在距今20多亿年之前,这里是一个南北狭长的地槽洼地,由当时已隆起的古陆上搬运而来的各种物质在此沉积下来,形成了厚达万米的沉积层。古元古代末期吕梁运动来临,贺兰山在构造运动作用下从海水中跃出,成为陆地。与此同时,炽热的岩浆也乘虚而入,顺着构造裂隙涌出地面,形成大面积的花岗岩岩体和侵入体,贺兰山东侧一些沟谷中出露的斜长石花岗岩岩体,经“钾氩法”测定,其生成年龄为距今大约18.4亿年,就是这一时期岩浆活动的产物。

中元古代,贺兰山地区重又下沉而被海水淹没,但这时的海洋中已不再沉寂,生命物质正在孕育。

在距今10亿年前的新元古代,构造运动使贺兰山再度隆起,而在随后的3亿—4亿年中,贺兰山区处于一种升降拉锯阶段。伴随着气候的节律性变化,贺兰山地区曾一度为冰雪覆盖,度过了漫长的冰期。其后,随着气温的回升,冰雪消融并汇成一股股汹涌的水流,挟带着石块,冰块和沙砾由高处滑落。在贺兰山一些沟谷中发现的震旦系冰碛石就记录着这段地史。

在距今6亿年之前,贺兰山地区重又下沉被海水淹没。在随后的3亿年中,贺兰山进入了一个全新的演变时期,生物的进化和繁荣达到了前所未有的程度。晚奥陶纪以后,贺兰山地区又一次隆起成山,经受了长达亿万年的剥蚀与夷平,在贺兰山区巨厚的地层序列中,缺失晚奥陶系—早石炭系。

晚石炭纪至二叠纪,贺兰山地区地壳变动十分频繁,时而上升,时而下沉,最后演变为湖沼相沉积环境。

到了距今2.5亿—0.7亿年间的中生代,在三叠纪和侏罗纪早期,贺兰山地区是相对稳定的准平原陆相环境。侏罗纪晚期到白垩纪,贺兰山地区在燕山运动的作用下开始上升,最初的上升运动是和缓的,但后来构造运动变得极为强烈,在距今8000万年时,贺兰山一举升起,奠定了山势。

新生代第三纪期间,贺兰山地受喜马拉雅造山运动的影响,继续上升并遭受剥蚀,而东侧的银川平原此时则从古贺兰山的基础上脱离出来,断块下降,接受沉积。由于青藏高原的强烈隆起和古地中海的消失,行星风系控制的环流形势被季风环流取而代之,湿润气流难以到达,贺兰山地区的气候的大陆性逐渐增强,气温也有所下降,但贺兰山及其周边地区还是以一种森林植被为主的自然景观。

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