベルは徐々に低下していることが示されています。^[7]調査された地域の西部は東部と比較して古い時代であり、そのため褶曲は西から東に向かって成長していることが示唆されています。

地域的な応力の影響を受ける地域では、ほとんどの断層と褶曲が走向に沿って並んでいます。^[4]強制褶曲では、褶曲の連結は、その下にある断層の連結と強く関連しています。^[15]断層の成長と変位は、その地域の遠方応力だけでなく、断層同士の相対的な位置によっても影響を受けます。^{[39]これは、再荷重の}正のフィードバック機構の結果であり、走向に沿って並ぶ断層集団の応力蓄積は、応力陰影（つまり、主配列に対して横方向）に位置する断層集団よりもはるかに速く、したがって、最適に配列された断層の破壊頻度と成長率が高くなることを示唆しています。^{[4] [39] [40] [41]}逆に、応力陰影に位置する断層は緩和されており、破壊頻度と成長率が低くなります。断層間の変形の局所化が続くと、一部の断層が応力を集中し、他の断層と連結して、その地域の変位の大部分を収容する主断層を形成する可能性があります。^[4]一方、応力陰影に沿って配向する断層は成長率が低下し、長期的には不活性になることもあります。^[4]その結果、圧縮応力が広く作用する地域では、2つの合体した褶曲セグメントは通常、走向に沿って並びます。これは、褶曲がそのような好ましい方向に並んでいなければ、おそらく不活性になると考えられるためです。^[15]

褶曲の先端が接近する領域の表面の水平方向の中央にある表面の中央の相対的な高さは、連結がまったくない状態から線形または階層的な連結までの範囲で、2つの接近する構造の状態を定義するのに役立ちます。_[ 5 ^]相対的な高さは、関心のあるポイントの表面標高から、褶曲の先端が接近する領域の平均表面標高を引いたものとして定義されます（図15を参照）。^[5]

A _mid >0の場合、リンクが存在します。

A _mid <0 の場合、リンクは存在しません。

A _{mid が}約 0 の場合、構造は結合と非結合の間の遷移領域にあります。

2つのセグメント間の連結の存在を確認した後、2つの主な折り目の間にある直線状の反形式鞍によってセグメント間の線形連結を識別することが可能です。^{[5] [ 6]}階層連結の場合、セグメントの主な折り目は、その間にある湾曲した反形式鞍によって連結されます。^{[5] [6]}

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