弧形構(gòu)造帶形成演化特征研究

馬海勇，羅安湘，王朝陽(yáng)，歐陽(yáng)征健，馮娟萍

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018;3.蘭州城市學(xué)院 培黎石油工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

六盤山弧形構(gòu)造帶位于青藏高原東北緣，處于阿拉善地塊、青藏地塊和鄂爾多斯地塊的交接部位(圖1)，特殊的地理位置使其經(jīng)歷了多期次構(gòu)造變形和復(fù)雜的構(gòu)造演化[1-4]。張培震認(rèn)為六盤山弧形構(gòu)造帶受青藏地塊向北東向的推擠導(dǎo)致中、北祁連地塊也向北東向位移并推擠北祁連弧后盆地，北祁連弧后盆地被相對(duì)堅(jiān)硬的阿拉善地塊與鄂爾多斯地塊阻擋的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶[5]。王東等通過(guò)幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究，認(rèn)為六盤山弧形構(gòu)造帶目前有7條近南北向的斷層，均呈現(xiàn)為北東向“弓”形態(tài)[6-8]。徐化超等通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)六盤山弧形構(gòu)造帶僅新生代就經(jīng)歷了上新世晚期到第四紀(jì)早期、中更新世和晚更新世3個(gè)期次的構(gòu)造變形和隆升，構(gòu)造帶相對(duì)基底垂向抬升1 500 m[9-10]。近年來(lái)許多學(xué)者利用幾何學(xué)、地殼電性、磁性地層年代、GPS測(cè)量等方法對(duì)六盤山弧形構(gòu)造帶弧形的形成時(shí)間和機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，并在中、新生代的弧形斷層走向、地殼結(jié)構(gòu)及應(yīng)力形變等方面取得了諸多成果[11-14]，但對(duì)于弧形構(gòu)造形成初期古生代的演化過(guò)程研究相對(duì)較少[15-16]。向宏發(fā)等通過(guò)古地震方法分析六盤山區(qū)斷裂特征[17]，李天斌等通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究弧形推覆構(gòu)造帶形成機(jī)理[18-19]，張進(jìn)等通過(guò)寧南弧形構(gòu)造動(dòng)力分析認(rèn)為早古生代晚期北東向擠壓是早期弧形構(gòu)造形成的主要原因[20-21]，但是都缺乏地質(zhì)模型的定量數(shù)值分析的證據(jù)。張東寧等利用大陸巖石塊體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型分析應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)變化[22-25]，因此，在對(duì)六盤山古生代弧形構(gòu)造演化特征系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法構(gòu)建了古生代晚期構(gòu)造帶的數(shù)值模型，進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力與地質(zhì)塊體形變規(guī)律研究，為弧形構(gòu)造帶的大陸動(dòng)力學(xué)定量解釋提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

圖1 六盤山及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征Fig.1 Geological and structural characteristics of Liupanshan and its adjacent areas

1 區(qū)域地質(zhì)特征

六盤山弧形構(gòu)造帶位于鄂爾多斯盆地西緣、青藏高原東北緣，夾持在鄂爾多斯地塊、阿拉善地塊、秦祁昆碰撞帶之間。六盤山弧形構(gòu)造帶、其南西部位的秦祁昆碰撞帶、其北東部位的賀蘭山褶皺與其東部的鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶都受到青藏地塊隆升的影響，地質(zhì)現(xiàn)象，構(gòu)造復(fù)雜。六盤山弧形構(gòu)造帶發(fā)育的斷層從北向南看，走向依次由北西逐漸變?yōu)槟媳?，總體呈現(xiàn)一個(gè)鏡像的“S”形狀，北部的斷層形態(tài)展布較為舒展，南部的斷層形態(tài)展布變得收束，弧形展布是該區(qū)的顯著特點(diǎn)。研究區(qū)弧形構(gòu)造的基底是形成于中、晚元古代的秦—祁—賀三叉形裂谷的發(fā)育時(shí)期到志留紀(jì)、泥盆紀(jì)前陸盆地發(fā)育時(shí)期，蓋層經(jīng)歷了石炭紀(jì)-三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)、新近紀(jì)等不同時(shí)代的發(fā)育，形成現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。

