南北構(gòu)造帶北段賀蘭山的形成與演化

董云鵬,李 瑋,張菲菲,孫嬌鵬,何登峰

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室， 陜西 西安 710069)

賀蘭山是中國大陸近南北向山脈,向南延伸與六盤山、龍門山、橫斷山相連,組成了中國大陸上一條非常重要的南北向構(gòu)造帶(賀蘭川滇南北構(gòu)造帶)。該構(gòu)造帶是現(xiàn)今中國大陸上重要的分割東西不同地形地貌的梯度帶,該帶以西以高原(青藏高原)和山地(天山、祁連山和昆侖山脈)為主,以東則以高原和盆地為主;南北構(gòu)造帶也是一條重要的構(gòu)造活動帶,沿該帶發(fā)生了多次危害巨大的地震活動(比如1920年的海原地震、2008年的汶川大地震)。由于南北構(gòu)造帶的活動性,現(xiàn)已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。尤其是構(gòu)造帶的形成機制和演化過程,成為關(guān)注的焦點問題。而位于該構(gòu)造帶北緣的賀蘭山地區(qū),由于各時代地層發(fā)育相對完整,保存良好,交通便利,成為解譯南北構(gòu)造的優(yōu)選目標(biāo)。同時,賀蘭山地區(qū)發(fā)育豐富礦產(chǎn)資源,賀蘭山又是分割鄂爾多斯盆地和阿拉善地塊的重要分界,賀蘭山的形成與演化成為全面理解中國賀蘭川滇南北構(gòu)造帶的重要窗口,為探討華北地塊與阿拉善地塊的構(gòu)造關(guān)系,以及研究鄂爾多斯盆地形成演化和中生代陸內(nèi)變形提供了重要的依據(jù)。新生代以來,六盤山賀蘭山地區(qū)成為青藏高原向東北擴展的重要邊界,賀蘭山新生代的隆升為研究青藏高原的東向擴展形成機制及其時限約束提供了必不可少的地質(zhì)證據(jù)[2, 5-6]。本文通過近年來大陸構(gòu)造學(xué)科團隊對賀蘭構(gòu)造帶的進一步研究,結(jié)合前人成果,試圖解釋賀蘭山的形成與演化過程,為全面了解和進一步研究南北構(gòu)造帶的形成與演化，以及陸內(nèi)構(gòu)造動力學(xué)研究提供非常重要的地質(zhì)證據(jù)。

1 賀蘭山及鄰區(qū)地質(zhì)概況

賀蘭山脈近南北走向綿延約200 km,寬約30 km,是中國西北地區(qū)的重要地理界線。山體東側(cè)巍峨壯觀,峰巒重疊,崖谷險峻，向東俯瞰黃河河套和鄂爾多斯高原。山體西側(cè)地勢和緩,沒入阿拉善高原。賀蘭山是賀蘭川滇南北構(gòu)造帶的北帶,位于華北克拉通中部,夾持于東部的鄂爾多斯地塊和西部的阿拉善地塊之間(見圖1)。賀蘭山以發(fā)育北北東向的賀蘭山褶皺沖斷帶為特征,東臨新生代銀川地塹[8-12],西接中新生代巴彥浩特盆地[13-14]。賀蘭山構(gòu)造帶因遠離同時代的板塊邊緣,被更多學(xué)者認為是一條典型的東亞大陸中生代陸內(nèi)變形帶[1, 15-21]。

賀蘭山西側(cè)的阿拉善地塊位于中亞造山帶南緣(見圖1),是華北克拉通西部陸塊(陰山地塊與鄂爾多斯地塊合稱為西部陸塊)最西緣陰山地塊的西延部分[22]。阿拉善地塊由前寒武紀變質(zhì)結(jié)晶基底巖系、古生代—中生代的巖漿巖和少量的晚古生代沉積巖組成[23]，這些巖石主要出露在阿拉善地塊的中部和邊緣地帶。目前,除了少量露頭之外,阿拉善大部分地區(qū)被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠所覆蓋。阿拉善地塊發(fā)育多個被北東向斷裂分割的中新生代斷陷盆地[13]。

圖1 賀蘭山及鄰區(qū)大地構(gòu)造綱要圖(據(jù)文獻[7]修改)Fig.1 Simplified structural framework of the Helanshan and its adjacent areas

賀蘭山構(gòu)造帶構(gòu)造上主要由一系列北北東向的褶皺和逆沖斷層組成[1-2，4，24-25]。賀蘭山構(gòu)造帶主要出露前寒武紀的變質(zhì)巖(賀蘭山群)、古元古代的S型花崗巖和中新元古代—中生代的沉積巖[24，26-28]。賀蘭山構(gòu)造帶依據(jù)北部的宗別立正宜關(guān)斷層和南部的三關(guān)口青銅峽斷層可進一步分為賀蘭山北帶、中帶和南帶(見圖2)。北帶廣泛出露高級變質(zhì)的太古代—元古代的基底巖系和古生代的沉積蓋層。相比而言,中帶和南帶以大量出露古生代—中生代沉積地層和少量變質(zhì)巖為特征(見圖2)。然而,從構(gòu)造角度看,北帶和南帶發(fā)育一系列北北東向褶皺和逆沖斷裂構(gòu)造(見圖2),南帶則發(fā)育一系列北西西向左行走滑斷裂[29]。

