0 引言
宁夏南部位于黄土高原西缘,处于北祁连早古生代造山带、阿拉善微陆块、和鄂尔多斯地块3大构造单元的汇合部位[1],从古生代寒武纪起始,至新生代第四纪,该区域经历了加里东期、印支期、燕山期和喜马拉雅期的区域构造演化。研究实践揭示,不同的区域构造单元内部,呈现不同的构造特征,形成了现今复杂的构造格局与矿产资源分布状况[2⇓⇓⇓-6],西南部NW走向的逆冲断裂为西吉盆地及南、西华山地区主要的构造类型,沿西华山—南华山—月亮山西麓断裂具有热液活动和岩浆上侵的迹象,推断是宁夏境内金属矿产赋存的重点区域[7-8];中部4条逆冲推覆兼走滑性质的弧形断裂将阿拉善微陆块分割为3个不同的构造单元,受月亮山东北麓断裂控制,岩盐矿分布于硝口、上店子地区多个局部凹陷中[9⇓⇓⇓-13];东部以罗山—崆峒山东麓断裂为代表的SN走向的逆冲断裂及形成隆褶带共同构成“南北古陆梁”,在南、北倾末段赋存古生界、中生界煤层,造就了该区域丰富的煤炭资源[14-15]。可以发现,宁夏南部地区矿产资源的形成和分布与构造有直接的关系,特别是区域性构造单元分界断裂,决定了矿产资源的分布范围和赋存特征。因此,精准厘定研究区的构造格架,分析构造单元边界断裂特征,划定主要断裂的展布位置成为了解决研究区找矿突破的基础性关键之一。以往断裂构造研究工作主要以区域地质调查为主[16⇓⇓-19],在局部构造转换区部署了少量物探剖面工作,基本确定了西华山、南华山、月亮山、崆峒山、香山、天景山、烟筒山、罗山等基岩出露区断裂的特征,但是对于彭堡、黑城、预旺等黄土覆盖区的隐伏断裂赋存状态则未进行深入的研究剖析,造成了上述区域构造研究的缺失。
本文依托宁夏深部探测方法技术研究示范创新团队项目“固原地区深部构造格架及其演化特征研究”,在区域地质特征的基础上,根据1:20万区域重力、1:20万航磁、海原—预旺MT资料,运用小波多尺度分解方法与垂向二阶导数、斜导数2种边界识别技术相结合,厘定了宁夏南部构造单元边界断裂,划定了黄土覆盖区的隐伏断裂。
1 区域地质构造背景
宁夏南部地区大地构造位置属柴达木—华北板块Ⅰ级构造单元,东西横跨华北陆块、阿拉善微陆块、祁连早古生代造山带3个Ⅱ级构造单元,分别对应北祁连海沟系、腾格里早古生代增生楔、鄂尔多斯地块3个Ⅲ级构造单元。区域内主要构造单元分界断裂有牛首山—罗山—崆峒山断裂、烟筒山—窑山断裂、天景山断裂、六盘山东麓断裂及海原断裂(图1)。
图1
图1
宁夏南部地质构造
1—第四系风积层;2—第四系洪积层;3—新近系;4—古近系;5—白垩系;6—侏罗系;7—三叠系;8—石炭系;9—泥盆系;10—志留系;11—奥陶系;12—寒武系;13—元古宇;14—裸露断层;15—隐伏断层;16—MT剖面
Fig.1
Geological structure map of Southern Ningxia
1—Quaternary eolian deposit;2—Quaternary diluviun;3—Neogene;4—Paleogene;5—Cretaceous;6—Jurassic;7—Triassic;8—Carboniferous;9—Devonian;10—Silurian;11—Ordovician;12—Caimbrian;13—Proterzoic;14—Exposed fault;15—Concealed fault;16—MT profile
2 研究区地球物理特征
宁南地区布格重力场东西分异。东部泾源、彭阳以及以北地区布格异常等值线之拉长方向主要为SN向、NNE向,相对重力高异常的形态规则,整体性强,规模较大,似有“稳定”型的带状重力场特征;西部西吉、海原、同心地区布格异常的等值线以NNW—NWW向展布的弧形为特色,重力高与重力低异常带平列相间,排布较紧密,具有活动区型的布格异常分布特点。介于东西部地区之间的固原—彭阳南北重力梯级带纵贯本区,显然是划分腾格里早古生代增生楔与鄂尔多斯地块分界的重要地球物理场标志。此外,西部地区的海原—固原一线也分布一条明显的重力梯级带,为祁连海沟系与腾格里早古生代增生楔之间分界构造的重力响应(图2)。