六盤山弧形構(gòu)造帶在早古生代晚期受到青藏地塊推擠而產(chǎn)生北祁連造山運(yùn)動(dòng)的力學(xué)作用。由于六盤山區(qū)域被阿拉善地塊、青藏地塊和鄂爾多斯地塊包圍，在研究區(qū)東北部形成銀川地塹；北祁連弧后盆地在中、北祁連地塊的推擠下逐漸閉合。東部過(guò)渡帶在逆沖推覆作用下形成許多逆沖推覆體，推覆體主要由下古生界的地層組成。隨著中、北祁連地塊繼續(xù)向北推進(jìn)，六盤山弧形構(gòu)造帶繼續(xù)向北東方向推移，并且其一部分緩慢匯入銀川地塹。對(duì)于六盤山弧形構(gòu)造帶的地質(zhì)邊界條件是北部堅(jiān)硬的阿拉善地塊和東部堅(jiān)硬的鄂爾多斯地塊。西部同心等地區(qū)的下古生界地層厚度很大，東部中衛(wèi)、中寧、固原等地區(qū)下古生界地層相對(duì)較薄，區(qū)域整體東西方向的地層厚度存在較大變化。六盤山弧形構(gòu)造帶的邊界形狀逐漸發(fā)生了變動(dòng)，諸多原因?qū)е抡麄€(gè)六盤山弧形構(gòu)造帶地層從上往下彎曲。這些現(xiàn)象正是早古生代晚期處于北祁連弧后盆地東部的六盤山弧形構(gòu)造帶發(fā)育的幾個(gè)重要條件。六盤山弧形構(gòu)造帶古生代形成了初期的弧形構(gòu)造之后，經(jīng)歷了晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)、早侏羅世燕山運(yùn)動(dòng)Ⅰ、中侏羅世燕山運(yùn)動(dòng)Ⅱ、晚侏羅世燕山運(yùn)動(dòng)Ⅲ、早白堊世燕山運(yùn)動(dòng)Ⅳ、晚白堊世燕山運(yùn)動(dòng)Ⅴ、古近紀(jì)早喜山運(yùn)動(dòng)與新近紀(jì)晚喜山運(yùn)動(dòng)等8次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造帶主體向北推移[22-25]。

六盤山弧形構(gòu)造帶主要發(fā)育3個(gè)斷裂帶，分別為海原-六盤山斷裂、中衛(wèi)-同心斷裂帶、牛首山-羅山斷裂帶。海原-六盤山斷裂帶在靖遠(yuǎn)、固原和南華山向西南方向傾斜，傾角為45°～80°。斷層面上大量的近乎水平的條紋和臺(tái)階，這表明了斷層的反向正弦走滑運(yùn)動(dòng)。根據(jù)海原-六盤山斷裂帶發(fā)育的一系列拉脫盆地，可以確定該斷裂帶在中新世晚期表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)。中衛(wèi)-同心斷裂帶在金山地區(qū)向西南方向傾斜，傾角在63°～70°之間。中衛(wèi)-同心斷裂屬于左旋走滑斷層。牛首山-羅山斷裂帶位置在青銅峽和牛首山這2個(gè)地區(qū)的西南方向，向西南傾斜，傾角在62°～85°之間。在該區(qū)域巖石形變大，根據(jù)橫切關(guān)系顯示出2個(gè)明顯的構(gòu)造變形期。牛首山-羅山斷裂帶是在漸新世之前形成的，為反向的左旋走滑斷層。

六盤山西部有許多斷層和褶皺，大多數(shù)是逆走滑構(gòu)造。褶皺的軸面向西傾斜，說(shuō)明它們受到了東西向的壓應(yīng)力作用。六盤山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力整體為北東東向壓應(yīng)力。研究區(qū)出露地層為白堊紀(jì)和新近地層，晚白堊世地層逆沖于新近地層之上，相對(duì)年齡確定主要構(gòu)造活動(dòng)出現(xiàn)在新近紀(jì)以后(圖2)。對(duì)比分析和應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，六盤山西部構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，東部構(gòu)造變形遠(yuǎn)弱于西部，地層平緩。可以推斷，青藏高原隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng)空間僅限于六盤山西部。

