弧形构造带形成演化特征研究

马海勇，罗安湘，王朝阳，欧阳征健，冯娟萍

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018;3.兰州城市学院 培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

六盘山弧形构造带位于青藏高原东北缘，处于阿拉善地块、青藏地块和鄂尔多斯地块的交接部位(图1)，特殊的地理位置使其经历了多期次构造变形和复杂的构造演化[1-4]。张培震认为六盘山弧形构造带受青藏地块向北东向的推挤导致中、北祁连地块也向北东向位移并推挤北祁连弧后盆地，北祁连弧后盆地被相对坚硬的阿拉善地块与鄂尔多斯地块阻挡的构造转换带[5]。王东等通过几何学、运动学特征研究，认为六盘山弧形构造带目前有7条近南北向的断层，均呈现为北东向“弓”形态[6-8]。徐化超等通过动力学研究发现六盘山弧形构造带仅新生代就经历了上新世晚期到第四纪早期、中更新世和晚更新世3个期次的构造变形和隆升，构造带相对基底垂向抬升1 500 m[9-10]。近年来许多学者利用几何学、地壳电性、磁性地层年代、GPS测量等方法对六盘山弧形构造带弧形的形成时间和机制进行了大量的研究，并在中、新生代的弧形断层走向、地壳结构及应力形变等方面取得了诸多成果[11-14]，但对于弧形构造形成初期古生代的演化过程研究相对较少[15-16]。向宏发等通过古地震方法分析六盘山区断裂特征[17]，李天斌等通过运动学、动力学研究弧形推覆构造带形成机理[18-19]，张进等通过宁南弧形构造动力分析认为早古生代晚期北东向挤压是早期弧形构造形成的主要原因[20-21]，但是都缺乏地质模型的定量数值分析的证据。张东宁等利用大陆岩石块体动力学数值模型分析应力场、位移场变化[22-25]，因此，在对六盘山古生代弧形构造演化特征系统分析的基础上，利用数值模拟方法构建了古生代晚期构造带的数值模型，进行构造应力与地质块体形变规律研究，为弧形构造带的大陆动力学定量解释提供理论和实践依据。

图1 六盘山及邻区地质构造特征Fig.1 Geological and structural characteristics of Liupanshan and its adjacent areas

1 区域地质特征

六盘山弧形构造带位于鄂尔多斯盆地西缘、青藏高原东北缘，夹持在鄂尔多斯地块、阿拉善地块、秦祁昆碰撞带之间。六盘山弧形构造带、其南西部位的秦祁昆碰撞带、其北东部位的贺兰山褶皱与其东部的鄂尔多斯盆地西缘冲断带都受到青藏地块隆升的影响，地质现象，构造复杂。六盘山弧形构造带发育的断层从北向南看，走向依次由北西逐渐变为南北，总体呈现一个镜像的“S”形状，北部的断层形态展布较为舒展，南部的断层形态展布变得收束，弧形展布是该区的显著特点。研究区弧形构造的基底是形成于中、晚元古代的秦—祁—贺三叉形裂谷的发育时期到志留纪、泥盆纪前陆盆地发育时期，盖层经历了石炭纪-三叠纪、侏罗纪-白垩纪、新近纪等不同时代的发育，形成现今的构造形态。

六盘山弧形构造带在早古生代晚期受到青藏地块推挤而产生北祁连造山运动的力学作用。由于六盘山区域被阿拉善地块、青藏地块和鄂尔多斯地块包围，在研究区东北部形成银川地堑；北祁连弧后盆地在中、北祁连地块的推挤下逐渐闭合。东部过渡带在逆冲推覆作用下形成许多逆冲推覆体，推覆体主要由下古生界的地层组成。随着中、北祁连地块继续向北推进，六盘山弧形构造带继续向北东方向推移，并且其一部分缓慢汇入银川地堑。对于六盘山弧形构造带的地质边界条件是北部坚硬的阿拉善地块和东部坚硬的鄂尔多斯地块。西部同心等地区的下古生界地层厚度很大，东部中卫、中宁、固原等地区下古生界地层相对较薄，区域整体东西方向的地层厚度存在较大变化。六盘山弧形构造带的边界形状逐渐发生了变动，诸多原因导致整个六盘山弧形构造带地层从上往下弯曲。这些现象正是早古生代晚期处于北祁连弧后盆地东部的六盘山弧形构造带发育的几个重要条件。六盘山弧形构造带古生代形成了初期的弧形构造之后，经历了晚三叠世印支运动、早侏罗世燕山运动Ⅰ、中侏罗世燕山运动Ⅱ、晚侏罗世燕山运动Ⅲ、早白垩世燕山运动Ⅳ、晚白垩世燕山运动Ⅴ、古近纪早喜山运动与新近纪晚喜山运动等8次构造运动，构造带主体向北推移[22-25]。

