南北构造带北部“古脊梁”演化过程探讨

赵晓辰 柯先启 白杰

摘要：选择“古脊梁”为研究对象，在综合前人研究的基础上，对研究区内蓟县系奥陶系的展布特征和接触关系、周邻沉积区碎屑组分以及低温热年代学资料等进行系统分析，进而探讨“古脊梁”的演化过程。研究表明，“古脊梁”地区广泛存在的古老地层的陡立和各期地层间的高角度不整合接触，说明“古脊梁”在地质历史时期经历了多期次的构造隆升作用;延长组下部（长8～长10）和中上部（长1～长7）在沉积特征和碎屑组分上的明显差异则表明，“古脊梁”在长8末期受到印支运动的强烈影响而发生了显著的构造隆升;“古脊梁”周邻的裂变径迹年龄统计结果进一步反映出，“古脊梁”在中—新生代期间经历了多期次的构造隆升作用。研究认为，“古脊梁”发生了多期构造隆升事件，经历了复杂的、动态的构造演化过程，表现出构造活跃期与构造平静期交替出现的特征：在构造活跃期内，发生强烈隆升，造成两侧沉积域的分隔;在平静期内，隆升作用减弱，广泛接受沉积，早期形成的山体被逐渐夷平。

关键词：“古脊梁”;南北构造带北部;隆升;动态演化

中图分类号：P542

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-06-018

Tectonic evolution of  "the archaic uplift" in thenorthern North-South Tectonic Belt

ZHAO Xiaochen1， KE Xianqi2， BAI Jie3

（1.College of Geology and Environment， Xi′an University of Science and Technology， Xi′an 710054， China;

2.No.5 Oil Production Plant， PetroChina Changqing Oilfield Company， Xi′an 710200， China;

3.Petroleum Exploration Company， Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.， Ltd.， Yan′an 716000， China）

Abstract： To discuss the tectonic evolution of this area， the strata distribution and contact relationship， detrital components， and low temperature thermochronology data are analyzed. The steep ancient strata and angle unconformity between different strata indicate "the archaic uplift" experienced multiple periods of tectonic uplift. The obvious difference in sedimentary and detrital components between the lower Yanchang Formation （Chang 8～10） and upper Yanchang Formation （Chang 1～7） suggest "the archaic uplift" was significantly uplifted by the indosinian movement at the end of Chang 8. The fission track ages further reflect that "the archaic uplift" experienced multiple periods of uplift during the Meso-Cenozoic. In general， "the archaic uplift" has complicated tectonic evolution and multi-phase tectonic uplift， showing the characteristics of tectonic active and calm period appear alternately.

Key words： "the Archaic uplift"; the northern North-South Tectonic Belt; uplift; dynamic evolution

贺兰川滇南北构造带，简称南北构造带，北起鄂尔多斯西缘构造带，穿西秦岭，经六盘山、龙门山，沿青藏高原东南边缘向南进一步延伸，可分为北部贺兰六盘山南北向构造带、中部龙门山逆冲推覆构造带和南部鲜水河小江断裂带［1］。因其构造活动强烈，强震频发，也被广大地震学家称为“南北地震带”［1-2］。该带整体具有从深部到浅表的地质、地球物理、地表系统的综合分界性，是中国大陆东、西部的重要构造分界线，对其进行解剖研究也是进一步探讨中国大陆中新生代以来东、西部构造差异演化的关键［3-4］。在南北构造带北部，屹立着一系列近南北向展布的山系（见图1），因此前人认为，该区存在一条南北向的“古脊梁”［5-9］。早期有学者认为，“古脊梁”展布范围为桌子山、贺兰山—六盘山一带（见图1中黄框位置）［10］，但目前大多数学者经过研究认为，其展布范围应限于“青龙山、罗山—固原三关口一带”（见图1中红框位置）［6-7，11］。除此以外，對于“古

脊梁”的演化过程也始终存在争议，如形成时间上便存在加里东期［12］、海西期［5］、印支期［8］、燕山—喜马拉雅期［7，11，13］等多种观点。“古脊梁”的隆升时限及演化过程的探讨，对于南北构造带北部（鄂尔多斯盆地西缘）的构造演化和勘探区块的优选等问题均具有重要意义。甚至有学者认为，其向南进一步延伸，更是与龙门山、康滇—横断山等南北向造山带一起构成了中国大陆东、西部重要的构造分界线［14］。因此，对该问题的探讨具有重要的科学意义和实际勘探意义。