圖2 六盤山弧形構(gòu)造帶地層接觸特征Fig.2 Contact characteristics of strata in Liupanshan arcuate tectonic belt

2 弧形構(gòu)造形成機(jī)理

六盤山弧形構(gòu)造帶的野外勘查發(fā)現(xiàn)早古生代地層已有大范圍的弧形斷層與褶皺發(fā)育。下古生界地層存在不整合，在二維平面上也能觀察到地層形態(tài)有一定的弧形展布特征。六盤山及其鄰區(qū)早古生代晚期的弧型構(gòu)造，西部可寬達(dá)200 km左右，而東部可窄至40 km左右，弧型構(gòu)造的西部是散布的，而東部向南則逐漸收緊聚集，弧形構(gòu)造的規(guī)模比較大，且不屬于對(duì)稱的弧形構(gòu)造。六盤山古生代弧型構(gòu)造帶的構(gòu)造應(yīng)力主要從南東指向北西方向，即來(lái)自規(guī)模和強(qiáng)度都較大的北祁連加里東造山帶。

圖3 六盤山地區(qū)早古生代晚期弧形構(gòu)造(據(jù)文獻(xiàn)[21]修改)Fig.3 Late early Paleozoic arc tectonic in Liupanshan Area (modified by[21])

從平面分布上看，六盤山及鄰區(qū)弧形構(gòu)造西翼較寬，南起香山、天井山地區(qū)，北至香根-達(dá)賴地區(qū)北部，南北方向約200 km。弧形構(gòu)造東翼較窄，牛首山-達(dá)賴地區(qū)，小羅山-青龍山南北向，東西方向約40～50 km。

六盤山弧形構(gòu)造帶古弧構(gòu)造的形成是早古生代晚期中、北祁連地塊北東向擠壓對(duì)鄂爾多斯地塊西緣和阿拉善地塊南部的影響。鄂爾多斯地塊與阿拉善地塊的邊界分布非常特殊，在北東方向上形成了賀蘭拉張區(qū)；北祁連弧后盆地在中、北祁連地塊的擠壓下逐漸關(guān)閉，形成了一系列以下古生界地層為主的逆沖推覆構(gòu)造。中、北祁連地塊的逆沖楔繼續(xù)向北東方向擠壓并進(jìn)入賀蘭拉張區(qū)，由于在逆沖推覆構(gòu)造帶的走向方向上推進(jìn)時(shí)遇到的地層厚度不同，導(dǎo)致逆沖推覆構(gòu)造帶地體變形，在平面上形成了弧形的構(gòu)造形態(tài)。

中生帶在古弧形構(gòu)造的基礎(chǔ)上形成了現(xiàn)今六盤山弧形構(gòu)造帶的主體部分。古太平洋板塊俯沖作用下，使得六盤山地區(qū)總體處于NW-NE向左旋擠壓的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，三疊紀(jì)的印支運(yùn)動(dòng)使該地區(qū)隆起，侏羅紀(jì)受到有限的拉張，早白堊世早期拉張斷陷，早白堊世晚期擠壓反轉(zhuǎn)，陸內(nèi)變形巨大，多個(gè)時(shí)期多次發(fā)生逆沖推覆現(xiàn)象。早白堊世時(shí)期弧形構(gòu)造處于早期走滑拉張沉降階段，構(gòu)造帶在強(qiáng)烈的擠壓作用下大幅抬升，處于短暫的應(yīng)力松弛階段，在近東西方向的微弱的應(yīng)力松弛產(chǎn)生的張力作用下，導(dǎo)致侏羅紀(jì)己經(jīng)形成的正斷層再次活動(dòng)，具有走滑的性質(zhì)。東西向拉張作用繼續(xù)加大，六盤山弧形構(gòu)造帶內(nèi)的正斷層開始變的活躍起來(lái)，六盤山盆地西側(cè)的邊界斷層由早期的左行走滑轉(zhuǎn)為右行走滑，六盤山盆地東側(cè)存在斷裂帶，在六盤山盆地南部整體遭受北東向壓應(yīng)力后，六盤山弧形構(gòu)造帶隨六盤山盆地發(fā)生了一定程度的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。早白堊世燕山運(yùn)動(dòng)晚期弧形構(gòu)造帶處于晚期湖盆萎縮消亡階段，六盤山盆地繼續(xù)受到北東向的擠壓應(yīng)力的作用，六盤山盆地地層開始整體發(fā)生緩慢抬升。