图2
图2
布格重力异常
1—重力高异常;2—重力低异常
Fig.2
Bouguer gravity anomaly
1—high gravity anomaly;2—low gravity anomaly
宁南地区航磁异常场特征较为单一,变化低缓的负磁背景场中分散展布了几处高磁异常区,尤以彭阳、海原—西吉—隆德与同心东北地区航磁异常最为明显。东南部彭阳境内的高磁异常区为西南部平凉地区的高磁异常NW向延伸部分,西南部海原—西吉—隆德地区高异常带细分为南北2条,北部海原地区为长条状弱磁高磁异常带,南部西吉—隆德地区为片状强磁异常区,该区域高磁异常西南向与白银、静宁地区的北祁连海沟系东段末端的航磁异常特征一致,NE向形成了明显的NW向展布的线性边界,推测为区域性深大断裂的航磁场响应(图3)。
图3
图3
化极航磁异常
1—航磁高异常;2—航磁低异常
Fig.3
Polarization aeromagnetic anomaly
1—high aeromagnetic anomaly;2—low aeromagnetic anomaly
3 Ⅱ级构造单元分界断裂分析
3.1 阿拉善微陆块与鄂尔多斯地块分界断裂
牛首山—罗山—崆峒山断裂是宁夏境内阿拉善微陆块与鄂尔多斯地块分界断裂。自罗山东麓以南地区开始,该断裂基本呈隐伏状,被新生界黄土覆盖,地表难以见到大面积的基岩出露,对断裂的具体位置难以进行准确的划定。
图4
图4
牛首山—罗山断裂综合分析
a—垂向二阶导数;b—斜导数;c—断裂分布
Fig.4
Comprehensive analysis of Niushoushan-Luoshan fault
a—vertical second derivative map;b—tilt angle map;c—fault distribution map
表1 牛首山—罗山断裂展布特征
Table 1
| 断裂亚段 | 走向 | 长度/km | 走滑距/km | 地质特征 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 东侧 | 西侧 | ||||
| 第①亚段 | NNW335° | 17.4 | 2.3 | 大面积的古近系清水营组,穿插展布白垩系李洼峡组与三桥组 | 白垩系马东山组、古近系清水营组,局部见寺口子组 |
| 第②亚段 | NNW329° | 27.8 | 大面积分布白垩系李洼峡组和马东山组,局部见有古近系寺口子组,在沙南东部见条带状出露的三叠系崆峒山组 | 大范围覆盖古近系寺口子组与清水营组,河流沟渠低洼处局部沉积第四系粉砂土层 | |
| 2.4 | |||||
| 第③亚段 | NNW352° | 46.3 | 全范围出露白垩系马东山组,在杨庄的东部,局部出露的奥陶系天景山组 | 分布古近系寺口子组与清水营组 | |
| 2.6 | |||||
| 第④亚段 | NNW349° | 10.3 | 被第四系黄土层覆盖,但在程几山附近有白垩系马东山组出露 | 分布第四系马兰组黄土层 | |
| 5.3 | |||||
| 第⑤亚段 | SN354° | 30.1 | 被第四系马兰组黄土层大面积覆盖,局部出露古近系寺口子组与清水营组,白垩系马东山组和三桥组,侏罗系延安组与中元古界王全口组 | 被第四系马兰组黄土层大面积覆盖,基本无前第四系地层出露 | |
| 12.0 | |||||
| 第⑥亚段 | NNW349° | 33.0 | 严湾东南地区出露地层主要为奥陶系天景山组、寒武系阿布切亥组和中元古界王全口组 | 双井地区出露白垩系马东山组、三桥组与侏罗系延安组 | |
| 9.4 | |||||
| 第⑦亚段 | SN354° | 36.5 | 被第四系马兰组黄土层覆盖,在汪家塬南部见有两处奥陶系天景山组出露 | 完全被第四系马兰组黄土层覆盖,未见前第四系地层出露 | |
| 9.5 | |||||
| 第⑧亚段 | SN360° | 38.3 | 甘沟地区见三叠系二马营组 | 大面积覆盖第四系马兰组黄土层与新近系彰恩堡组 | |
