弧形構造帶形成演化特征研究

馬海勇，羅安湘，王朝陽，歐陽征健，馮娟萍

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710018;3.蘭州城市學院 培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

六盤山弧形構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歷了多期次構造變形和復雜的構造演化[1-4]。張培震認為六盤山弧形構造帶受青藏地塊向北東向的推擠導致中、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堅硬的阿拉善地塊與鄂爾多斯地塊阻擋的構造轉換帶[5]。王東等通過幾何學、運動學特征研究，認為六盤山弧形構造帶目前有7條近南北向的斷層，均呈現為北東向“弓”形態[6-8]。徐化超等通過動力學研究發現六盤山弧形構造帶僅新生代就經歷了上新世晚期到第四紀早期、中更新世和晚更新世3個期次的構造變形和隆升，構造帶相對基底垂向抬升1 500 m[9-10]。近年來許多學者利用幾何學、地殼電性、磁性地層年代、GPS測量等方法對六盤山弧形構造帶弧形的形成時間和機制進行了大量的研究，并在中、新生代的弧形斷層走向、地殼結構及應力形變等方面取得了諸多成果[11-14]，但對于弧形構造形成初期古生代的演化過程研究相對較少[15-16]。向宏發等通過古地震方法分析六盤山區斷裂特征[17]，李天斌等通過運動學、動力學研究弧形推覆構造帶形成機理[18-19]，張進等通過寧南弧形構造動力分析認為早古生代晚期北東向擠壓是早期弧形構造形成的主要原因[20-21]，但是都缺乏地質模型的定量數值分析的證據。張東寧等利用大陸巖石塊體動力學數值模型分析應力場、位移場變化[22-25]，因此，在對六盤山古生代弧形構造演化特征系統分析的基礎上，利用數值模擬方法構建了古生代晚期構造帶的數值模型，進行構造應力與地質塊體形變規律研究，為弧形構造帶的大陸動力學定量解釋提供理論和實踐依據。

圖1 六盤山及鄰區地質構造特征Fig.1 Geological and structural characteristics of Liupanshan and its adjacent areas

1 區域地質特征

六盤山弧形構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，地質現象，構造復雜。六盤山弧形構造帶發育的斷層從北向南看，走向依次由北西逐漸變為南北，總體呈現一個鏡像的“S”形狀，北部的斷層形態展布較為舒展，南部的斷層形態展布變得收束，弧形展布是該區的顯著特點。研究區弧形構造的基底是形成于中、晚元古代的秦—祁—賀三叉形裂谷的發育時期到志留紀、泥盆紀前陸盆地發育時期，蓋層經歷了石炭紀-三疊紀、侏羅紀-白堊紀、新近紀等不同時代的發育，形成現今的構造形態。

六盤山弧形構造帶在早古生代晚期受到青藏地塊推擠而產生北祁連造山運動的力學作用。由于六盤山區域被阿拉善地塊、青藏地塊和鄂爾多斯地塊包圍，在研究區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、北祁連地塊繼續向北推進，六盤山弧形構造帶繼續向北東方向推移，并且其一部分緩慢匯入銀川地塹。對于六盤山弧形構造帶的地質邊界條件是北部堅硬的阿拉善地塊和東部堅硬的鄂爾多斯地塊。西部同心等地區的下古生界地層厚度很大，東部中衛、中寧、固原等地區下古生界地層相對較薄，區域整體東西方向的地層厚度存在較大變化。六盤山弧形構造帶的邊界形狀逐漸發生了變動，諸多原因導致整個六盤山弧形構造帶地層從上往下彎曲。這些現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造帶發育的幾個重要條件。六盤山弧形構造帶古生代形成了初期的弧形構造之后，經歷了晚三疊世印支運動、早侏羅世燕山運動Ⅰ、中侏羅世燕山運動Ⅱ、晚侏羅世燕山運動Ⅲ、早白堊世燕山運動Ⅳ、晚白堊世燕山運動Ⅴ、古近紀早喜山運動與新近紀晚喜山運動等8次構造運動，構造帶主體向北推移[22-25]。