本研究以“古脊梁”为研究对象，重点对其中生代期间的演化特点进行分析，系统整理了研究区内蓟县系奥陶系的展布特征和接触关系、周邻沉积区碎屑组分以及该区低温热年代学等多方面资料，并借此来全面、深入地探讨“古脊梁”的构造演化过程。

1 区域地质背景

“古脊梁”位于南北构造带北部中南段（宁南六盘山地区），处于鄂尔多斯盆地、阿拉善地块、走廊过渡带之间的结合交汇部位。具体而言，“古脊梁”指青龙山、大小罗山、云雾山以及固原三关口一带的中元古界、寒武系和奥陶系碳酸盐岩和碎屑岩构成的褶皱带［9，11］。周邻地区则广泛分布着各时代的沉积地层，包括志留系滨浅海相沉积、泥盆系磨拉石建造、石炭系海陆过渡相碎屑岩和碳酸盐岩沉积、二叠系至第四系陆源碎屑岩沉积。此外，研究区及周邻断裂十分发育，以青铜峡—固原断裂为界，可划分为桌子山平凉冲断体系和六盘山冲断体系两大部分［15］。向东或东北方向的叠瓦状逆冲断层则构成了该区的主要格架，并伴随同生及由断层牵引而形成的褶皱、反冲断层、后冲断层、正断层和走滑断层等［12］。整体上讲，研究区及周邻自古生代以来，经历了不同的动力学环境和构造-热力作用的影响，而中生代以来又遭受了强烈的陆内变形和改造，形成了现今现象丰富、特征复杂，集挤压、伸展、走滑于一地共存的地质地貌景观。

2 地层分布与接触关系

在南北构造带北部中南段，即青龙山以南至平凉地区，其中元古界、寒武系和奥陶系碳酸盐岩地层呈断续状、近南北向展布（见图2）。同时，这些中元古界、寒武系和奥陶系现今往往发生陡倾，其上又被不同时代的地层所覆盖。研究表明，区域不整合是标定一个地区构造隆升的重要标志之一［16-17］，故本研究重点对“古脊梁”及周邻地区地层的接触关系开展了详细的调研。

平凉新店剖面可见奥陶系与上覆上三叠统砾岩呈角度不整合接触，且上三叠统砾岩含有大量灰岩砾石。该剖面表明，该区奥陶系在晚三叠世已经出露地表并遭受剥蚀（见图3A、B）。固原蒿店、店洼等地均可见近于直立的奥陶系灰岩被下白垩统不整合覆盖（见图3C、D），这表明在下白垩统沉积之前，该区奥陶系已经发生了强烈的倾斜抬升。彭阳南洋沟剖面出露奥陶系平凉组页岩和背锅山组生物碎屑灰岩，两者为整合接触；奥陶系整体呈西倾单斜构造（见图3E），且与上覆侏罗系为断层接触，断层西倾，断面擦痕清晰可见，奥陶系冲覆于侏罗系之上。该剖面表明，在中—下侏罗统沉积之后，其发生了强烈的逆冲作用。从重力图上可见，该断裂相当于青龙山平凉断裂的一部分［18］。固原北部官厅乡養花台剖面出露蓟县系浅灰色硅质灰岩、白云质灰岩及白云岩，且被辉绿岩体侵入其中，并导致蓟县系变质或糜棱岩化；其上部被下白垩统三桥组砾岩以角度不整合所覆盖（见图2），砾石成分主要为灰岩、硅质条带白云岩及硅质岩等。该剖面说明，在早白垩世之前，该处蓟县系已发生了强烈的抬升，出露地表，并向周邻早白垩世地层提供物源。该剖面不远处的云雾山地区同样可见蓟县系与下白垩统的角度不整合接触。炭山东北处元古界王全口组和黄旗口组可见浅灰色硅质灰岩、白云岩，褐红色石英砂岩夹硅质页岩呈陡倾层状产出（见图3H），不远处又被延安组以角度不整合覆盖（见图3G）。该剖面说明，在延安组沉积之前，该区的元古界地层已经发生明显的抬升陡倾。甘肃环县南湫子可见奥陶系平凉组被下白垩统三桥组以角度不整合所覆盖，平凉组产状263°∠38°，三桥组近于水平（见图2）。该剖面显示出，早白垩世三桥组沉积之前，该区奥陶系已发生了明显的构造抬升。同心县青龙山蓟县系、奥陶系出露范围较大，呈南北向展布，蓟县系、奥陶系间各套地层呈整合接触，为一西倾单斜构造，地层倾角约为60°（见图3I）。东部甜水堡地区同样出露西倾的奥陶系灰岩，但倾角约为25°，较西部青龙山地区明显减小， 并且在该处发现了奥陶系与上覆侏罗系延安组的角度不整合接触［9，15］。该剖面表明，在侏罗纪之前，该区奥陶系也已发生了明显的抬升。其余诸如铁铜沟（见图3F）、石板沟等剖面（见图2），虽然未见上覆地层约束，但这些剖面的奥陶系同样也表现出明显的向西陡倾。值得注意的是，“古脊梁”两侧沉积了两套含有大量碳酸盐岩砾石成分的砾岩，即晚侏罗世芬芳河组砾岩和早白垩世三桥组砾岩，部分地区砾岩中碳酸盐岩砾石的个数与总个数的比甚至超过90％（见图4）。同时，在“古脊梁”周邻，广泛发育J／K间的高角度不整合，向外则逐步转为低角度不整合或平行不整合，这表明“古脊梁”在晚侏罗世—早白垩世期间也发生了强烈的隆升。该期构造事件在研究区表现十分明显，并使得六盘山盆地与鄂尔多斯盆地具一定的分割性［7］。

