晚古生代泛大陸聚合過(guò)程中板塊碰撞的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

李江海， 李維波， 王洪浩，張華添 毛翔

1) 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京, 100871;2) 北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京, 100871

內(nèi)容提要：本文基于古板塊再造方法，通過(guò)收集和篩選全球晚古生代古地磁數(shù)據(jù)，恢復(fù)再造泛大陸的構(gòu)造格局及其聚合過(guò)程。晚古生代，全球板塊的運(yùn)動(dòng)軌跡表明，全球板塊整體以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)，聚合形成泛大陸。通過(guò)分析單個(gè)板塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及不同板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表明在泛大陸聚合過(guò)程中，至少出現(xiàn)四種碰撞方式：① 追尾式碰撞：不同板塊在同向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板塊運(yùn)動(dòng)速度存在差異，如前方板塊速度慢于后方板塊，則會(huì)造成其間洋盆逐漸收斂—關(guān)閉，如萊茵洋(海西造山帶)、索倫洋(索倫山造山帶)等。 ② 側(cè)向式碰撞：兩個(gè)板塊運(yùn)動(dòng)軌跡大角度交叉，發(fā)生側(cè)向碰撞，如波羅的板塊向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與向東北運(yùn)動(dòng)的西伯利亞板塊碰撞，造成烏拉爾洋盆閉合，形成狹長(zhǎng)的造山帶。③ 錯(cuò)車(chē)式碰撞：兩個(gè)板塊，同向或者相向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在其側(cè)翼發(fā)生走滑—斜向式聚合。如塔里木和華北板塊轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，在側(cè)翼斜向?qū)?，以洋盆屬性不明和走滑斷層系發(fā)育為特征。④ 擁堵式碰撞：多個(gè)大板塊之間匯聚區(qū)域的小陸塊和地體發(fā)生多邊匯聚，廣泛出現(xiàn)島弧增生和殘余洋盆，如中亞造山帶。

在全球古板塊再造研究中，普遍通過(guò)古地磁方法并結(jié)合地幔柱制約來(lái)恢復(fù)古板塊位置(Collins ，2003；Torsvik et al.，2008, 2012；Zorin et al.，2009; Domeier et al., 2012; Angiolini, 2013；Smethurst et al.，1998；Golonka et al.，2003)。而在區(qū)域構(gòu)造研究中，大多數(shù)側(cè)重對(duì)造山帶構(gòu)造格局及俯沖碰撞造山過(guò)程的研究(李錦軼，2004；楊巍然等，2012；許志琴等，2012；翟明國(guó), 2012; G?rz et al.，2010; Long Xiaoping et al., 2012； Zhou Jianbo et al., 2013；Xiao Wenjiao et al., 2012, 2013)，即板塊邊界上相對(duì)的運(yùn)動(dòng)及其地質(zhì)演化過(guò)程。然而，對(duì)于同一板塊不同板塊邊界之間的構(gòu)造關(guān)系，以及板塊運(yùn)動(dòng)軌跡與板塊邊界上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩者之間的關(guān)系，缺乏系統(tǒng)的研究。與此相關(guān)的問(wèn)題還有，板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板塊之間的洋盆是如何關(guān)閉的(不僅僅是板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng))？板塊運(yùn)動(dòng)軌跡與俯沖帶發(fā)育的關(guān)系是什么？俯沖帶如何隨著時(shí)間發(fā)生遷移？板塊兩側(cè)的擴(kuò)張洋盆和收斂洋盆是否在時(shí)間上相對(duì)應(yīng)？陸塊之間不具備開(kāi)闊大洋條件下，如何發(fā)生匯聚碰撞和造山？多板塊之間的洋盆如何關(guān)閉形成造山帶(如中亞造山帶)？

泛大陸為晚古生代形成的超級(jí)大陸，對(duì)于地球演化具有重要影響，本文選擇其聚合過(guò)程開(kāi)展運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，在全球構(gòu)造格局和板塊構(gòu)造演化的背景下，重點(diǎn)依據(jù)全球古地磁數(shù)據(jù)的古板塊再造研究(Torsvik，1996)和區(qū)域上重要碰撞造山帶的運(yùn)動(dòng)分析(Collins，2003；Abrajevitch et al.，2007；Levashova et al.，2007)，將地史上不同板塊的運(yùn)動(dòng)軌跡和板塊邊界上相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行嘗試性的探討。