3.2 祁连造山带与阿拉善微陆块分界断裂
1:20万区域重力1~4阶细节场由浅至深反映了海原地区构造单元分界断裂的展布特征。反映海原断裂的西安—曹洼—沙沟—偏城一线的重力梯级带,深部与浅部具有明显的继承性与一致性,推测海原断裂为下切深度比较大的区域性深大断裂;体现香山南麓断裂的重力梯级带的特征也比较突出,分布于香山—兴仁—蒿川一线,但平面延伸距离较短,至蒿川地区,重力梯级带线性特征消失,尤其是重力3、4阶细节场中,梯级带无ES方向延伸的迹象,推测香山南麓断裂在深部发育规模较小。分析认为:与香山南麓断裂相比较,海原断裂具有控制重力异常场分布的区域深大断裂特征,为祁连造山带与阿拉善微陆块的分界断裂,分布于海原县以西的西安、曹洼、九彩、偏城等地区(图5)。
图5
图5
海原断裂与香山南麓断裂重力场特征
a—重力小波1阶细节场;b—重力小波2阶细节场;c—重力小波3阶细节场;d—重力小波4阶细节场
Fig.5
Gravity field characteristics of Haiyuan fault and Xiangshan South foot fault
a—first-level approximation of gravity wavelet transform;b—second-level approximation of gravity wavelet transform;c—third-level approximation of gravity wavelet transform;d—fourth-level approximation of gravity wavelet transform
与重力异常场特征不同,通过对1:20万区域航磁1~4阶细节场逐层剖析,香山南麓断裂无明显航磁异常响应特征,推断该断裂不具备控制深部元古界海原群变质岩系的作用。北祁连造山带条带状高磁异常区与阿拉善微陆块片状低磁异常区的分界即为海原断裂的体现,呈弧形展布于海原县以东的兴仁、蒿川、郑旗、沙沟、偏城一线地区,并随着埋深的增加,逐渐向西南移动,体现出该断裂为隐伏的西南倾向的逆断层的特征(图6)。
图6
图6
海原断裂磁场特征
a—航磁小波1阶细节场;b—航磁小波2阶细节场;c—航磁小波3阶细节场;d—航磁小波4阶细节场
Fig.6
Aeromagnetic field characteristics of Haiyuan fault
a—first-level approximation of aeromagnetic wavelet transform;b—second-level approximation of aeromagnetic wavelet transform;c—third-level approximation of aeromagnetic wavelet transform;d—fourth-level approximation of aeromagnetic wavelet transform
对比上述2种分析结果,海原断裂为祁连早古生代造山带与阿拉善微陆块的分界断裂,重力异常场反映出断裂浅部位于海原县西侧的西华山、南华山东北麓,而航磁异常场体现出断裂浅部位置在海原县东部的盆地内部。MT剖面(图1中A-B剖面)电性特征显示,在南华山山前,深部发育2条断裂,体现为高、低电阻区的过渡带特征。其中:东侧断裂30 km以深处未见明显的电性变化,反映了断裂持续下切的特征,14 km以浅区域呈中低阻的层状电性结构,体现了断裂上延约7.5 km深度停止发育,推测上覆大厚度侏罗系、白垩系及古近系等层状沉积地层,东侧断裂呈深隐伏状逆断层特征,记为海原Ⅰ号断裂,与航磁异常场反映出的海原断裂对应;西侧断裂25 km以深,过渡带的电性特征逐渐弱化,推断断裂规模减小,且有向东侧断裂靠拢收敛的趋势,断裂浅部上延于南华山山前出露地表,为裸露逆断裂,记为海原Ⅱ号断裂,对应重力异常场反应的海原断裂,海原Ⅰ号断裂。海原Ⅱ号断裂西南侧高阻体代表了北祁连海沟系元古界海原群变质岩系,海原Ⅰ号断裂断裂东北侧深部中高阻体则是华北板块统一的基底岩层的反映,2条断裂间的低阻区为断裂破碎带的反映,也可能与深部含盐流体有关[24](图7)。