圖2 賀蘭山地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[7，24]修改)Fig.2 Simplified geological map of Helanshan

賀蘭山東部發(fā)育在華北克拉通之上的鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了多階段的演化歷史[30],包括早古生代的碳酸鹽臺地相沉積,晚古生代海相陸相的沉積，以及中生代的陸內(nèi)湖盆發(fā)育階段。盆地內(nèi)部地層向西輕微傾斜,然而,鄂爾多斯盆地周緣被復(fù)雜的不同方向和不同構(gòu)造樣式的構(gòu)造帶所環(huán)繞[1,31-35]。鄰近賀蘭山的銀川地塹介于賀蘭山東麓斷裂和黃河斷裂之間，主要由厚達8 400 m的新生代沉積地層組成,其為形成于北西南東向伸展應(yīng)力場的斷陷盆地[10]。

2 前寒武紀基底的形成

賀蘭山地區(qū)出露的基底巖系主要為賀蘭雜巖,包括了孔茲巖系、基性麻粒巖、紫蘇花崗巖和S型花崗巖,并包含有少量TTG片麻巖[36-43]?？灼潕r系包含石墨石榴夕線鉀長片麻巖、長英質(zhì)副片麻巖、石榴石英巖及大理巖,其原巖主體為活動大陸邊緣或弧后盆地沉積環(huán)境的淺海相砂泥質(zhì)沉積巖系[44-46]。年代學(xué)研究顯示,賀蘭山地區(qū)的孔茲巖系副變質(zhì)巖沉積時代為2.0～1.95 Ga的古元古代[38, 44-45, 47],經(jīng)歷了1.83～1.96 Ga的麻粒巖相變質(zhì)作用改造[38, 48-51]。進一步的變質(zhì)巖石學(xué)研究顯示,賀蘭雜巖中的麻粒巖峰期變質(zhì)條件為960～1 030 ℃的中(高)壓超高溫麻粒巖相變質(zhì),記錄了近等溫降壓及其后等壓降溫的順時針P-T演化軌跡,被認為是陸陸碰撞的產(chǎn)物[51-52]。同時,在賀蘭山地區(qū)亦有古元古代巖漿巖的報導(dǎo),包括2.03 Ga的俯沖型巖漿巖[24],及大量出露的1.85～1.95 Ga 碰撞型過鋁質(zhì)花崗巖[53-55]。

上述1.85～1.95Ga的麻粒巖相變質(zhì)作用及碰撞型花崗巖在孔茲巖帶中其他地區(qū)亦廣泛發(fā)育,是北部陰山陸塊與南部鄂爾多斯陸塊最終拼合的地質(zhì)記錄,同時也是華北板塊中最具代表性的、反映Columbia超大陸聚合事件的地質(zhì)記錄之一[22]。

3 元古代構(gòu)造演化

在賀蘭山地區(qū)除了發(fā)育一條古元古代近北東東向的孔茲巖帶(前文已述)之外,在該地區(qū)還出露了一套古元古代的二云母花崗巖和含石榴石花崗巖,以及不整合在孔茲巖或古元古代花崗巖之上的一套長城薊縣系的沉積巖[24, 56-57]。這些元古代的地質(zhì)記錄共同約束了賀蘭山地區(qū)元古代的構(gòu)造演化。

3.1 元古代巖漿作用

賀蘭山地區(qū)的元古代巖漿作用以花崗質(zhì)巖漿巖為主,分布在賀蘭山北段和中段,且普遍被后期的鎂鐵質(zhì)巖墻侵入。北段的花崗巖分布在宗別立正誼關(guān)斷裂以北,以巖基、巖株、巖脈的形式產(chǎn)出,多已發(fā)生變質(zhì)變形,其與孔茲巖系一起,共同構(gòu)成了賀蘭山北段的早前寒武紀變質(zhì)結(jié)晶基底[58]。耿元生等[58]在賀蘭山北段識別出5種分布最多的花崗巖類型,包括黑云母花崗巖、片麻狀變質(zhì)閃長巖、片麻狀黑云母花崗巖、斑狀-似斑狀花崗巖和石榴子石花崗巖,其中，石榴石花崗巖出露最為廣泛[53]。中段巖漿巖分布在白寺口、黃旗口和小口子一帶,花崗巖呈巖基狀產(chǎn)出,近南北向展布,出露面積約90 km2[59]。

