华北等中国主要地块早古生代早期古地理位置探讨

黄宝春　朱日祥　Y. Otofuji　杨振宇

摘要 在总结近年来在华北等中国主要地块上所取得的早古生代早期古地磁数据的基础上, 结合岩相古地理和古生物地理等资料, 探讨华北、华南和塔里木地块早古生代早期（寒武-奥陶纪）在全球古地理重建中的位置. 早寒武世, 华北、华南和塔里木地块均位于南半球低纬度地区, 且分别毗邻于冈瓦纳古大陆；早、中奥陶世, 华南和塔里木地块仍“滞留”在南半球中、低纬度地区, 与冈瓦纳古大陆相邻, 而这一时期华北地块很可能已从冈瓦纳古大陆上裂离出来, 与北美和西伯利亚大陆相邻.
关键词 华北地块 华南地块 早古生代早期 古地理重建

　　近年来, Li等人^[1～3]通过华南、华北及塔里木与劳亚大陆（北美和格陵兰）、西伯利亚及澳大利亚之间的岩相古地理和古地磁数据的对比研究, 探讨了华南、华北等中国主要地块在前寒武纪（1 050～720 Ma）Rodinia超级大陆中的古地理位置也即地块的起源问题. 至早寒武世, 随着Rodinia大陆的裂解和东、西冈瓦纳大陆拼合形成统一的冈瓦纳古大陆^[4], 华南、华北及西伯利亚地块已与劳亚大陆完全分离, 逐步向东冈瓦纳大陆靠近.
　　然而, 尽管早在70年代初, 一些学者根据东亚和东南亚主要块体与东冈瓦纳大陆在古生代地层和古生物地理上的相似性, 提出这些块体在古生代与冈瓦纳大陆保持着较密切的亲缘性^{[5, 6]}, 但它们何时、以何种方式与冈瓦纳古大陆相邻, 还缺乏清晰的认识和可靠古地磁数据的支持. 近年来, 华北等中国主要地块早古生代早期（寒武-奥陶纪, 下同）古地磁研究取得了重大进展^[7～11], 为各自的构造演化历史、运动学特征及在全球古地理重建中的古地理位置提供了有力的证据和基础资料^{[12, 13]}.
　　本文在总结近年来在华北、华南及塔里木地块早古生代早期构造古地磁研究结果的基础上, 结合古生物地理和岩相古地理等资料, 重点探讨华北等中国主要地块的构造演化历史及在全球古地理重建中的古位置.

1 古地磁结果

1.1 华北地块

　　Zhao等人^[7]对北京西山、河北井陉和山东中部的早寒武世至中奥陶世页岩、灰岩和白云岩的古地磁研究表明, 高温特征分量通过了褶皱、烘烤和倒转检验. 如不考虑其在古地磁极性判断上的模糊性, 所示寒武纪古地磁极(表1)具有较高的可靠性. 而早、中奥陶世古地磁极因样品数量较少(表1), 仅具参考价值.
　　Huang等人^[8]在华北地块鄂尔多斯盆地周缘的宁夏贺兰山地区、陕西铜川-韩城地区和山西运城-吕梁地区的下寒武统至中奥陶统多条剖面上采集了124采点917块定向岩芯标本. 岩性主要以灰岩、白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩为主. 经过深入细致的岩石磁学研究^[14]和系统的退磁处理和数据分析, 特征剩磁分量均通过了褶皱检验, 早、中奥陶世通过了倒转检验, 最后得到一组早古生代早期古地磁极位置（表1）.