图7
地层出露是基于重、磁、电资料对断裂分析结果的佐证。宁夏海原南西华山地区,沿海原Ⅱ号断裂一线西侧主要出露中元古界海原群变质岩系,在南华山穿插出露小面积的早志留世花岗闪长岩及煌斑岩脉、花岗伟晶岩脉,西华山地区可见花岗闪长斑岩脉与石英脉,反映了海原Ⅱ号断裂与海原Ⅰ号断裂在深部交汇。甘肃省中东部金昌、兰州地区的地层出露情况与宁夏海原境内类似,且具有很好的一致性。根据地球物理与地质特征综合分析结果,建立海原断裂空间赋存样式(图8)。
图8
4 Ⅲ级构造单元分界断裂分析
研究区内的Ⅲ级构造单元分界断裂包括天景山断裂、烟筒山—窑山断裂和罗山东麓断裂。
天景山断裂又称“中卫—同心断裂”,为香山褶断带的前缘边界断裂。断裂在兴隆以北为裸露状,展布于天景山北麓,兴隆以南地区呈隐伏状,被第四系黄土覆盖层淹没。根据重力资料分析结果,天景山断裂表现为NNW向弧形展布的高值异常条带的东北边界。隐伏段反映断裂的高值异常条带承接着裸露段的异常特征,线性延伸至黑城、头营、中河一带,推断该断裂呈SEE向在固原西侧斜交于牛首山—罗山—崆峒山断裂(图9)。
图9
图9
宁夏南部断裂格架
a—断裂解释;b—断裂展布
Fig.9
Fault framework in Southern Ningxia
a—fault interpretation map;b—fault distribution map
烟筒山—窑山断裂为宁南弧形构造带的第3条弧形断裂,NW向弧形展布。烟筒山、窑山等NW向分布的山体北麓,断裂地貌特征明显,在同心东部的李洼子以南地区,基本被新生界覆盖。重力资料处理结果显示,与西侧天景山断裂相比较,反映烟筒山—窑山断裂的NNW—NWW向弧形展布的重力高异常条带整体幅值有所降低,呈中高值特征,向南延伸至田老庄乡一线后被近EW向次级断裂走滑错断,形成明显的异常条带不连续右行错阶,与东侧的另外一条近SN向重力高异常条带合二为一,推测田老庄乡以南予旺、甘城地区西侧展布的重力高异常条带与东侧SN向展布的重力高异常条带为同一断裂引起,而非烟筒山—窑山断裂的体现。
大罗山、小罗山东麓发育两条SN向断裂,紧邻罗山山前展布的断裂(西支)呈裸露状,东侧另1条断裂(东支)为隐伏状。在重力资料处理结果中,西支断裂为SN向重力高值异常条带的东边界,且被NEE向走滑断裂右行错断为四段,断裂的南端在炭山乡南部交汇于牛首山—罗山—崆峒山断裂;东支断裂延伸距离短,呈现典型的低幅值高异常条带。综合分析,西支断裂明确为罗山东麓断裂,呈裸露状,沿罗山东麓向南延伸至炭山乡正南9.6 km处,归并于牛首山—罗山—崆峒山断裂,东支断裂为罗山东麓断裂的同系列次级断裂,而非牛首山—罗山—崆峒山断裂第⑧亚段(图9b)。
5 结论
1)宁夏南部牛首山—罗山—崆峒山断裂具有清晰的重力异常分区特征,是鄂尔多斯西缘SN向连续分布的长条状重力高异常与阿拉善微陆块NW向断续分布的带状重力高异常的分界。断裂由8条亚段组成,呈现典型的右行走滑展布形态,且由南向北走滑规模逐渐增大。断裂东侧新生界、中生界沉积层较薄,横向变化大,多次构造运动致使基底隆升较高;断裂西侧呈大面积的第四系覆盖特征,中生界地层厚度较大,且具有西薄东厚的变化特征。
2)宁夏南部北祁连造山带与阿拉善微陆块的分界为海原断裂,呈现不同的重、磁异常特征。电性剖面证实该断裂在深部分为2条,东侧的为海原Ⅰ号断裂,隐伏于海原盆地内部,西侧的为海原Ⅱ号断裂,裸露于南华山、西华山东北麓。推测海原Ⅱ号断裂与深部交汇于海原Ⅰ号断裂之上;海原Ⅰ号断裂为前古生代构造单元的分界,后古生代构造单元的分界断裂为海原Ⅱ号断裂。
3)天景山断裂、烟筒山—窑山断裂与罗山东麓断裂在重力异常场中表现为NNW—NWW向弧形展布的重力高异常条带,断裂隐伏段高异常展布形态承接于裸露段,且异常幅值低于裸露段。天景山断裂、罗山东麓断裂分别于固原西侧、炭山乡正南归并于牛首山—罗山—崆峒山断裂。
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