現(xiàn)有研究將賀蘭山地區(qū)花崗質(zhì)巖漿活動分為兩期[44, 47, 53, 60]。早期巖漿作用主要形成于約2.05 Ga[53],以灰白色鈉質(zhì)花崗巖為主,典型代表包括北段的扣笨溝、巴音恩德勒和正誼關(guān)溝花崗巖以及孔茲巖內(nèi)的早期混合(深熔)巖脈[61]。地球化學(xué)分析顯示其為S型花崗巖,具有富集LILE(例如Rb和Ba),虧損HFSE(如Nb, Ta和Ti)和顯著銪負異常等弧巖漿的特征,可能發(fā)育在與俯沖相關(guān)的弧巖漿環(huán)境[24]。在賀蘭山中段的前寒武紀基底中,也獲得了與北段類似的年齡數(shù)據(jù)和地球化學(xué)特征。黃旗口、小口子花崗巖形成時代約為2.0 Ga, 同為低Na高K的過鋁質(zhì)S型花崗巖。綜合區(qū)域資料,認為這些S型花崗巖是由新生地殼物質(zhì)與少量古老地殼物質(zhì)部分熔融形成的,形成于2.2～2.0 Ga與俯沖相關(guān)的大陸弧環(huán)境中[24, 62]。

第2期巖漿巖主要為肉紅色紫紅色鉀質(zhì)花崗巖,以巖脈或者巖體形式侵入早期花崗巖或混合巖中[45, 63],典型例子是浩堯爾似斑狀花崗巖。同位素測年結(jié)果表明其形約成于1.95 Ga[53],伴隨1.95 Ga的高壓麻粒巖相變質(zhì)作用,該巖漿事件時間上與陰山地塊和鄂爾多斯地塊碰撞引起的區(qū)域高級變質(zhì)和構(gòu)造事件一致[45, 63-65]。

3.2 中元古代沉積特征

賀蘭山地區(qū)中元古代地層包括黃旗口群(長城系)和王全口群(薊縣系),不整合于賀蘭山群/古元古代花崗巖之上。黃旗口群厚300～600 m,主要由陸相和濱淺海相石英砂巖、板巖以及少量白云巖組成。在黑色板巖中可見微古植物化石:Leiominusculasp.,L.orientalisSinetLiu,Trematosphaeridiumsp.,Trachysphaeridiumsp., 以及TaeniatumcrissumSinetLiu等。上覆的王全口群厚200～600 m,為少量濱淺海相砂巖和厚層白云巖組成。該群石英砂巖中含較多海綠石,其K-Ar同位素年齡為1 289 Ma[66]。王全口群中富含疊層石,大多數(shù)為薊縣系中常見分子,如Tielingella,Jacutophyton,Conophyton和Colommella等。

黃旗口群沉積物主要沿中元古近南北向的裂陷帶分布,在北祁連東部的海源、南華山一帶相同層位(南華山群)主要為基性火山巖、白云巖和石英片巖組合。黃旗口群下部主要由陸相辮狀河相粗砂巖組成,從顆粒和沉積相的分布可看出物源主體來自北部高地。并且在辮狀河相沉積單元上部可見含鐵的石英砂巖和含大量海綠石的石英砂巖,代表海侵的開始,并逐漸向上過渡為濱海硅質(zhì)碎屑巖,在南部則發(fā)育濱?；蚝嘲自茙r沉積組合。這些沉積組合很好地反映了賀蘭拗拉槽的早期裂陷期的沉積過程[66]。王全口群的下部主要發(fā)育濱淺海相碎屑巖組合,底部水道相沉積發(fā)育。中上部發(fā)育巨厚的白云質(zhì)灰?guī)r或白云巖組合,頂部以疊層石白云巖或灰?guī)r沉積為主,反映了海水有變淺之勢,具有明顯的上超現(xiàn)象,盆地范圍擴大(見圖3)。

中—新元古代是全球古老大陸/地塊廣泛發(fā)育拗拉槽的構(gòu)造演化階段,華北地臺區(qū)廣泛發(fā)育長城薊縣系的坳拉槽沉積地層[67-69]。賀蘭拗拉槽是與古祁連海相連的一個夭折的裂谷系[66],盆地充填自下而上構(gòu)成了從河流到濱淺海碎屑巖,最后到濱淺海相白云質(zhì)灰?guī)r和蒸發(fā)性海灣相白云巖的充填序列[66]。區(qū)內(nèi)黃旗口群和王全口群總體構(gòu)成了一個海侵序列(見圖4),并由南向北、向東發(fā)展。在盆地的北部以陸相和濱淺海硅質(zhì)碎屑巖為主,南部則以濱淺?；蚝承桶自瀑|(zhì)灰?guī)r和白云巖沉積為主,沉積厚度亦向南劇增。向南至北祁連地槽區(qū)則過渡為深海半深海的中基性火山巖、碳酸巖以及砂泥巖建造[66]。

4 新元古代末期—古生代構(gòu)造演化

賀蘭山及鄰區(qū)早古生代地層建造類似于華北地臺，主要出露寒武—奧陶紀的海相沉積地層,缺失志留—泥盆紀地層記錄,與下伏地層為微角度不整合接觸。上古生界僅保存有海陸交互相的石炭系—二疊系含煤陸源碎屑巖沉積,其與下伏下古生界為角度-平行不整合接觸。