表1 华北等中国主要地块早古生代早期古地磁极数据

　　杨振宇等人^[9]在河南焦作剖面6个中奥陶世灰岩采样点中分离出一组高温特征剩磁分量（表1）, 其单一反极性特点与奥陶纪磁性地层研究确定的奥陶纪Arenig-Llanvirn期为反向极性期^{[21, 22]}相吻合. 与鄂尔多斯盆地周缘及山东和河北所得结果^{[7, 8]}对比, 通过了广义褶皱检验.
　　Huang等人^[16]在河西走廊东缘早、中奥陶世米钵山组和天景山组上布置了13个采样点, 采集定向岩芯样品114块. 经岩石磁学和系统退磁处理, 从其中74块样品中分离出的高温特征分量通过了褶皱检验和倒转检验. 其相应的早、中奥陶世极位置与鄂尔多斯盆地周缘、河南焦作及山东和河北所得古地磁结果^[7～9]完全一致（图1）, 这表明河西走廊和阿拉善地体自早、中奥陶世以来相对于华北地块主体未发生明显的相对运动, 即河西走廊和阿拉善地体在早、中奥陶世就已与贺兰山褶皱带以东的华北地块主体形成了统一的华北地块. 因此, 在河西走廊及阿拉善地体上获得的早、中奥陶世以来的古地磁结果可用于讨论整个华北地块的大地构造问题.

图1　华北、华南及塔里木地块早古生代古地磁极位置（北极）的等面积投影图
实心和空心符号分别代表北半球和南半球古地磁极位置的投影

　　此外, 高荣繁等人^[17]、Lin等人^[15]、吴汉宁¹⁾在80年代还陆续报道了一些华北地块早古生代古地磁研究结果. 其中高荣繁等人的结果经Zhao等人^[7]重新分析计算后所得极位置与华北地块其他地区所得结果具有较好的一致性（图1）；吴汉宁¹⁾报道的早寒武世极位置（表1）是由两组存在明显差异的分量平均所得, 而其中南东方向剩磁分量对应的古地磁极位置与华北地块晚二叠世极位置非常接近, 表明其未完全消除后期重磁化的影响. Lin等人^[15]所报道的寒武纪极位置尽管缺少特征剩磁稳定性检验, 但与杨振宇等人^[23]最近在河北唐山寒武-奥陶纪界限上所得结果相似, 很可能代表了较宽时间域的平均结果；而Lin等人^[15]从辽宁复县马家沟组5块灰岩样品中得到的奥陶纪极位置（表1）靠近华北地块二叠纪极位置, 表明其很可能受到了后期重磁化的影响, 因而被原作者所舍弃^[24].
　　综上所述, 华北地块早古生代早期古地磁结果除早期结果因样品数量少、未完全消除后期重磁化的影响及缺少剩磁稳定性检验等原因而具有较低可靠性之外, 其余结果均具有较高的可靠性和较好的一致性.