上述地层特征表明， 虽然现今地表出露并不连续， 但南北构造带北部中南段确实广泛存在近南北向展布的蓟县系、 奥陶系， 这些地层往往呈西倾单斜状产出， 且被上覆不同时代的地层所覆盖， 部分剖面还反映出蓟县系、 奥陶系与近水平展布的侏罗系、 白垩系呈断层接触关系， 都说明“古脊梁”在地质历史时期经历了多期次构造隆升作用。

3 地层碎屑组分特征

“古脊梁”主要由中元古界、寒武系和奥陶系碳酸盐岩组成，而碳酸盐岩岩屑又是众多岩石碎屑中最具指示意义的重要岩石碎屑之一，其主要形成于较大的地貌高差和快速侵蚀的环境之中［19］，一般仅在近源快速沉积的碎屑岩中才能大量保存。因此，“古脊梁”周邻沉积区碎屑岩中碳酸盐岩岩屑含量的变化，对“古脊梁”的隆升具有重要的指示意义。故本研究重点对“古脊梁”周邻中生代碎屑岩进行了大量的岩石学分析。

对“古脊梁”东部（鄂尔多斯盆地西缘）地区大量钻井及露头的上三叠统样品的碎屑组分分析表明，其存在大量的碳酸盐岩岩屑（见图5）。需要说明的是，由于缺乏古生物资料，对于鄂尔多斯盆地西南缘平凉、策底坡等地发育的一套以紫红色、棕红色砾岩、砂砾岩及砂岩为主的上三叠统地层，前人多笼统地将其作为整个延长组沉积［20-21］，但相似的岩石学特征表明，其应划归长7及其上部地层［22］，故本研究将其置于长1至长7段进行对比（见图5）。对比发现，在延长组长7和长8之间存在明显的转折点，一个最显著的区别是在长8至长10的碎屑组分统计中几乎不含碳酸盐岩岩屑，而自长7开始，碳酸盐岩岩屑含量陡增（見图5）。该区钻井资料同样显示，延长组上部发育砾岩、砂砾岩等边缘相沉积，如彭阳地区安深1井、演43井等钻遇延长组砾岩，且其中含有大量的碳酸盐岩砾石，最大砾径可达8 cm［9，22-23］。鄂尔多斯盆地西缘、西南缘沉积体系的演化也同样表现出长8、长7之间存在明显的转折，即由早期的辫状河、辫状河三角洲、滨浅湖相沉积转为中晚期的冲积扇相、扇三角洲相沉积［22，24］。因此，延长组下部（长8～长10）和中上部（长1～长7）在沉积特征和碎屑组分上的明显差异表明，“古脊梁”在长8末期开始受到印支运动的强烈影响，发生了显著的构造隆升［22-23，25］。

此外，前人认为，在“古脊梁”地区内部的窑山、炭山等地普遍发育晚三叠世“窑山组”［26-27］，并据此认为“古脊梁”在晚三叠世并未隆起。但是，通过近年来对“窑山组”进行的岩石学特征对比、地球化学、裂变径迹及碎屑锆石年代学等多方面研究，认为其应划归早—中侏罗世延安组［28-30］。而且该套地层的镜下特征也表明其不同程度地含有碳酸盐岩岩屑（见图6），但含量较上三叠统延长组明显降低（其个数与总个数的比为1％～12％）。同时，部分剖面还反映出，在延安组下部碳酸盐岩岩屑含量较高、上部含量逐渐降低甚至缺失的特征，说明自晚三叠世至早—中侏罗世，随着该区构造作用强度的逐渐减弱，在延安组沉积后期，“古脊梁”可能被逐渐夷平。