3 弧形構(gòu)造數(shù)值模擬

3.1 平面模型的建立

構(gòu)建六盤山弧形構(gòu)造帶古生代弧形構(gòu)造形成初期的地質(zhì)模型。地質(zhì)模型忽略了弧形構(gòu)造垂向隆升的變化及其對(duì)弧形構(gòu)造形成的次要影響因素(圖4)。地質(zhì)模型使用二維有限差分程序FLAC軟件建立平面數(shù)值模型，將數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)主要集中在確認(rèn)早古生代晚期形成的六盤山弧形構(gòu)造帶弧形的形態(tài)形成的力學(xué)機(jī)制。

圖4 北祁連地區(qū)早古生代晚期構(gòu)造(據(jù)文獻(xiàn)[21]修改)Fig.4 Late Early Paleozoic structure in north Qilian area (modified by[21])

在平面分布中明確構(gòu)造帶弧形的彎折的力學(xué)條件是中、北祁連地塊向北東擠壓。利用FLAC2D構(gòu)建地質(zhì)模型，考慮到數(shù)值模擬軟件基本計(jì)算單元網(wǎng)格劃分，按照地質(zhì)模型將區(qū)域地塊劃分為阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊、中北祁連地塊、北祁連弧后盆地等地質(zhì)塊體，得到了六盤山弧形構(gòu)造帶及其鄰區(qū)的平面模型圖。平面數(shù)值模型按1∶5 000的比例建立模型，最終模型分別代表東西向1 000 km，南北向760 km的研究范圍?；⌒螛?gòu)造的形成作為該模型的模擬分析重點(diǎn)。數(shù)值模擬的主要目的是解釋其彎折的力學(xué)條件。研究區(qū)位于數(shù)值模型中心偏北東部，與模型4個(gè)邊界的距離都較大，主要是為了抵消邊界效應(yīng)對(duì)研究區(qū)的影響。此外，賀蘭拉張區(qū)的砥柱作用沒有阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊強(qiáng)烈，故將其并入北祁連弧后前陸盆地的一部分進(jìn)行模擬(圖5)。

圖5 六盤山弧形構(gòu)造帶數(shù)值模型Fig.5 Numerical simulation model of Liupanshan arc structural belt

3.2 數(shù)值模型初始條件和邊界

構(gòu)建的數(shù)值模型北部為阿拉善地塊，東部為鄂爾多斯地塊，南部為中、北祁連地塊，中部為北祁連弧后前陸盆地，由于六盤山弧形構(gòu)造帶形成于北祁連弧后盆地區(qū)域內(nèi)部，因此可以利用代表北祁連弧后前陸盆地的網(wǎng)格形變來(lái)反映六盤山弧形構(gòu)造的形成過(guò)程。根據(jù)區(qū)域內(nèi)地塊的形狀特征，利用FLAC2D建立可計(jì)算的數(shù)值模型并生成計(jì)算單元網(wǎng)格。為了在構(gòu)建的模型的北東向壓力作用下網(wǎng)格能產(chǎn)生充分形變且劃分盡量少的區(qū)塊以減少計(jì)算負(fù)荷，地質(zhì)塊體劃分左右邊界以南北向?yàn)橹鳎麄€(gè)模型劃分成子區(qū)塊，通過(guò)子區(qū)塊建立完整網(wǎng)格。模型中阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊、北祁連弧后盆地、中北祁連地塊分別由不同的網(wǎng)格組成。

