天文学、地球科学贺兰山脉古生代以来的构造演化及其隆升过程

毛静雯; 李江海; 杨昊坤; 郭晓非

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505186

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11151-11160 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505186

天文学、地球科学

天文学、地球科学贺兰山脉古生代以来的构造演化及其隆升过程

毛静雯 ¹^,² ,
李江海 ¹^,²^,^* ,
杨昊坤 ¹^,² ,
郭晓非 ¹^,²

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Tectonic Evolution and Uplift Processes of Helan Mountains Since the Paleozoic

MAO Jing-wen ¹^,² ,
LI Jiang-hai ¹^,²^,^* ,
YANG Hao-kun ¹^,² ,
GUO Xiao-fei ¹^,²

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摘要

贺兰山脉位于华北克拉通的西北缘,是研究亚洲陆内构造变形的关键地区。为探究贺兰山脉古生代以来的构造演化及隆升过程,通过文献调研、野外调查资料结合古板块运动学数据,系统分析总结了贺兰山古生代以来的构造演化过程,从宏观板块尺度的运动学特征——板块运动速率的变化,对贺兰山脉的隆升时段进行了匹配。结果表明:贺兰山古生代以来依次经历了早古生代被动陆缘盆地、晚古生代弧后伸展盆地、中生代前陆盆地、新生代贺兰山-银川盆岭结构4个阶段的演化。贺兰山脉的隆升主要发生在中新生代,结合板块纬向运动速率减小的时期,认为贺兰山中生代在240~235 Ma 、169~165 Ma、155~147 Ma 、139~129 Ma、92~87 Ma和75~72 Ma共6个时段内可能发生了隆升。在新生代时期受喜山运动与青藏高原隆升远程效应的影响,贺兰山在56~50 Ma和30~10 Ma共2个时段可能发生了快速隆升。可见,贺兰山脉的构造演化与区域板块运动之间具有密切关联,同时也为理解陆内变形的远程响应机制提供了依据。

Abstract

The Helan Mountains, located at the northwestern margin of the North China Craton, represent a key area for investigating intracontinental tectonic deformation in Asia. In order to explore the tectonic evolution and uplift process of the Helan Mountains since the Paleozoic,the tectonic evolution process of the Helan Mountains since the Paleozoic was systematically analyzed and summarized through literature review, field survey data, and paleoplate kinematics data. By examining the change of plate motion rate from a macro plate the kinematic perspective, the uplift periods of Helan Mountains were correlated. The results indicate that since the Paleozoic, the Helan Mountains have experienced four evolutionary stages: an Early Paleozoic passive continental margin basin, a Late Paleozoic back-arc extensional basin, a Mesozoic foreland basin, and the Cenozoic Helan Mountains-Yinchuan graben-horst structure. The uplift of the Helan Mountains mainly occurred during the Mesozoic and Cenozoic. Considering the periods when the latitudinal movement rate of tectonic plates decreased, it is proposed that the Helan Mountains may have experienced uplift during six Mesozoic intervals: 240~235 Ma, 169~165 Ma, 155~147 Ma, 139~129 Ma, 92~87 Ma, and 75~72 Ma. During the Cenozoic, influenced by the Himalayan orogeny and the far-field effects of the Tibetan Plateau uplift, the mountains may have undergone rapid uplift during two intervals: 56~50 Ma and 30~10 Ma. These findings demonstrate a close relationship between the tectonic evolution of the Helan Mountains and regional plate motions, providing insights into the far-field response mechanisms of intracontinental deformation.

Graphical abstract

关键词

贺兰山 / 构造演化 / 板块漂移 / 隆升时期 / 古板块再造

Key words

Helan Mountains / structural evolution / plate drift / uplift periods / reconstruction of ancient tectonic plates

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毛静雯, 李江海, 杨昊坤, 郭晓非. 天文学、地球科学贺兰山脉古生代以来的构造演化及其隆升过程[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11151-11160 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505186

MAO Jing-wen, LI Jiang-hai, YANG Hao-kun, GUO Xiao-fei. Tectonic Evolution and Uplift Processes of Helan Mountains Since the Paleozoic[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11151-11160 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505186

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华北克拉通是全球最古老且最重要的克拉通之一,记录了复杂的地壳演化历史^[1-2],一直都是地质学家研究的热点地区之一。贺兰山脉正是华北克拉通西北缘的构造边界^[3],为一条近南北(北北东)走向的山脉^[3-5],所处的贺兰山构造带位于阿拉善、祁连、华北、华南等地块间的交接区域^[6-7],记录了华北多期次的陆内变形过程^[8-12]。贺兰山因其特殊的构造位置长期受到关注,学者们已从地质、地貌、生态等多方面展开了研究^[13-15]。