4.1 新元古代—早古生代沉積演化

中元古代裂谷演化結(jié)束后,整個華北西緣經(jīng)歷了大約10億年的沉積間斷。新元古代晚期沉積了厚約250余米的震旦系正目觀組,分布于蘇峪口及其以南局部地帶。該組下部為鈣質(zhì)礫巖、角礫巖,上部為板巖,含有動物遺跡化石及微植物化石或藻類化石。與下伏中元古代地層為角度不整合接觸,與上覆下古生界為平行不整合接觸。該組主要為近岸冰磧礫巖或沖積扇相沉積,礫巖主要由黃褐色、雜色鈣質(zhì)礫巖、泥礫巖組成,礫石大小混雜,基質(zhì)支撐,礫石成分以灰?guī)r和白云巖為主,石英、板巖和砂巖礫石次之。從沉積特征分析,應(yīng)屬近岸冰川的冰磧角礫巖或冰川前緣山麓堆積。

注:DL為濱淺海海灣白云巖;SS為含鐵和大量海綠石的濱海石英砂巖;FS為河流沉積砂巖、礫巖圖3 賀蘭山地區(qū)中—新元古代黃旗口群—王全口群沉積相剖面(據(jù)文獻[66]修改)Fig.3 Meso-Neoproterozoic sedimentary facies section of Huangqikou Group and Wangquankou Group in Helan Mountain

注:SMD為濱岸潮坪疊層石白云巖組合;SBD為濱淺海-海灣白云巖組合;SDC為濱岸白云巖和陸源碎屑巖組合;SCA為濱海陸源碎屑巖組合;FLV為河流沉積組合。圖4 中元古代賀蘭拗拉槽盆地充填序列(據(jù)文獻[66]修改)Fig.4 Middle Proterozoic filling sequence of the Helan Aulacogen Mountain area

寒武系主要為海相碳酸鹽巖,構(gòu)成了一期完整的海侵海退旋回,賀蘭構(gòu)造帶及兩側(cè)的地層旋回、海平面演化趨勢、沉積建造類型完全可以對比。底部發(fā)育潮間-潮上帶白云巖和石英砂巖互層,砂巖頂面發(fā)育波痕;中部發(fā)育厚層灰?guī)r,大型板狀交錯層理和鮞?；?guī)r,指示潮間-潮下帶沉積背景;頂部以泥灰?guī)r、白云巖互層為主要特點,夾竹葉狀灰?guī)r,顯示潮間帶沉積組合。早期向東海侵、地層不斷向北東超覆,晚期向西海退、向西退覆。沉積體系緩慢過渡,呈現(xiàn)出東淺西深、沉積分異微弱的淺水緩坡古地理面貌,展示被動大陸邊緣盆地沉積特征。石英砂巖的碎屑鋯石年代學(xué)特征指示,碎屑物質(zhì)來源于東北部的伊盟隆起中前寒武紀基底[70]。結(jié)合前人關(guān)于古亞洲洋演化過程[71],認為賀蘭山及鄰區(qū)寒武紀位于古亞洲洋南緣、向西緩慢傾斜的被動大陸邊緣(見圖5)。

圖5 鄂爾多斯西北部寒武紀被大陸邊緣淺水碳酸鹽巖緩坡模式圖(據(jù)文獻[70]修改)Fig.5 Model of shallow carbonate shelf on the Cambrian passive continental margin in the Northwest Ordos

奧陶紀,賀蘭構(gòu)造帶及周緣沉積體系、物源體系及盆地類型反映從被動陸緣向活動陸緣的轉(zhuǎn)變(見圖6)。早奧陶—中奧陶世,延續(xù)了寒武紀向西水體緩慢加深的淺水碳酸鹽巖緩坡的盆地格局,構(gòu)造環(huán)境較為穩(wěn)定,形成于被動大陸邊緣盆地[72]。晚奧陶世(約450 Ma),發(fā)育大規(guī)模向西傾斜深水盆地相陸源碎屑沉積體系,構(gòu)造強烈、沉降速率快、陸源碎屑供給通量極大。賀蘭山巴彥浩特一帶快速沉降、形成前淵,整體發(fā)育向上變粗的陸源碎屑復(fù)理石沉積體系,自西向東超覆趨勢明顯,復(fù)理石成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度極低。古流向和碎屑鋯石U-Pb年齡中存在大量450 Ma和900 Ma年齡的事實,共同限定物源來自西部阿拉善再旋回造山帶。綜合分析認為,賀蘭山晚奧陶世可能為與古亞洲洋向東南俯沖相關(guān)的弧后前陸盆地構(gòu)造環(huán)境,形成于古亞洲洋向南東的低角度俯沖[72]。

圖6 鄂爾多斯西北部奧陶紀構(gòu)造轉(zhuǎn)換模式圖(據(jù)文獻[71]修改)Fig.6 Reconstruction model of the Ordovician tectono-sedimentology evolution of the Northwestern Ordos Terrane