1.2 华南及塔里木地块

　　白立新等人^[10]在四川旺苍地区中寒武世陡坡寺组剖面上布置了12个采样点, 采集140块定向岩芯标本. 岩性以紫红色细砂岩和红色泥岩为主. 岩石磁学和古地磁学研究表明, 9个采样点74块红色泥岩样品的高温分量为赤铁矿所携带, 且在99％置信水平上通过了McElhinny褶皱检验, 表明其为白垩纪发生褶皱之前获得的特征剩磁. 该高温分量对应的极位置（表1）与华南地块晚志留世以来的极位置有明显差异, 因而很可能代表了华南地块中寒武世的古地磁极位置.
　　吴汉宁等人^[11]在湖北兴山-秭归剖面奥陶纪碳酸盐岩的古地磁研究中发现, 高温分量有两种类型且一般在570℃左右解阻：以正倾角指向南或以负倾角指向北（早、中奥陶世）；以正倾角指向南偏东或以负倾角指向南偏西（晚奥陶世）. 从早、中奥陶世5个采样点33块样品的高温剩磁分量重新进行Fisher统计, 可求得褶皱改正后的平均方向为142.5o, 18.3o,α₉₅=18.5o, 其对应的古地磁极位置为157.6oE, 36.0oS, A₉₅=17.8o（表1）. 然而, 晚奥陶世3个采样点44块样品的采样剖面, 由于一逆冲断层的影响而产生40o左右的局部旋转, 这一结果未被采用.
　　90年代初, Fang等人^[18]在云南早奥陶世晚期红石崖组砂岩和泥岩的古地磁研究中, 在5个采样点26块样品中分离出一解阻温度为680℃的高温特征分量. 这一分量为单一反极性, 与华北及西伯利亚奥陶纪古地磁和磁性地层结果^{[8, 21, 22]}所揭示出的Arenig-Llanvirn期为反向极性期相一致. 同时, 高温特征剩磁分量在95％置信水平上通过了第三纪的褶皱检验. 因其对应的极位置与华南地块志留纪以来的极位置有明显差异, Fang等人解释其为原生剩磁分量.
　　此外, 80年代中期, Lin等人^[15]在浙江、湖北及云南3省多条不同的早寒武世剖面上获得一华南地块早寒武世古地磁极（表1）. 这一古地磁极位置在95％置信水平上通过了广义褶皱检验和倒转检验, 因而可能排除了局部旋转的影响, 而代表相应地质时期的古地磁极位置. 然而, 这一古地磁极位置与Opdyke 等人^[25]从四川秀山获得的中、晚志留世的极位置近乎重叠（图1）, 所以, 不能排除志留纪重磁化的可能.
　　梁其中等人^[19]报道的寒武纪古地磁极与华南地块二叠纪古地磁极位置^[11]非常相似, 表明其很可能未完全消除晚古生代～早中生代重磁化的影响.
　　如图1所示, Fang等人^[18]早奥陶世极位置与吴汉宁等人^[11]的早、中奥陶世极位置存在明显差异. 尽管这两个奥陶纪极位置均是从较少量样品中获得的, 但吴汉宁等人^[11]的结果未提供特征剩磁的稳定性检验, 有待于进一步验证；而Fang等人的结果通过了第三纪褶皱检验, 目前可视为华南地块的较可靠数据.
　　塔里木地块早古生代古地磁研究仍很薄弱, 现有古地磁数据库尚不足以深入探讨其早古生代早期古地理位置和运动学特征. 迄今为止, 公开报道的早古生代古地磁结果仅有方大钧等人^[20]对采自库鲁克塔格地区的雅尔当山剖面早奥陶世白云岗组白云质灰岩的古地磁和岩石磁学研究结果. 由沉积碎屑磁铁矿携带的高温特征剩磁在3个采样点上显示出较好的一致性, 很可能代表了岩石形成时期获得的原生剩磁.
　　此外赵西西等人(私人通信，1999)在塔里木盆地库鲁克塔格地区晚寒武世和中奥陶世灰岩样品的古地磁研究中发现, 高温特征剩磁分量具有双极性, 且在99％置信水平上通过了褶皱检验, 表明其为中志留世之前获得的特征剩磁. 这一特征剩磁分量对应的古地磁极位置揭示出塔里木地块在晚寒武世和中奥陶世分别位于南半球27.8oS和36.5oS.

2 早古生代快速视极移

　　早寒武世全球各主要大陆和地块上均发生了程度不等的快速视极移, 已为大量古地磁数据所证实^{[8, 20, 26～28]}. 显然, 上地幔对流很难驱动岩石圈板块以每年25 cm以上的速度运动^[29]. Kirschvink等人^[27]在分析了劳亚、冈瓦纳、西伯利亚及波罗的地盾文德期至奥陶纪古地磁数据后提出, 全球各主要大陆早寒武世晚期至中寒武世早期（523～508 Ma）可能发生了大约90o的快速视极移. 这一快速视极移很可能是由这一时期地球最大惯性轴和中间惯性轴的相互转换产生的一种特殊的真极移（IITWP）引起. 显然, IITWP模型要求全球所有大陆和地块在同一相对较短的地质时期（大约15～20 Ma）内均发生了大约90o的视极移, 除非地块发生了与真极移正好相反的运动.
　　华南和塔里木地块现有早古生代早期古地磁数据尚不足以检验上述IITWP假设, 但华北地块早古生代早期详细的古地磁研究表明^[8], 早寒武世至中寒武世, 华北地块仅发生了大约20o的视极移. 尽管杨振宇等人^[23]根据其唐山剖面寒武纪/奥陶纪界线的古地磁结果（294.6oE, 32.9oN, A₉₅=4.0o）提出华北地块在早古生代早期可能发生了更大的视极移, 但由于其时间的滞后性, 同样难以支持IITWP假设^[27]. Meert^[26]在分析IITWP假设提出时所利用的古地磁数据及在西伯利亚等大陆上获得的最新古地磁数据时发现, 劳亚和冈瓦纳大陆分别在(565±10)～(508±5)和(535±3)～(505±5) Ma期间仅发生了大约(31±13)o和(58±11)o的视极移. 上述研究结果均否定了Kirschvink等人^[27]提出的IITWP假设. 因而, 早寒武世全球各主要大陆快速视极移可能反映了全球各主要大陆在新元古代Rodinia超级大陆解体后重新取位而引起的真极移及由下地幔热异常引起的快速地块运动^[26].