近年贺兰山地区地质上的研究,多集中于地壳结构^[16-18]、前寒武基底岩石的成因年代学^[1,19-22]。贺兰山构造演化方面,Zhao等^[3]认为贺兰山存在晚侏罗世至早白垩世早期、早白垩世中晚期、晚白垩世以及始新世以来4个抬升冷却阶段。Wu等^[8]对贺兰山中南段样品进行磷灰石裂变径迹分析,反演模拟结果显示存在170~120 Ma、120~95 Ma、66~60 Ma和10~8 Ma的4期快速冷却事件。马静辉等^[23]利用裂变径迹测年认为贺兰山在168~159 Ma、139~91 Ma、79~66 Ma和 59~50 Ma共4个时期发生隆升。张道涵^[24]认为晚古生代时期受俯冲洋壳断离作用影响贺兰山进入弧陆碰撞后伸展构造,中生代开始为后碰撞/造山演化阶段。杨向阳等^[25]对贺兰山北段野外构造分析,认为中生代以来共经历过三叠纪末期、晚侏罗世和新生代三期构造变形。前人多结合野外,利用磷灰石裂变径迹实验结果对贺兰山中新生代隆升过程进行研究,对古生代以来贺兰山构造演化研究主要为某段某一时期的单一研究,完整的构造演化历史综述较为缺乏^[4,26],且在具体阶段划分方面仍存在争议,一定程度上限制了对华北地区西缘构造演化的整体理解。

在野外调查的基础上,现结合前人基于不同实验方法对贺兰山演化历史的研究,对贺兰山脉古生代以来构造演化过程进行详细的分析与整理。同时利用全球古板块数据中贺兰山周缘板块纬向运动速率数据进行综合分析,从板块尺度的运动学特征对贺兰山地区的构造演化历史和隆升事件进行精细匹配与验证,宏观的动力学背景约束其对陆内变形的远程响应机制,以期为贺兰山古生代以来的构造演化历史和隆升时间精细重建的相关研究提供借鉴。

1 区域地质背景

贺兰山范围为37°38'N~39°30'N,105°17'E~106°32'E,是宁夏回族自治区与内蒙古自治区的界山。贺兰山脉海拔2 000~3 000 m,主峰敖包圪垯位于银川西北,海拔可达3 556 m。贺兰山脉东侧地势陡峭,西侧地势较为平坦,属中温带干旱气候区,具有典型的大陆性季风气候特点^[27]。

贺兰山脉位于中国西部南北向巨型构造带上^[18],为阿拉善、中祁连等多地块间交接区域^[5-6,28],内部结构及构造发育复杂[图1(a)和图1(b)],断裂主要分布在牛首山、贺兰山东麓、银川地堑东缘周围^[7],可以分为东西向、北西向及北北东向3组^[12,18]。以宗别立正谊关断层和三关口青铜峡断层为界线,可进一步将贺兰山分为北、中和南段^[4],其中南段进一步与六盘山脉构造带相接。

贺兰山地层发育较为齐全,与华北地区地层沉积特征相似。主要由变形变质的前寒武纪结晶基底和显生宙沉积盖层组成(图2)。太古代—元古代的基底岩系为孔兹岩带[图1(c)],主要分布在贺兰山北段,华北克拉通内该时期典型的碰撞造山带^[1]。沉积盖层中,古生界主要包括寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系,中生界包括三叠系、侏罗系及白垩系,新生界(古近系、新近系和第四系)主要出露于贺兰山东西两侧及南部的山间盆地内部,包括砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩、白云岩多种岩性,如图3所示。

2 贺兰山构造演化过程

阴山地块与鄂尔多斯地块的聚合碰撞形成了贺兰山。其后随着全球哥伦比亚超大陆的裂解,贺兰山地区成为华北板块地壳的薄弱地段,更易发生隆升变形,为以后的构造活动奠定了基础^[4,33]。基于对贺兰山动力学演变过程的充分调研,认为贺兰山自古生代以来依次经历了从早古生代被动陆缘盆地、晚古生代弧后伸展盆地、中生代前陆盆地到新生代贺兰山-银川盆岭结构的演化。