4.2 晚古生代沉積演化

在奧陶紀之后,賀蘭山及鄰區(qū)經(jīng)歷了約1.4億年的沉積間斷,于石炭紀開始發(fā)育陸表海相陸源碎屑沉積[73]。在縱向上,具有潮坪瀉湖障壁島組合頻繁交替演化的沉積特點;在橫向上,東部以潮坪瀉湖相黑色頁巖和砂巖互層沉積為主,而西部則為厚層含生物碎屑的遠岸碳酸鹽巖(見圖7A～B)。展現(xiàn)出東淺西深、向東超覆的海侵層序。巖相學(xué)、古生物學(xué)、地震、鉆井和測井資料證實,巴彥浩特賀蘭山鄂爾多斯盆地具有完全一致的地層系統(tǒng)、沉積建造類型、沉積體系以及海侵海退旋回,顯示為統(tǒng)一的古海盆,該盆地向西會延伸到阿拉善內(nèi)部[73]。但是,對比賀蘭構(gòu)造帶東西兩側(cè)石炭系地層沉積特征,明顯可見兩側(cè)沉降速率相差達4倍,東部鄂爾多斯盆地具有均勻沉降、速度慢的特點,反映克拉通凹陷沉降特點;而賀蘭構(gòu)造帶及以西石炭紀盆地與鄂爾多斯盆地內(nèi)部具有明顯差別,具有沉降快、地層坡角和沉降速率向西加速變大的特點,不同于克拉通凹陷沉降特征。這些沉積特征顯示賀蘭山及鄰區(qū)石炭紀構(gòu)造可能與古亞洲洋(恩格爾烏蘇索倫古洋)向南東俯沖過程中俯沖洋殼回撤造成的弧后伸展有關(guān)[73]。

二疊紀,由于古亞洲洋的持續(xù)俯沖和華北北緣的增生造山作用,巴彥浩特賀蘭山鄂爾多斯西北部演變?yōu)楹雍喑练e(見圖7C～D),自下而上依次發(fā)育下部山西組三角洲相的暗色泥頁巖和塊狀砂巖互層、中部石盒子組河流相粗砂巖、上部石千峰組干旱湖泊相鈣質(zhì)泥巖。古水流和碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)示蹤,揭示物源由古亞洲洋東南緣前寒武基底和古生代大陸邊緣巖漿弧共同提供[73]。結(jié)合賀蘭山內(nèi)發(fā)現(xiàn)的304±3 Ma 弧后伸展環(huán)境基性巖[74],認為賀蘭山構(gòu)造帶周緣晚古生代沉積盆地可能為受古亞洲洋向南俯沖控制的弧后伸展盆地。

圖7 賀蘭山及鄰區(qū)石炭—二疊紀沉積演化恢復(fù)圖(據(jù)文獻[72]修改)Fig.7 Schematic tectonic model showing the Permo-Carboniferous tectono-sedimentary evolution of the Helanshan

5 中新生代盆地形成與演化

賀蘭山地區(qū)出露大量的中生代三疊系和侏羅紀沉積,白堊系礫巖沉積僅在賀蘭山兩側(cè)局部出露。三疊系與下伏二疊系呈平行不整合接觸,侏羅系與下伏三疊系并行不整合接觸,白堊系不整合于下伏不同時代地層之上。

5.1 中生代盆地沉積充填過程

5.1.1 三疊系沉積特征 三疊紀,由于古亞洲洋的關(guān)閉,導(dǎo)致巴彥浩特、賀蘭山相繼隆起,巴彥浩特缺失三疊系,而賀蘭山中三疊統(tǒng)紙坊組河湖沉積體系角度不整合于上二疊統(tǒng)石千峰組之上,且三疊紀古流向從二疊紀南北向轉(zhuǎn)為南東向,同樣指示盆地西部的大規(guī)模抬升。巖相古地理恢復(fù)顯示賀蘭山中、晚三疊世湖相沉積向盆地邊緣超覆、沉積體系向東加深,而沉積地層向西快速加厚、沉降中心位于盆地邊緣(見圖8),展現(xiàn)出典型的斷陷盆地充填格架[75]。該階段的沉積屬于鄂爾多斯盆地西北緣河湖沉積體系一部分,盆地演化受控于阿拉善造山后伸展構(gòu)造演化。物源分析結(jié)果表明,賀蘭山中三疊世和晚三疊世早期的物源主要來自于阿拉善的古元古代基底,晚三疊世晚期大量的古生代弧巖漿物源、晚三疊世碎屑鋯石出現(xiàn)證明源區(qū)具有大規(guī)模的巖漿活動和構(gòu)造去頂[76]。

同時,在賀蘭山地區(qū)廣泛發(fā)育鎂鐵質(zhì)輝綠巖墻,鋯石U-Pb年代學(xué)206 Ma[77]和241.7±1.1 Ma[74],具有Nb-Ta虧損特征,主要為巖石圈地幔的部分熔融產(chǎn)物,形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境,可能與古亞洲洋閉合后巖石圈伸展、造山帶垮塌有關(guān)[74]。綜合古亞洲洋構(gòu)造演化過程[71]、賀蘭山晚三疊世盆地快速沉降[25,78]、同沉積伸展構(gòu)造變形[79]、基性巖墻活動[74,77]和中亞造山帶南緣變質(zhì)核雜巖隆升[80-83],認為賀蘭山晚三疊世斷陷盆地演化受控于古亞洲洋閉合后的造山后伸展垮塌(見圖8)。