六盤山弧形構造帶主要發育3個斷裂帶，分別為海原-六盤山斷裂、中衛-同心斷裂帶、牛首山-羅山斷裂帶。海原-六盤山斷裂帶在靖遠、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階，這表明了斷層的反向正弦走滑運動。根據海原-六盤山斷裂帶發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為左旋走滑運動。中衛-同心斷裂帶在金山地區向西南方向傾斜，傾角在63°～70°之間。中衛-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個地區的西南方向，向西南傾斜，傾角在62°～85°之間。在該區域巖石形變大，根據橫切關系顯示出2個明顯的構造變形期。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，大多數是逆走滑構造。褶皺的軸面向西傾斜，說明它們受到了東西向的壓應力作用。六盤山地區構造應力整體為北東東向壓應力。研究區出露地層為白堊紀和新近地層，晚白堊世地層逆沖于新近地層之上，相對年齡確定主要構造活動出現在新近紀以后(圖2)。對比分析和應力分析發現，六盤山西部構造活動強烈，東部構造變形遠弱于西部，地層平緩。可以推斷，青藏高原隆升的遠程效應空間僅限于六盤山西部。

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

2 弧形構造形成機理

六盤山弧形構造帶的野外勘查發現早古生代地層已有大范圍的弧形斷層與褶皺發育。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有一定的弧形展布特征。六盤山及其鄰區早古生代晚期的弧型構造，西部可寬達200 km左右，而東部可窄至40 km左右，弧型構造的西部是散布的，而東部向南則逐漸收緊聚集，弧形構造的規模比較大，且不屬于對稱的弧形構造。六盤山古生代弧型構造帶的構造應力主要從南東指向北西方向，即來自規模和強度都較大的北祁連加里東造山帶。

圖3 六盤山地區早古生代晚期弧形構造(據文獻[21]修改)Fig.3 Late early Paleozoic arc tectonic in Liupanshan Area (modified by[21])

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

六盤山弧形構造帶古弧構造的形成是早古生代晚期中、北祁連地塊北東向擠壓對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；北祁連弧后盆地在中、北祁連地塊的擠壓下逐漸關閉，形成了一系列以下古生界地層為主的逆沖推覆構造。中、北祁連地塊的逆沖楔繼續向北東方向擠壓并進入賀蘭拉張區，由于在逆沖推覆構造帶的走向方向上推進時遇到的地層厚度不同，導致逆沖推覆構造帶地體變形，在平面上形成了弧形的構造形態。

中生帶在古弧形構造的基礎上形成了現今六盤山弧形構造帶的主體部分。古太平洋板塊俯沖作用下，使得六盤山地區總體處于NW-NE向左旋擠壓的構造應力場環境，三疊紀的印支運動使該地區隆起，侏羅紀受到有限的拉張，早白堊世早期拉張斷陷，早白堊世晚期擠壓反轉，陸內變形巨大，多個時期多次發生逆沖推覆現象。早白堊世時期弧形構造處于早期走滑拉張沉降階段，構造帶在強烈的擠壓作用下大幅抬升，處于短暫的應力松弛階段，在近東西方向的微弱的應力松弛產生的張力作用下，導致侏羅紀己經形成的正斷層再次活動，具有走滑的性質。東西向拉張作用繼續加大，六盤山弧形構造帶內的正斷層開始變的活躍起來，六盤山盆地西側的邊界斷層由早期的左行走滑轉為右行走滑，六盤山盆地東側存在斷裂帶，在六盤山盆地南部整體遭受北東向壓應力后，六盤山弧形構造帶隨六盤山盆地發生了一定程度的逆時針旋轉。早白堊世燕山運動晚期弧形構造帶處于晚期湖盆萎縮消亡階段，六盤山盆地繼續受到北東向的擠壓應力的作用，六盤山盆地地層開始整體發生緩慢抬升。