六盘山弧形构造带主要发育3个断裂带，分别为海原-六盘山断裂、中卫-同心断裂带、牛首山-罗山断裂带。海原-六盘山断裂带在靖远、固原和南华山向西南方向倾斜，倾角为45°～80°。断层面上大量的近乎水平的条纹和台阶，这表明了断层的反向正弦走滑运动。根据海原-六盘山断裂带发育的一系列拉脱盆地，可以确定该断裂带在中新世晚期表现为左旋走滑运动。中卫-同心断裂带在金山地区向西南方向倾斜，倾角在63°～70°之间。中卫-同心断裂属于左旋走滑断层。牛首山-罗山断裂带位置在青铜峡和牛首山这2个地区的西南方向，向西南倾斜，倾角在62°～85°之间。在该区域岩石形变大，根据横切关系显示出2个明显的构造变形期。牛首山-罗山断裂带是在渐新世之前形成的，为反向的左旋走滑断层。

六盘山西部有许多断层和褶皱，大多数是逆走滑构造。褶皱的轴面向西倾斜，说明它们受到了东西向的压应力作用。六盘山地区构造应力整体为北东东向压应力。研究区出露地层为白垩纪和新近地层，晚白垩世地层逆冲于新近地层之上，相对年龄确定主要构造活动出现在新近纪以后(图2)。对比分析和应力分析发现，六盘山西部构造活动强烈，东部构造变形远弱于西部，地层平缓。可以推断，青藏高原隆升的远程效应空间仅限于六盘山西部。

图2 六盘山弧形构造带地层接触特征Fig.2 Contact characteristics of strata in Liupanshan arcuate tectonic belt

2 弧形构造形成机理

六盘山弧形构造带的野外勘查发现早古生代地层已有大范围的弧形断层与褶皱发育。下古生界地层存在不整合，在二维平面上也能观察到地层形态有一定的弧形展布特征。六盘山及其邻区早古生代晚期的弧型构造，西部可宽达200 km左右，而东部可窄至40 km左右，弧型构造的西部是散布的，而东部向南则逐渐收紧聚集，弧形构造的规模比较大，且不属于对称的弧形构造。六盘山古生代弧型构造带的构造应力主要从南东指向北西方向，即来自规模和强度都较大的北祁连加里东造山带。

图3 六盘山地区早古生代晚期弧形构造(据文献[21]修改)Fig.3 Late early Paleozoic arc tectonic in Liupanshan Area (modified by[21])

从平面分布上看，六盘山及邻区弧形构造西翼较宽，南起香山、天井山地区，北至香根-达赖地区北部，南北方向约200 km。弧形构造东翼较窄，牛首山-达赖地区，小罗山-青龙山南北向，东西方向约40～50 km。

六盘山弧形构造带古弧构造的形成是早古生代晚期中、北祁连地块北东向挤压对鄂尔多斯地块西缘和阿拉善地块南部的影响。鄂尔多斯地块与阿拉善地块的边界分布非常特殊，在北东方向上形成了贺兰拉张区；北祁连弧后盆地在中、北祁连地块的挤压下逐渐关闭，形成了一系列以下古生界地层为主的逆冲推覆构造。中、北祁连地块的逆冲楔继续向北东方向挤压并进入贺兰拉张区，由于在逆冲推覆构造带的走向方向上推进时遇到的地层厚度不同，导致逆冲推覆构造带地体变形，在平面上形成了弧形的构造形态。

中生带在古弧形构造的基础上形成了现今六盘山弧形构造带的主体部分。古太平洋板块俯冲作用下，使得六盘山地区总体处于NW-NE向左旋挤压的构造应力场环境，三叠纪的印支运动使该地区隆起，侏罗纪受到有限的拉张，早白垩世早期拉张断陷，早白垩世晚期挤压反转，陆内变形巨大，多个时期多次发生逆冲推覆现象。早白垩世时期弧形构造处于早期走滑拉张沉降阶段，构造带在强烈的挤压作用下大幅抬升，处于短暂的应力松弛阶段，在近东西方向的微弱的应力松弛产生的张力作用下，导致侏罗纪己经形成的正断层再次活动，具有走滑的性质。东西向拉张作用继续加大，六盘山弧形构造带内的正断层开始变的活跃起来，六盘山盆地西侧的边界断层由早期的左行走滑转为右行走滑，六盘山盆地东侧存在断裂带，在六盘山盆地南部整体遭受北东向压应力后，六盘山弧形构造带随六盘山盆地发生了一定程度的逆时针旋转。早白垩世燕山运动晚期弧形构造带处于晚期湖盆萎缩消亡阶段，六盘山盆地继续受到北东向的挤压应力的作用，六盘山盆地地层开始整体发生缓慢抬升。

3 弧形构造数值模拟

3.1 平面模型的建立

构建六盘山弧形构造带古生代弧形构造形成初期的地质模型。地质模型忽略了弧形构造垂向隆升的变化及其对弧形构造形成的次要影响因素(图4)。地质模型使用二维有限差分程序FLAC软件建立平面数值模型，将数值模拟研究的重点主要集中在确认早古生代晚期形成的六盘山弧形构造带弧形的形态形成的力学机制。