由于六盤山弧形構(gòu)造帶北部受阿拉善地塊的阻擋，東部受鄂爾多斯地塊的阻擋，將模型邊界設(shè)置為南部邊界施加了均等應(yīng)力；模型的東部和西部為滾動(dòng)邊界，即在東西邊界處物質(zhì)不發(fā)生向東和向西運(yùn)動(dòng)。模型北部邊界為固定邊界，南部邊界的物質(zhì)運(yùn)移是自由的。南部邊界的壓力被設(shè)置為2.0×107Pa。由于各向同性彈性介質(zhì)的特點(diǎn)是受到應(yīng)力作用時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)正相關(guān)的線性關(guān)系，應(yīng)力均勻增大時(shí)應(yīng)變也按一定的比率線性增大。本次數(shù)值模型將地質(zhì)塊體設(shè)定為各向同性彈性介質(zhì)來(lái)建立模型(表1)，明確六盤山弧形構(gòu)造帶形成的主要?jiǎng)恿W(xué)過(guò)程。

表1 六盤山弧形構(gòu)造帶模型力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果

六盤山弧形構(gòu)造帶的數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算后模型處于平衡狀態(tài)，并得到了位移圖。導(dǎo)出x方向、y方向位移等值線圖，位移均為正值。對(duì)于y方向位移等值線圖，數(shù)值模型均為正值，即相對(duì)于初始階段的模型各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)向北位移，并且南部位移大于北部位移(圖6)。數(shù)值模型在x方向的位移計(jì)算結(jié)果表明六盤山區(qū)域范圍內(nèi)古生代地質(zhì)塊體位移的主要趨勢(shì)是向東，向東最大位移約為向北最大位移的25%(圖7)。將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中x方向位移與y方向位移合并后得到位移場(chǎng)圖，從位移向量圖指示的位移方向總體表現(xiàn)為向北東弧形突出(圖8)。

圖6 六盤山弧形構(gòu)造帶數(shù)值模擬y軸位移Fig.6 y-axis displacement in numerical simulation of Liupanshan arcuate tectonic belt

圖7 六盤山弧形構(gòu)造帶數(shù)值模擬x軸位移Fig.7 x-axis displacement in numerical simulation of Liupanshan arcuate tectonic belt

圖8 六盤山弧形構(gòu)造帶數(shù)值模擬位移矢量Fig.8 Displacement vector of numerical simulation of Liupanshan arcuate tectonic belt

4 結(jié) 論

1)六盤山弧形構(gòu)造帶經(jīng)歷了長(zhǎng)期復(fù)雜的構(gòu)造演化過(guò)程，其主體形成于印度-歐亞板塊碰撞所導(dǎo)致的青藏高原隆升對(duì)其東北緣產(chǎn)生的北東向的擠壓應(yīng)力。六盤山及其鄰區(qū)早古生代晚期北東向擠壓變形的相對(duì)柔軟的地塊遇到堅(jiān)硬的阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊阻擋的共同作用下經(jīng)歷了早期的弧形構(gòu)造。數(shù)值模擬研究古生代弧形構(gòu)造形成初期的地球動(dòng)力學(xué)條件對(duì)弧形構(gòu)造的作用機(jī)制。

2)依據(jù)前人對(duì)六盤山及其鄰區(qū)早古生代晚期弧形構(gòu)造研究成果構(gòu)建了數(shù)值模型。六盤山弧形構(gòu)造帶南部邊界不同時(shí)期受力大小與方向是存在變化的，其壓力大小雖然變化較大，但壓力方向?yàn)樾》茸兓?。?shù)值模型將地質(zhì)塊體做為各向同性彈性介質(zhì)，并對(duì)不同地質(zhì)塊體賦予巖石力學(xué)參數(shù)，數(shù)值模型南部邊界施加的北東向應(yīng)力為均等定值定向壓力。

3)數(shù)值模型模擬計(jì)算的位移結(jié)果與弧形的總趨勢(shì)相一致。數(shù)值模擬過(guò)程有效驗(yàn)證了北東向擠壓作用是六盤山弧形構(gòu)造帶古生代弧形構(gòu)造形成主要因素。