1 古地磁數(shù)據(jù)的篩選及板塊再造方法

本文在全球古地磁數(shù)據(jù)庫(kù)(GPMDB 4.6)(Pisarevsky，2005)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了2004年之后發(fā)表的古生代古地磁數(shù)據(jù)，并根據(jù)V90判據(jù)[① 采樣地層的年代得到精確地確定，且假設(shè)磁化年齡等于實(shí)際的巖石年齡；② 足夠數(shù)量的獨(dú)立采樣點(diǎn)和獨(dú)立定向的樣品；③ 正確的退磁技術(shù)和記錄；④ 野外檢驗(yàn)來(lái)限定磁化年齡；⑤ 構(gòu)造控制以及與相關(guān)克拉通或板塊的一致性；⑥ 地磁極性倒轉(zhuǎn)的存在；⑦ 與較晚時(shí)期的古極點(diǎn)沒(méi)有相似性。](Van der Voo，1990)，篩選品質(zhì)因子Q≥3的古地磁數(shù)據(jù)。對(duì)非洲板塊、南美板塊、北美板塊、波羅的板塊、西伯利亞板塊、澳大利亞板塊、哈薩克斯坦板塊、塔里木陸塊、準(zhǔn)噶爾各島弧和地體、華北陸塊、阿穆?tīng)栮憠K以及揚(yáng)子陸塊志留紀(jì)—二疊紀(jì)之間的古磁數(shù)據(jù)的篩選結(jié)果可見(jiàn)附表。

古地磁視極移曲線是認(rèn)識(shí)板塊運(yùn)動(dòng)的有效途徑之一，其形態(tài)變化反映板塊對(duì)接前的平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及對(duì)接后板塊間的地殼縮短和相對(duì)旋轉(zhuǎn)等因素，因此，可用以分析板塊的古大地構(gòu)造環(huán)境(余輝龍等, 2002)。本文采用“球面樣條法”(Spherical Spline Method)(Buss and Fillmore, 2001；Jupp and Kent, 1987；Torsvik et al., 1990；Torsvik et al., 1992)，選擇Q值為加權(quán)值，以300為樣條的參數(shù)，對(duì)各個(gè)板塊的視極移曲線進(jìn)行擬合，選取摩爾維德投影方式，對(duì)古板塊位置進(jìn)行恢復(fù)。

通過(guò)板塊的視極移曲線并選取合適的參考點(diǎn)，可以計(jì)算古板塊在某個(gè)特定古地理位置時(shí)的緯向漂移速率(實(shí)際的漂移速率肯定比緯向漂移速率大)和旋轉(zhuǎn)速率(Torsvik et al., 1992)。計(jì)算獲得的北美板塊、非洲板塊、波羅的板塊、西伯利亞板塊、華北和塔里木陸塊志留紀(jì)—二疊紀(jì)期間的緯向漂移速率以及旋轉(zhuǎn)速率如圖5、6、7所示。通過(guò)相關(guān)板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)比和分析，可獲得泛大陸聚合過(guò)程中板塊碰撞的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