3 运动学特征和古地理重建

　　华北地块重新修订的古生代视极移曲线^{[8, 30]}在早寒武世至中寒武世期间的显著视极移很可能主要反映了华北地块这一时期发生了一定量的逆时针旋转, 但未发生显著的纬向变化^[8]. Huang等人^[31]通过对河西走廊东缘中宁、中卫地区的3条志留-泥盆纪剖面（23个采样点, 239块定向岩芯标本）的岩石磁学和古地磁学研究发现, 由赤铁矿（红层和砂岩样品）和磁铁矿（灰岩样品）所携带高温特征分量通过了褶皱检验和倒转检验. 中奥陶世至志留纪, 32o左右的顺时针极移可能反映了华北地块随西伯利亚一起快速北移, 志留纪时已越过赤道处于北半球低纬度地区. 因此, 就整个寒武-志留纪, 朱日祥等人^[12]通过对华北地块嘉峪关参考点（98.0oE, 40.0oN）古生代的古纬度及古偏角变化特征的对比分析, 提出的华北地块早古生代以平移为主, 旋转为辅的运动学特征是合理的.
　　华北地块早寒武世古地磁和岩相古地理数据表明华北地块位于南半球17oS左右（古纬度参考点：陕西韩城, 110oE, 35oN）^{[8, 13, 32]}, 而三叶虫古生物地理研究认为华北与澳大利亚在寒武纪时同属亚澳生物古地理大区^[33]. 将华北地块的视极移曲线绕欧拉极（4.9oN, 70.2oE）顺时针旋转133.5o, 使其与固定非洲参考系下的冈瓦纳大陆早古生代视极移曲线^[34]相重叠, 可得出早寒武世华北地块位于南极洲和澳大利亚联合古陆的东缘（图2和3）. Piper等人^[37]基于华北地块新元古代冰碛层的古地磁研究提出了与本文相似的古地理重建模式. 此外, 由北祁连地块及南极大陆Transantarctic山脉中的板岩和千枚岩的同位素数据来看, 极相似的Rb-Sr等时线及Sm-Nd模式年龄表明, 华北地块曾与南极大陆相互碰撞, 此次事件为早古生代发生于冈瓦纳大陆东侧的Ross造山运动的最后一期事件^[38].

图2　早寒武世华南、华北地块及冈瓦纳大陆固定非洲参考系下的古地理重建（投影）
华南和华北地块早古生代地磁极位置（南极）见表1，冈瓦纳早古生代古地磁极位置（南极）据文
献[34～36].欧拉极旋转,华北4.9ºN,70.2ºE,顺时针旋转133.5º;华南,39.8ºS,134.7ºE,逆时针旋转
51.6º.

图3　早寒武世华北、华南及周边地块现代地理坐标系下古地理重建的等面积投影

　　奥陶纪时华北地块的古纬度未发生明显变化, 仍处于南半球低纬度地区. 然而, 三叶虫古地理研究表明, 中奥陶世时华北与华南及澳大利亚分属不同的生物古地理大区, 而与西伯利亚同属原特提斯生物古地理大区^[33], 这表明华北与华南和澳大利亚相距应在1 000 km以上, 但与西伯利亚相距在1 000 km范围之内^[39]. 牙形石生物古地理及碳酸盐沉积相研究也进一步证实了华北与西伯利亚的亲缘性远高于亚澳大区^[40]. 中寒武世之后, 华北地块与冈瓦纳大陆古地磁视极移曲线的分离, 表明图2和3所示华北地块与冈瓦纳大陆间的大地构造关系只能持续到中寒武世, 之后华北地块与冈瓦纳大陆可能存在短暂的裂离^{[3, 8]}, 至中奥陶时已大致位于西伯利亚地块的南部（图4）.