圖8 賀蘭山三疊紀斷陷盆地構(gòu)造-沉積模式圖(據(jù)文獻[75]修改)Fig.8 Tectonic-sedimentary model of Helanshan Triassic faulted basin

5.1.2 侏羅系沉積 侏羅系主要出露在賀蘭山中部的汝箕溝地區(qū)和賀蘭山南緣科學(xué)山一帶。早侏羅世賀蘭山的二道溝、大嶺和鼓鼓臺地區(qū)發(fā)育拉斑玄武巖,與下伏上三疊統(tǒng)延長組呈整合接觸關(guān)系,鋯石U-Pb年代學(xué)結(jié)果限定其形成年齡為191±3 Ma[74]。區(qū)域地質(zhì)與地球化學(xué)特征限定該套火山巖形成于陸內(nèi)伸展(裂谷)環(huán)境[84]。其上微角度不整合被中侏羅統(tǒng)延安組覆蓋,主要由礫巖、砂巖夾煤層和泥巖組成,礫巖磨圓好,多呈疊瓦狀排列,砂巖多發(fā)育槽狀交錯層理,顯示為河流沼澤相沉積。直羅組主要由薄層狀灰綠色長石石英砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)頁巖和粉砂巖組成,發(fā)育水平層理,為三角洲前緣相湖相沉積。安定組主要由暗紫色紫紅色砂巖和泥巖組成,局部可見泥灰?guī)r夾層,為干旱湖泊相沉積。芬芳河組為顆?；|(zhì)支撐的塊狀礫巖,代表典型的山前沖積扇沉積(見圖9)?？傮w來看,侏羅系由底部河流沼澤相沉積(延安組)向上逐漸過渡到三角洲-湖相(直羅組-安定組),再到頂部的山前沖積扇沉積,反映了賀蘭構(gòu)造帶在侏羅紀早期繼承了印支期伸展盆地,后期盆地受到區(qū)域構(gòu)造擠壓改造,快速萎縮的演化過程。

圖9 賀蘭山侏羅紀沉積特征(據(jù)文獻[7]修改)Fig.9 Jurassic sedimentary characteristics of Helan Mountain

5.1.3 白堊系沉積 白堊紀,僅在賀蘭山東西兩側(cè)沉積了下白堊統(tǒng)沖積扇沉積,角度不整合覆蓋于強烈褶皺變形的前白堊紀地層之上(見圖10)。下部為山前沖積扇相塊狀礫巖夾砂巖和泥巖透鏡體,上部為中厚層狀礫巖和砂巖互層,粒度相對下部變細,在砂巖與礫巖界接觸界面上常?？梢姷撞壳治g充填構(gòu)造,顯示為沖積扇環(huán)境的牽引流沉積[85]。礫石成分、古流向、礫巖沉積特征、沉積相的空間展布,顯示前白堊紀沉積地層為賀蘭山南北兩側(cè)的白堊紀提供了物源,表明賀蘭構(gòu)造帶早白堊世開始快速隆升[7]。

圖10 白堊系廟山湖組沉積特征(據(jù)文獻[7]修改)Fig.10 Sedimentary characteristics of Cretaceous Miaoshanhu Formation

5.2 中生代巖漿作用

中生代的巖漿活動以汝箕溝火山巖為代表,出露在二道溝、大嶺和鼓鼓臺地區(qū)?；鹕綆r產(chǎn)狀平緩,與下伏上三疊統(tǒng)延長組呈整合接觸關(guān)系,其上與中侏羅統(tǒng)延安組以微角度不整合接觸,限定巖石形成時間在晚三疊世—中侏羅世之間[59，86]。年代學(xué)結(jié)果限定其形成年齡為191±3 Ma[74]。該套火山巖為拉斑玄武巖,以富鈉貧鉀為特征,可能是巖石圈地幔尖晶石相向石榴子石相過渡的區(qū)域部分熔融的產(chǎn)物,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)與地球化學(xué)特征推測該套火山巖形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境[84]。

在賀蘭山地區(qū)廣泛發(fā)育鎂鐵質(zhì)輝綠巖墻,走向以北東向和近東西為主,少量為北北西向。巖墻規(guī)模差異大,從數(shù)米到數(shù)千米。早先研究認為其是前寒武紀和早古生代的產(chǎn)物[59,87-89]。而我們最新的年代學(xué)數(shù)據(jù)顯示,賀蘭山地區(qū)發(fā)育晚古生代—中生代巖墻,其中，宗別立地區(qū)采自不同位置的鎂鐵質(zhì)巖墻鋯石U-Pb年代學(xué)分別得到303.5±2.5 Ma[74]和206 Ma[77]的諧和年齡,侵入白寺口鎂鐵質(zhì)巖墻鋯石U-Pb定年結(jié)果為241.7±1.1 Ma[74]。宗別立和白寺口輝綠巖墻均屬于高鐵拉斑玄武巖系列,其中，宗別立晚石炭世輝綠巖具有虧損高場強元素和明顯的Nb-Ta負異常的特征,而中生代輝綠巖則無Nb-Ta的虧損,與汝箕溝基性火山巖類似。綜合區(qū)域資料,認為晚石炭世巖漿巖來源于被俯沖流體改造的富集巖石圈地幔,可能形成于晚石炭世時期古亞洲洋向南俯沖導(dǎo)致的賀蘭山地區(qū)的弧后伸展的環(huán)境,而以白寺口輝綠巖和汝箕溝玄武巖為代表的中生代早期巖漿活動主要為巖石圈地幔的部分熔融,形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境,代表了中三疊世—早侏羅世賀蘭山內(nèi)部的又一次伸展事件,其形成可能與古亞洲洋閉合后中亞造山帶碰撞后的巖石圈伸展有關(guān)[74, 84]。