图4 北祁连地区早古生代晚期构造(据文献[21]修改)Fig.4 Late Early Paleozoic structure in north Qilian area (modified by[21])

在平面分布中明确构造带弧形的弯折的力学条件是中、北祁连地块向北东挤压。利用FLAC2D构建地质模型，考虑到数值模拟软件基本计算单元网格划分，按照地质模型将区域地块划分为阿拉善地块、鄂尔多斯地块、中北祁连地块、北祁连弧后盆地等地质块体，得到了六盘山弧形构造带及其邻区的平面模型图。平面数值模型按1∶5 000的比例建立模型，最终模型分别代表东西向1 000 km，南北向760 km的研究范围。弧形构造的形成作为该模型的模拟分析重点。数值模拟的主要目的是解释其弯折的力学条件。研究区位于数值模型中心偏北东部，与模型4个边界的距离都较大，主要是为了抵消边界效应对研究区的影响。此外，贺兰拉张区的砥柱作用没有阿拉善地块和鄂尔多斯地块强烈，故将其并入北祁连弧后前陆盆地的一部分进行模拟(图5)。

图5 六盘山弧形构造带数值模型Fig.5 Numerical simulation model of Liupanshan arc structural belt

3.2 数值模型初始条件和边界

构建的数值模型北部为阿拉善地块，东部为鄂尔多斯地块，南部为中、北祁连地块，中部为北祁连弧后前陆盆地，由于六盘山弧形构造带形成于北祁连弧后盆地区域内部，因此可以利用代表北祁连弧后前陆盆地的网格形变来反映六盘山弧形构造的形成过程。根据区域内地块的形状特征，利用FLAC2D建立可计算的数值模型并生成计算单元网格。为了在构建的模型的北东向压力作用下网格能产生充分形变且划分尽量少的区块以减少计算负荷，地质块体划分左右边界以南北向为主，整个模型划分成子区块，通过子区块建立完整网格。模型中阿拉善地块、鄂尔多斯地块、北祁连弧后盆地、中北祁连地块分别由不同的网格组成。

由于六盘山弧形构造带北部受阿拉善地块的阻挡，东部受鄂尔多斯地块的阻挡，将模型边界设置为南部边界施加了均等应力；模型的东部和西部为滚动边界，即在东西边界处物质不发生向东和向西运动。模型北部边界为固定边界，南部边界的物质运移是自由的。南部边界的压力被设置为2.0×107Pa。由于各向同性弹性介质的特点是受到应力作用时应力与应变呈现正相关的线性关系，应力均匀增大时应变也按一定的比率线性增大。本次数值模型将地质块体设定为各向同性弹性介质来建立模型(表1)，明确六盘山弧形构造带形成的主要动力学过程。

表1 六盘山弧形构造带模型力学参数

3.3 数值模型计算结果

六盘山弧形构造带的数值模型进行模拟计算后模型处于平衡状态，并得到了位移图。导出x方向、y方向位移等值线图，位移均为正值。对于y方向位移等值线图，数值模型均为正值，即相对于初始阶段的模型各网格节点向北位移，并且南部位移大于北部位移(图6)。数值模型在x方向的位移计算结果表明六盘山区域范围内古生代地质块体位移的主要趋势是向东，向东最大位移约为向北最大位移的25%(图7)。将数值模拟计算结果中x方向位移与y方向位移合并后得到位移场图，从位移向量图指示的位移方向总体表现为向北东弧形突出(图8)。

图6 六盘山弧形构造带数值模拟y轴位移Fig.6 y-axis displacement in numerical simulation of Liupanshan arcuate tectonic belt

图7 六盘山弧形构造带数值模拟x轴位移Fig.7 x-axis displacement in numerical simulation of Liupanshan arcuate tectonic belt

图8 六盘山弧形构造带数值模拟位移矢量Fig.8 Displacement vector of numerical simulation of Liupanshan arcuate tectonic belt

4 结 论

1)六盘山弧形构造带经历了长期复杂的构造演化过程，其主体形成于印度-欧亚板块碰撞所导致的青藏高原隆升对其东北缘产生的北东向的挤压应力。六盘山及其邻区早古生代晚期北东向挤压变形的相对柔软的地块遇到坚硬的阿拉善地块、鄂尔多斯地块阻挡的共同作用下经历了早期的弧形构造。数值模拟研究古生代弧形构造形成初期的地球动力学条件对弧形构造的作用机制。

2)依据前人对六盘山及其邻区早古生代晚期弧形构造研究成果构建了数值模型。六盘山弧形构造带南部边界不同时期受力大小与方向是存在变化的，其压力大小虽然变化较大，但压力方向为小幅度变化。数值模型将地质块体做为各向同性弹性介质，并对不同地质块体赋予岩石力学参数，数值模型南部边界施加的北东向应力为均等定值定向压力。

3)数值模型模拟计算的位移结果与弧形的总趋势相一致。数值模拟过程有效验证了北东向挤压作用是六盘山弧形构造带古生代弧形构造形成主要因素。