2.1 古生代

寒武纪时期贺兰山为向西缓慢倾斜的被动大陆边缘^[20],水体不与华北地区相连通,中间存在古隆起。早古生代早期,北祁连洋向北发生俯冲,形成北祁连岛弧,鄂尔多斯地块西缘地区处于弧后环境^[34]。奥陶纪时,贺兰山实现了向活动陆缘的转化^[4,35],随着北祁连洋逐渐关闭,逐渐变为北祁连岛弧的弧后前陆盆地^[34]。Zhang等^[36]对鄂尔多斯西缘米钵山组碎屑锆石年龄分析认为物源来自冈瓦纳大陆或北祁连,而非华北克拉通,结晶年龄-沉积年龄的累积比例曲线也与华北克拉通不重合,多证据对传统观点 “贺兰坳拉槽”或“贺兰裂谷”的存在提出了质疑,认为在加里东运动期间,贺兰山地区逐渐从弧后盆地转化为弧后前陆盆地^[33,36-37]。鄂尔多斯盆地西缘中奥陶统以复理石为主、志留纪与泥盆纪以磨拉石为主的沉积,类似前陆盆地的二元结构也可作为有利的辅证^[33]。

奥陶纪晚期受构造运动的影响,地壳隆起,贺兰山脉地区进入风化剥蚀阶段,经历了1亿多年的沉积间断^[34,38]。随着志留纪北祁连地区进入碰撞造山阶段,中、北祁连地块与中朝板块发生最终的陆陆(陆弧)碰撞至早、中泥盆世最终完成加里东运动,于晚泥盆世晚期北祁连造山带及其邻区后期发生伸展垮塌^[33]。北祁连造山运动结束后,贺兰山地区发生逆冲推覆活动,鄂尔多斯西缘由于贺兰山前陆盆地的消失而发生同期的逆冲活动^[34],贺兰山发生缩短变形,在贺兰山南端寒武系-奥陶系地层中发育有近东西向的倒转褶皱在泥盆系上统地层中发育有东西向宽缓褶皱,这些构造变形与祁连造山带向华北克拉通的拼贴过程相关^[11]。

董云鹏等^[4]通过对比贺兰构造带东西两侧石炭系地层的沉积特征,结合已有弧后伸展环境基性岩年龄数据,认为贺兰山及邻区石炭纪构造与古亚洲洋向南东俯冲过程中俯冲洋壳回撤造成的弧后伸展有关。

贺兰山地区在晚古生代晚期也发生了自西向东的运移和碰撞作用,并伴有花岗质岩浆的侵入活动,是贺兰山在早、中二叠世形成碰撞带的一个重要的旁证资料^[39]。Wu等^[8] 通过对贺兰山中南段样品锆石裂变径迹实验分析,认为279 Ma年龄组是早二叠世的构造热事件记录,与西秦岭、阿拉善伸展构造与岩浆活动的裂变径迹年龄高度一致,验证了贺兰山在晚古生代晚期发生了弧后伸展作用。

2.2 中生代

海西运动使贺兰山地区完全隆升变成为陆地,进一步造成沉积间断。中生代以来,贺兰山地区主要为陆内伸展发育阶段。三叠纪,古亚洲洋的关闭,导致巴彦浩特、贺兰山相继隆起^[4]。晚三叠世贺兰山地区开始沉积了巨厚的上三叠统延长组碎屑岩,碎屑物质主要来自阿拉善地块,表明此时期的构造演化过程与古亚洲洋闭合后阿拉善地块的碰撞后伸展过程相关联^[40]。贺兰山地区晚三叠世为伸展背景下陆内拉张环境已得到多方面的认证^{[33,37,41-42]},该时期正经历显著的地壳减薄与伸展事件。与此同时,南部六盘山地区的逆冲活动也同步进行,张进等^[33]认为贺兰山地区的拉张可能属于“碰撞谷”机制,且有经历大规模左行走滑运动^[37]。贺兰山地区三叠系及其以下地层中以NWW向宽缓褶皱为代表,指示了晚三叠世NNE-SSW向的挤压作用^[25],可归因于扬子克拉通与华北克拉通的碰撞,以及羌塘地块向欧亚大陆南缘的增生作用^[11,43]。