4 构造隆升的年代学证据

通过低温热年代学方法， 结合沉积记录和构造变形记录等资料对某一区隆升过程的时空格局进行分析， 已成为构造演化研究中一种较为成熟可靠的方法［31-37］。 “古脊梁”主要由中元古界、 寒武系和奥陶系构成， 岩性以碳酸盐岩为主， 无法直接对其进行低温热年代学分析。 然而，  前人对“古脊梁”周邻分布的古中生代地层已开展了大量的低温热年代学工作［31-34，38-49］，这些资料厘定了“古脊梁”所在地区的构造活动格架，也为探讨“古脊梁”的构造演化过程提供了重要信息。

统计结果表明， “古脊梁”周邻主要存在以下几期年龄集中分布区： 晚三叠世—早侏罗世（220～180 Ma）;晚侏罗世—早白垩世初（160～135 Ma）;早白垩世（120～110 Ma）;晚白垩世—古新世（100～56 Ma）;始新世（5～35 Ma）以及中新世晚期（10～8 Ma）（见图7）。除早白垩世裂变径迹年龄集中分布区被认为与区域地温场的降温有关外［50］，其余几期裂变径迹年龄集中分布区，在研究区均有明显的地质响应。这表明，“古脊梁”及周邻地区在中—新生代期间构造活动较为频繁，发生了多期次的隆升作用。其中，低温热年代学所记录的部分活动期次（如晚三叠世、晚侏罗世）与前文所述的区域性角度不整合分布及边缘相堆积等特征可相互印证，共同反映出中生代期间“古脊梁”及其周邻发生了多期次强烈的构造隆升。而新生代晚期的年龄多记录于贺兰山、六盘山一带，该事件则导致桌子山至六盘山一带的南北向山系最终定型［7，11］。此外，沉积学分析表明，该区在隆升作用的间歇期内，区域构造活动较弱，广泛接受沉积，早期形成的山体被强烈剥蚀甚至夷平，整体上体现出构造活跃期与构造平静期交替出现的特征（见图8）。

在中生代之前，虽未见低温热年代学记录，但包括“古脊梁”在内的南北构造带北部也存在较为明显的活动特征。在志留—泥盆纪，该构造带便具有明显的分区作用，西侧存在大量同期地层，而东侧则完全缺失［12］。石炭纪的构造分区作用同样十分明显，以地层整体缺失或沉积较薄的形式长期分隔东（华北）、西（走廊过渡带东部及其南北）两大沉积域，并且在中—晚石炭世土坡期才首次出现了东、西部水体的部分连通［51］，此时该构造带的活动有所减弱，但其沉积厚度仍较两侧更薄，显示其同样具一定的分区作用。另外，在甜水堡邻近地区，寒武—奥陶系与二叠系间的角度不整合、平凉大台子地区蓟县系—奥陶系与二叠系间的角度不整合［9］，也反映了“古脊梁”在古生代期間强烈的构造活动。因此，“古脊梁”在前中生代可能已初具规模，并造成了区域性的沉积分区和角度不整合接触。

5 结论

展布于青龙山—云雾山—三关口一带，由中元古界、寒武系和奥陶系所组成的“古脊梁”，在地质历史时期经历了多期、复杂的构造演化过程。初始隆升可能在晚古生代便已发生，中生代晚三叠世、晚侏罗世和早白垩世初均发生了明显的隆升作用。具体而言，晚三叠世受印支运动的影响，“古脊梁”发生强烈隆起，但随之活动性减弱，并被逐渐夷平，直至晚侏罗世—早白垩世初又一次强烈隆升，造成鄂尔多斯盆地与六盘山盆地的分隔；随后，在早白垩世中晚期，其构造活动性再次逐渐减弱并被夷平，两侧沉积域再次连通。新生代晚期以来，  随着北部贺兰山、  桌子山和南部六盘山出现大规模快速隆升， 才导致整个南北构造带北部形成一系列近南北向山系的地貌格局。 上述特征表明， 在构造活跃期， “古脊梁”地区发生强烈隆升， 造成地层间角度不整合的普遍发育和周邻沉积地层中碳酸盐岩成分的显著增加; 在构造平静期内， “古脊梁”地区隆升作用减弱， 广泛接受沉积， 早期形成的山体被逐渐夷平， 两侧沉积域部分或全部贯通。整体上来看， “古脊梁”的构造演化显示出动态的隆升、 夷平再隆升的演化过程， 这也与该区特殊的构造位置和基底薄弱等因素有关。

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