6 中新生代構(gòu)造疊加與改造

從構(gòu)造變形角度分析,現(xiàn)今的賀蘭山主要表現(xiàn)為北北東走向的褶皺沖斷帶以及近東西向和北西向的走滑斷裂帶(見圖2)。這些褶皺逆沖斷裂帶和走滑斷層詳細的記錄了賀蘭山地區(qū)后期的構(gòu)造疊加和改造作用。

6.1 北北東向賀蘭山褶皺逆沖帶

賀蘭山褶皺沖斷構(gòu)造(文獻中也稱為鄂爾多斯西緣褶皺沖斷帶)最早在1901年被俄羅斯學(xué)者奧布盧切夫所識別,之后被后來的學(xué)者所關(guān)注[1, 90]。賀蘭山褶皺沖斷帶壯觀的出露在賀蘭山和桌子山地區(qū),呈北北東向延伸數(shù)百公里(見圖2)。

賀蘭山汝箕溝剖面地層出露相對完整,通過詳細的自東部汝箕溝塔爾嶺構(gòu)造剖面變形解析,該剖面自東向西依次出露晚古生代二疊系、中生代三疊系、侏羅系和早古生代奧陶系地層。三疊系與下部的二疊系和上部的侏羅系均以平行不整合接觸,奧陶系灰?guī)r逆沖于中生代地層之上(見圖11)。該剖面自東向西主要出露5條逆沖斷裂,這些斷裂走向與地層一致,呈北北東向,該剖面上發(fā)育飛來峰構(gòu)造。東部的4條逆沖斷層傾向南東,傾角約50°,斷層面平行于巖層面。斷層面上的階步以及斷層帶內(nèi)的不對稱構(gòu)造顯示，斷層上盤自南東向北西西逆沖。然而,剖面最西端的小松山逆沖斷層具有與東部逆沖斷層不同的傾向,該斷層傾向北西,傾角約45°,斷裂上盤的奧陶系天景山組灰?guī)r向東逆沖于三疊侏羅紀地層之上。通過斷裂帶構(gòu)造數(shù)據(jù)進行古應(yīng)力場恢復(fù)顯示,所有的逆沖斷層均具有相同的北西南東向主壓應(yīng)力,顯示其具有相同的構(gòu)造環(huán)境。該剖面可觀測到一系列的逆沖斷層以及同構(gòu)造褶皺變形,這些復(fù)式向斜褶皺樞紐具有與逆沖斷裂一致的走向(北北東向)。在褶皺沖斷帶中,我們發(fā)現(xiàn)卷入褶皺和逆沖斷層最年輕的地層為上侏羅統(tǒng)安定組,這些褶皺在東段表現(xiàn)為軸面向東傾斜的緊閉同斜褶皺。然而,在西部卻表現(xiàn)為近直立水平閉合開闊褶皺。構(gòu)造變形剖面顯示,東部變形強,西部弱。斷裂和褶皺的古應(yīng)力恢復(fù)顯示,二者具有一致的北西南東向的近水平主壓應(yīng)力。

圖11 賀蘭山褶皺-逆沖帶構(gòu)造剖面(據(jù)文獻[7]修改)Fig.11 Structural section of Helanshan fold-thrust belt

在桌子山地區(qū)亦發(fā)育北東向的褶皺沖斷帶(見圖12),褶皺沖斷變形主要涉及到新元古晚古生代的地層。在桌子山鳳凰嶺地區(qū),可見奧陶系灰?guī)r逆沖在二疊系砂巖和泥巖之上(見圖12)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)填圖資料,在桌子山東部,白堊系不整合于該地區(qū)發(fā)生褶皺的地層之上。逆沖斷層傾向北西,上盤向南東方向逆沖,在斷層面上可見大量擦痕。斷層應(yīng)力恢復(fù)顯示主壓應(yīng)力方向為北西南東向,顯示了桌子山地區(qū)的斷層及褶皺走向以及古應(yīng)力方位均與賀蘭山地區(qū)褶皺沖斷帶方向一致。桌子山地區(qū)構(gòu)造格架呈現(xiàn)為一個以變質(zhì)基底為核的背斜,在桌子山構(gòu)造剖面上,最西端的太古代變質(zhì)結(jié)晶基底逆沖在晚古生代砂巖和含煤層系之上,而在剖面東段,背斜褶皺的東翼被低角度的逆沖斷層所切割,該斷層上盤的古生代地層逆沖于侏羅白堊系之上[1]。