贺兰构造带在侏罗纪早期继承了印支期伸展盆地,后期盆地则受到区域构造挤压改造而快速萎缩。早-中侏罗世(193~169 Ma)的弱伸展事件对应三叠纪强挤压事件后的造山后垮塌^[8]。中侏罗世燕山运动使贺兰山地区形成山间盆地,在温暖湿润的气候背景下,形成了现今的大型煤田^[44]。中-晚侏罗世(168~159 Ma)受古太平洋向西俯冲作用控制发生了快速隆升事件^[3,11,23],151~147 Ma羌塘地块与拉萨地块俯冲引起阿拉善地块与贺兰山构造带向东挤出^[8]。晚侏罗世的收缩变形导致了贺兰山的初始隆升和形成,贺兰山也成为鄂尔多斯盆地中生代的西界,形成了陆内的褶皱冲断带,是华北克拉通下古太平洋板块沿亚洲大陆东缘向西平俯冲的响应^[4,9,25,45]。

早白垩世(130~109 Ma)构造热事件是东部太平洋板块的后撤与晚侏罗世增厚岩石圈的垮塌多重动力学的共同作用^[8]。晚白垩世(92~77 Ma)构造热事件则归因于太平洋板块与欧亚板块的汇聚^[8]。白垩纪以后,贺兰山地区发育较弱的板内变形^[39]。综合研究表明,中生代时期贺兰山主体逆冲褶皱的时间是从中侏罗世开始,在早白垩世末构造运动最强烈^[23],为前陆盆地性质。

2.3 新生代

贺兰山新生代表现为受正断层控制的伸展构造变形,形成贺兰山隆起和银川断陷。具体表现为受南西向北东的推挤,贺兰山山地隆升并遭受剥蚀,中生代形成的逆冲构造带进一步演变为低角度逆冲推覆,而东侧的银川断块因走滑、拉张而开始沉降接受沉积^{[30,39,46-48]}。

从始新世开始贺兰山地区由逆冲推覆转变为盆-岭构造,产生高角度的逆断层,贺兰山开始发生大规模隆升^[3,39]。现代近南北走向的贺兰山的构造样式都是在古近纪末期-渐新世定型并一直延续至今^[39]。

新近纪以来,受到印度板块北向俯冲运移、青藏高原隆升和北向运移的远程效应影响,宁夏地堑进一步地继续张裂和断陷^[39]。晚中新世时期,贺兰山构造带受青藏高原向外扩展,形成北东-南西向缩短变形和隆升^[11,47]。上新世贺兰山发生了更快速的隆升,与银川地堑强烈的断陷活动相伴生,得到了磷灰石和锆石裂变径迹测试结果等多方面的进一步证实^[3,10,49]。Liu 等^[47]的深部地球物理探测结果也清晰地揭示了银川地堑的深部结构和贺兰山山前断裂的形态,为盆岭构造的动力学模型提供了关键约束。

贺兰山在更新世(0.1~1.4 Ma) 也至少发生过一次构造转换事件,使倾斜构造模式由西南向西北转变,这可能是青藏高原东北缘向外扩展所致^[50]。

3 贺兰山隆升过程

自中新元古代以来,华北板块经历了超大陆裂解、多期碰撞拼合及陆内调整,贺兰山作为构造边界,其隆升、变形与华北板块的极移轨迹和漂移历史密切相关。中新元古代初期,华北板块处于罗迪尼亚超大陆裂解阶段。贺兰山地区作为华北克拉通西北缘的裂陷槽开始发育,形成南北向伸展的断陷盆地贺兰拗拉槽。巨厚的中新元古代沉积序列记录了裂谷作用下的碎屑岩-碳酸盐岩沉积,标志着华北板块西缘的构造薄弱带形成,为贺兰山显生宙以来构造演化变形奠定了基础。

基于全球古板块数据与地质记录等资料,分析了自古生代以来华北板块与其周围相邻板块(华南板块、阿穆尔板块、阿拉善板块、柴达木板块、祁连板块、塔里木板块、羌塘板块、拉萨板块、印度板块、西太平洋板块)(图4)的纬向漂移速率的变化趋势。认为华北板块速率快速减小的时期很可能就是华北板块与其他相邻板块发生碰撞事件的时间范围,将初步判定的板块尺度的碰撞事件与已有研究中贺兰山脉的构造演化事件进行匹配结合,从区域构造的宏观角度分析约束贺兰山的构造演化事件,并特别关注因板块间发生碰撞、隆升成山的事件及具体时间范围。