3 弧形構造數值模擬

3.1 平面模型的建立

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

圖4 北祁連地區早古生代晚期構造(據文獻[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造帶弧形的彎折的力學條件是中、北祁連地塊向北東擠壓。利用FLAC2D構建地質模型，考慮到數值模擬軟件基本計算單元網格劃分，按照地質模型將區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塊體，得到了六盤山弧形構造帶及其鄰區的平面模型圖。平面數值模型按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。弧形構造的形成作為該模型的模擬分析重點。數值模擬的主要目的是解釋其彎折的力學條件。研究區位于數值模型中心偏北東部，與模型4個邊界的距離都較大，主要是為了抵消邊界效應對研究區的影響。此外，賀蘭拉張區的砥柱作用沒有阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊強烈，故將其并入北祁連弧后前陸盆地的一部分進行模擬(圖5)。

圖5 六盤山弧形構造帶數值模型Fig.5 Numerical simulation model of Liupanshan arc structural belt

3.2 數值模型初始條件和邊界

構建的數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，由于六盤山弧形構造帶形成于北祁連弧后盆地區域內部，因此可以利用代表北祁連弧后前陸盆地的網格形變來反映六盤山弧形構造的形成過程。根據區域內地塊的形狀特征，利用FLAC2D建立可計算的數值模型并生成計算單元網格。為了在構建的模型的北東向壓力作用下網格能產生充分形變且劃分盡量少的區塊以減少計算負荷，地質塊體劃分左右邊界以南北向為主，整個模型劃分成子區塊，通過子區塊建立完整網格。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格組成。

由于六盤山弧形構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，將模型邊界設置為南部邊界施加了均等應力；模型的東部和西部為滾動邊界，即在東西邊界處物質不發生向東和向西運動。模型北部邊界為固定邊界，南部邊界的物質運移是自由的。南部邊界的壓力被設置為2.0×107Pa。由于各向同性彈性介質的特點是受到應力作用時應力與應變呈現正相關的線性關系，應力均勻增大時應變也按一定的比率線性增大。本次數值模型將地質塊體設定為各向同性彈性介質來建立模型(表1)，明確六盤山弧形構造帶形成的主要動力學過程。

表1 六盤山弧形構造帶模型力學參數

3.3 數值模型計算結果

六盤山弧形構造帶的數值模型進行模擬計算后模型處于平衡狀態，并得到了位移圖。導出x方向、y方向位移等值線圖，位移均為正值。對于y方向位移等值線圖，數值模型均為正值，即相對于初始階段的模型各網格節點向北位移，并且南部位移大于北部位移(圖6)。數值模型在x方向的位移計算結果表明六盤山區域范圍內古生代地質塊體位移的主要趨勢是向東，向東最大位移約為向北最大位移的25%(圖7)。將數值模擬計算結果中x方向位移與y方向位移合并后得到位移場圖，從位移向量圖指示的位移方向總體表現為向北東弧形突出(圖8)。

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

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

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

4 結 論

1)六盤山弧形構造帶經歷了長期復雜的構造演化過程，其主體形成于印度-歐亞板塊碰撞所導致的青藏高原隆升對其東北緣產生的北東向的擠壓應力。六盤山及其鄰區早古生代晚期北東向擠壓變形的相對柔軟的地塊遇到堅硬的阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊阻擋的共同作用下經歷了早期的弧形構造。數值模擬研究古生代弧形構造形成初期的地球動力學條件對弧形構造的作用機制。

2)依據前人對六盤山及其鄰區早古生代晚期弧形構造研究成果構建了數值模型。六盤山弧形構造帶南部邊界不同時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，但壓力方向為小幅度變化。數值模型將地質塊體做為各向同性彈性介質，并對不同地質塊體賦予巖石力學參數，數值模型南部邊界施加的北東向應力為均等定值定向壓力。

3)數值模型模擬計算的位移結果與弧形的總趨勢相一致。數值模擬過程有效驗證了北東向擠壓作用是六盤山弧形構造帶古生代弧形構造形成主要因素。