圖12 桌子山構(gòu)造剖面(據(jù)文獻[7]修改)Fig.12 Zhuozishan geological cross section

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)填圖資料和野外剖面分析,賀蘭山和桌子山地區(qū)的白堊紀地層均未卷入到褶皺沖斷帶中,未發(fā)生褶皺變形,二者區(qū)別在于賀蘭山地區(qū)發(fā)生褶皺的最新地層為中生代晚侏羅紀地層,而在桌子山發(fā)生變形的最新地層為二疊系上石河子組。出露在該地區(qū)的變質(zhì)結(jié)晶基底巖系并未卷入到褶皺變形中,僅僅被逆沖斷層所切割。

6.2 東西向走滑斷裂帶

宗別立走滑斷裂帶是賀蘭山北緣太古代變質(zhì)基底與古生代沉積地層的分界,斷層向北陡傾,走向近東西向。在斷裂帶中可見大量的近水平斷層擦痕,依據(jù)斷裂南側(cè)地層的拖曳褶皺和斷層面上階步判斷為右行走滑斷裂。在桌子山地區(qū)同樣可見一近東西走向的千里溝斷裂近東西向橫切北東走向的逆沖褶皺帶,該斷裂帶同樣分割了北側(cè)的變質(zhì)巖和南側(cè)的沉積巖,亦為斷面西北陡傾的右行走滑斷裂。二者很可能為同期的同一走滑斷裂帶,之后被黃河斷裂所錯斷,Darby和Ritts解釋該斷裂為北北東向逆沖褶皺帶的調(diào)整構(gòu)造,為近同期構(gòu)造變形[1]。

6.3 北西向走滑斷裂

北西走向的斷層主要發(fā)育在賀蘭山南緣的三關(guān)口和營盤山地區(qū),這些北西向的走滑斷裂帶斜切了北東向的逆沖褶皺帶。北西走向的斷裂帶主要發(fā)育在奧陶系和白堊系地層中,為左行走滑斷裂,被始新世的清水營組砂巖所覆蓋,這些證據(jù)顯示北西向的走滑斷裂帶形成于古新世早期[29]。

7 結(jié)論

賀蘭山西部的陰山陸塊與東部的鄂爾多斯陸塊最終在1.85～1.95 Ga發(fā)生拼合,形成了賀蘭山地區(qū)變質(zhì)結(jié)晶基底巖系,隨后經(jīng)歷了多階段的演化歷史。

1)中元古代賀蘭拗拉槽演化階段。賀蘭山拗拉槽形成于中元古代,并由南向北、向東發(fā)展,北部以陸相和濱淺海相沉積為主,南部以濱淺海相或海灣型白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖為主，并向南至北祁連過渡到深海半深海相的中基性火山巖、碳酸鹽巖以及砂泥巖沉積建造。

2)新元古代末期中奧陶世被動大陸邊緣演化階段。新元古代末期直至中奧陶世,賀蘭山及鄰區(qū)位于古亞洲洋南緣，發(fā)育向西輕微傾斜的、被動大陸邊緣緩坡為主的盆山格局,沉積了震旦系含冰川沉積的濱岸混積建造、寒武紀中奧陶世淺水碳酸鹽巖沉積組合。

3)晚奧陶世弧后前陸盆地的形成階段。晚奧陶世,完成從被動邊緣到活動陸緣的轉(zhuǎn)變,西部賀蘭山巴彥浩特一帶快速沉降、形成前淵,物源來自西部的阿拉善巖漿弧,東部依次發(fā)育碳酸鹽巖緩坡和蒸發(fā)臺地沉積。這些轉(zhuǎn)換發(fā)生在約450 Ma,指示了弧后前陸盆地或者周緣前陸盆地的形成。

4)晚古生代弧后伸展盆地演化。隨著中亞造山帶不斷向南的增生,在賀蘭山地區(qū),晚古生代沉積受古亞洲洋向南俯沖控制,形成了中亞造山帶最難緣的弧后伸展盆地,并處于靠近華北克拉通一側(cè)。石炭紀整體發(fā)育海侵序列,海侵自東向西進行,海相建造向東不斷超覆。在石炭紀末期、整個鄂爾多斯盆地均被海水覆蓋。二疊紀發(fā)育南北向展布的陸內(nèi)河湖相沉積體系,賀蘭山一帶以發(fā)育河流沉積為主要特點。

5)中—新生代盆地的形成與構(gòu)造改造。中生代以來,賀蘭山地區(qū)經(jīng)歷了陸內(nèi)伸展斷陷發(fā)育階段,三疊—侏羅紀沉積序列以及三疊紀火山巖和輝綠巖脈體共同記錄了賀蘭山三疊紀以來的陸內(nèi)伸展盆地演化階段,斷陷盆地演化可能與古亞洲洋閉合后的巖石圈伸展有關(guān)。晚侏羅紀,賀蘭山地區(qū)經(jīng)歷了強烈的北西南東向擠壓,形成了賀蘭山地區(qū)典型的陸內(nèi)褶皺逆沖帶,賀蘭山首次隆起成山,成為白堊紀鄂爾多斯盆地的西部邊界。