古生代期间,通过对比华北板块及其邻区陆块的纬向漂移速率(图5),认为贺兰山所处的华北板块,共有4次板块速率快速下降的时期,分别对应约515 Ma、445~405 Ma、360~340 Ma、325~275 Ma。其他古板块重建研究证明华北板块在约500 Ma时与冈瓦纳北部发生过碰撞拼接^[51]。寒武纪末向东漂移的华北与华南发生过短暂的碰撞^[37],商州—丹凤缝合线即是此次碰撞的证明^[52]。而现今普遍认同的加里东运动期间,贺兰山地区逐渐转化为弧后前陆盆地的挤压碰撞环境,可以与445~405 Ma这一时间区间相匹配。而325~275 Ma的区间,与在贺兰山碰撞带结晶基底中发现的花岗岩侵入体年龄(270~291 Ma)部分重合^[39],可视为是贺兰山在早中二叠世形成碰撞带的重要证据。多位学者通过磷灰石与锆石裂变径迹等实验,证明在304 Ma±3 Ma、279 Ma贺兰山为弧后伸展环境^[4,8,37]。华北板块纬向漂移速率的变化与贺兰山构造演化,在445~405 Ma和325~275 Ma两个范围内得到了较好的印证。

中新生代期间,通过对比华北板块及其邻区陆块的纬向漂移速率(图6),认为贺兰山所处的华北板块,在此期间共有11次板块速率快速下降的时期,其中中生代9次,分别对应240~235 Ma、205~200 Ma、185~175 Ma、170~165 Ma、155~129 Ma、118-115 Ma、100~97 Ma、92~87 Ma和75~72 Ma,新生代2次,分别对应56~50 Ma和30~10 Ma。其中在155~129 Ma和56~50 Ma时间段内,华北板块与大部分相邻板块的纬向运动速率都快速下降并接近于0,应对应大范围的构造运动,判断为多期次构造幕的燕山运动与喜山运动的开始阶段。

贺兰山在244~214 Ma期间受北北东-南南西向的挤压变形^[8,45],而印支运动于233 Ma在鄂尔多斯盆地启动^[54],可作为图6中240~235 Ma的板块速率降低的相关解释。中侏罗世开始,古太平洋板块与欧亚板块斜向相撞是燕山运动的主要动力,同样也导致贺兰山在168~147 Ma、139~91 Ma、92~66 Ma发生了冷却抬升^[1,8,55],这些结果已得到磷灰石裂变径迹研究的验证。与图6板块纬向运动速率下降期在169~165 Ma、155~147 Ma、139~129 Ma、92~87 Ma重合。晚白垩世(约80 Ma)时华北-华南-阿穆尔地块运动速率协调,贺兰山构造格局定型,自此成为了鄂尔多斯地块与阿拉善地块的构造-地貌分界。综合图6中速率变化特征,认为贺兰山在中生代240~235 Ma 、169~165 Ma、155~147 Ma 、139~129 Ma、92~87 Ma和75~72 Ma期间应发生了隆升。

始新世以来,印度板块向北俯冲与欧亚板块碰撞,喜山运动导致了青藏高原隆升,持续的俯冲也对青藏高原东北部产生了重要影响,华北板块间接受到了远程挤压,特别在65~50 Ma、12~8 Ma期间的冷却抬升得到多方面验证^[1,8,47],贺兰山沿东麓断裂快速抬升,银川地堑形成,南北向山系与盆地格局确立,这是印度-欧亚碰撞远程效应的直接反映。与华北板块纬向速率降低的56~50 Ma和30~10 Ma两时间段能得到较好的对应。

4 结论

(1)将古亚洲洋俯冲、华北-扬子碰撞、古太平洋俯冲、印度-欧亚碰撞等区域板块事件与贺兰山构造演化关联,贺兰山自古生代以来依次经历了早古生代被动陆缘盆地、晚古生代弧后伸展盆地、中生代前陆盆地及新生代贺兰山-银川盆岭构造4个阶段,构建了贯穿显生宙的动力学演化过程。

(2)贺兰山隆升主要集中在中新生代时期,与印支、燕山和喜山运动有较好响应。具体地,在中生代240~235 Ma 、169~165 Ma、155~147 Ma、139~129 Ma、92~87 Ma和75~72 Ma发生隆升;在新生代受印度-欧亚碰撞及青藏高原隆升的远程响应,在56~50 Ma和30~10 Ma两时期隆升。

(3)通过古板块运动学特征中板块纬向漂移速率指标,发现宏观上板块纬向运动速率变化与构造运动过程能得到较好响应,能够为位于华北板块西北缘的贺兰山陆内变形及隆升过程提供板块尺度的动力学约束。此方法也可以对其他板块边缘地区的构造演化过程提供约束。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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