图4　中奥陶世华北、华南及周边地块现代地理坐标系下古地理重建的等面积投影

　　我们注意到本次研究所示华北地块早古生代早期古地理重建（图3和4）与朱日祥等人的结果(见文献[12]中图6(a)和(b))有一定的差异. 事实上, 由于古地球磁场的对称性, 基于古地磁数据所作古地理重建时地块的古经度是不确定的, 即同一地块可在同一纬度线上任意移动. 图3和4所示古地理重建模式, 不仅考虑了古地磁数据的制约, 而且充分考虑了华北和澳大利亚寒武纪三叶虫古生物地理上的相似性^{[33, 41]}和中奥陶世生物古地理分区上的差异性^[33], 以及华北与西伯利亚奥陶纪牙形石生物古地理及碳酸盐沉积相的相似性^[40]等地质和古生物证据.
　　华南和塔里木两地块现有早古生代早期古地磁数据均表明, 两者在这一时期位于南半球中、低纬度地区, 且寒武至奥陶纪期间, 两地块均有显著南移运动. 白立新等人^[10]的中寒武世古地磁极与Fang等人^[18]的早奥陶世古地磁结果相比较, 揭示出较大的南向位移量((36.7±14.9)º). 这一时期塔里木地块也发生了显著南移; 库鲁克塔格地区晚寒武世和中奥陶世的古地磁研究表明, 塔里木地块在此期间发生了大约10o的南向位移 (赵西西. 私人通信, 1999). 华南及塔里木地块早古生代与冈瓦纳大陆的亲缘性为大量地质和古生物地理数据所支持^[12]. 尽管陈孝红等人^[42]从华南Arenig早期几丁虫的研究表明, 它具有冈瓦纳大区高纬度地区的典型分子（Eremochitina baculata, E. Brevis, Lagenochitina obeligis, Jenkinochitina vulgaris）特征, 而托盘藻以及以Serratognathus为代表的牙形石动物群的出现, 则表明华南地块位于中低纬度温暖地区. 尽管如此, 从几丁虫面貌特征出发, 华南地块应属于北冈瓦纳大区.
　　将华南地块绕欧拉极（39.8oS, 134.7oE）逆时针旋转51.6o之后, 华南地块中寒武世古地磁极[10]与冈瓦纳大陆相一致（图2）, 由此可得华南地块位于南极洲和澳大利亚联合大陆的西缘（图2和3）. 寒武纪时华南地块很可能与西澳大利亚相邻或属于冈瓦纳大陆的一部分[15], 显然与位于南极洲和澳大利亚联合大陆东缘的华北地块是两个相互独立的块体（图3）. 这一结论与寒武纪三叶虫古地理研究结果相一致. 寒武纪华北与华南及澳大利亚同属亚澳生物古地理大区, 但华北和华南彼此之间又有明显的差别[33]. 华南地块奥陶纪极位置[18]与冈瓦纳古地磁视极移曲线间的分离, 可能代表了早古生代华南地块与冈瓦纳大陆之间的相对运动. 正如Li等人[3]和Zhao等人[43]所指出的, 中国三大主要地块在寒武-泥盆纪期间曾与冈瓦纳大陆相毗邻或属于其一部分, 但其间仍有短暂的分离或相对运动.

4 结论

　　早古生代早期（寒武-奥陶纪）华北与华南等中国主要地块均位于南半球中低纬度地区, 且均与东冈瓦纳大陆相邻或属于其一部分, 但华北地块很可能曾一度与东冈瓦纳大陆裂离, 至中奥陶世大致位于西伯利亚和北美大陆的附近.
　　寒武纪华北与华南为两个相互独立的块体. 早寒武世华北地块很可能位于南极洲和澳大利亚联合大陆的东缘, 而华南及塔里木地块很可能位于联合大陆的西缘.
　　早古生代早期（寒武-奥陶纪）华北地块以逆时针旋转运动为主, 而华南及塔里木地块以显著南向位移为特征.

致谢 本工作为国家自然科学基金（批准号：49874014）和中国科学院（KZ951－A1－401）“留学经费择优支持”基金资助项目.

黄宝春(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100101)
朱日祥(中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100101)
Y. Otofuji(神户大学地球与行星科学系, 神户657-8501, 日本)
杨振宇(中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081. Email: bchuang@mail.c-geos.ac.cn)

参 考 文 献

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