2 晚古生代的泛大陸聚合構(gòu)造背景

晚古生代泛大陸聚合期間存在的洋盆包括：烏拉爾洋(西伯利亞板塊、波羅的板塊、哈薩克斯坦板塊之間)、萊茵洋(勞俄板塊與岡瓦納大陸之間)、古亞洲洋(西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊、華北陸塊和阿穆?tīng)栮憠K之間)、蒙古—鄂霍茨克洋(西伯利亞板塊、阿穆?tīng)栮憠K和華北陸塊之間)、索倫洋(阿穆?tīng)栮憠K和華北陸塊之間)、突厥洋—天山洋(波羅的板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊之間)(Biske et al., 2010)、秦嶺洋(華北陸塊和揚(yáng)子陸塊之間)、古特提斯洋(勞亞大陸、塔里木陸塊、華北陸塊和岡瓦納大陸之間)。這些洋盆交織出現(xiàn)于不同板塊和陸塊之間，并隨著板塊的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生洋盆規(guī)模的擴(kuò)張或縮小(圖1)。古亞洲洋晚古生代以持續(xù)閉合為特點(diǎn)。亞皮特斯洋、通奎斯特洋、萊茵洋、古特提斯洋、新特提斯洋洋盆依次具有此消彼長(zhǎng)演化更迭特點(diǎn)(Cocks et al.，2006；Nance et al.，2010; Metcalfe，2011)。古特提斯洋盆向北俯沖，新特提斯洋盆張開(kāi)，兩者構(gòu)造演化此消彼長(zhǎng)，并以基默里大陸相隔(圖1)。古亞洲洋與古特提斯洋也具有此消彼長(zhǎng)的構(gòu)造演化關(guān)系，其間以塔里木、華北等多個(gè)陸塊相隔。隨著上述洋盆陸續(xù)關(guān)閉，石炭紀(jì)—二疊紀(jì)形成的主要造山帶包括：中亞造山帶(Abrajevitch et al.，2007；Yakubchuk，2004)，烏拉爾造山帶(Levashova et al.，2007)、華力西—阿巴拉契亞造山帶(Collins，2003)秦嶺—大別造山帶(王清晨等，1989)、天山—突厥造山帶(李錦軼，2004)、索倫山造山帶(孫德有等，2000)、泰梅爾造山帶(Torsvik et al.，2002)。它們主要出現(xiàn)于勞亞大陸及其周?chē)?，造成泛大陸的最終拼合。

華力西—阿巴拉契亞造山帶由大量地體組成，屬于增生型造山帶，發(fā)育于波羅的板塊與勞倫板塊之間(Kalvoda et al，2010)，拼合時(shí)間晚于加里東造山帶。晚石炭世，勞俄古陸、哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊聚合，烏拉爾洋盆閉合，烏拉爾造山帶形成，古特提斯洋盆形成并向北俯沖(Scotese, 1997)。泛大陸的聚合，形成于勞倫大陸、波羅的板塊、西伯利亞板塊、岡瓦納大陸等持續(xù)向北緯地區(qū)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。其中，西伯利亞板塊在晚古生代還持續(xù)地發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(Smethurst et al., 1998)?？梢酝茰y(cè)，它們之間的多個(gè)洋盆(烏拉爾洋、萊茵洋等)，在石炭紀(jì)—二疊紀(jì)閉合于板塊向北運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致洋盆相對(duì)縮短的過(guò)程中。

圖 1 泥盆紀(jì)(約390Ma)全球古板塊構(gòu)造格局演化圖 (摩爾維德式投影；圖中箭頭指示板塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；古地磁數(shù)據(jù)據(jù)全球古地磁數(shù)據(jù)庫(kù)GPMDB；Scotese, 1997；方大鈞等, 2001；黃寶春等, 2008；造山帶據(jù)Golonka , 2011；Scotese, 2002)Fig. 1 Tectonic framework of global plates in Devonian (390Ma) (Mollweide projection；the arrows indicate the movement trend of different plates and blocks； paleomagnetic data are from GPMDB, Sxotese, 1997; Fang Dajun et al., 2001; Huang Baochun et al., 2008；Orogenic belts modified after Golonka , 2011；Scotese, 2002 )

圖 2 石炭紀(jì)(約330Ma)全球古板塊構(gòu)造格局演化圖 (俯沖帶據(jù) Scotese, 2002;巖漿巖省據(jù) Kravchinsky，2012；斷裂帶據(jù)De Boorder, 2012;圖例參照?qǐng)D1)Fig. 2 Tectonic framework of global plates in Carboniferous(330Ma) (Subduction belt modified after Scotese, 2002；LIPs modified after Kravchinsky，2012；fault zones modified after De Boorder, 2012. Legend refers to figure 1)

圖 3 泛大陸260 Ma構(gòu)造格局圖 Fig. 3 Tectonic framework of Pangea at 260Ma古地磁數(shù)據(jù)據(jù)全球古地磁數(shù)據(jù)庫(kù)GPMDB；Scotese，1997；朱日祥等，1998；方大鈞等，2001；黃寶春等，2008；易治宇等，2012；李朋武等，2012等。裂谷系和熱點(diǎn)據(jù)Nikishin et al.，2002；Courtillot et al., 2003；Kuzmin et al., 2010；造山帶據(jù)Golonka, 2011， Scotese，2002；上地幔低速帶據(jù) Torsvik et al., 20081—準(zhǔn)噶爾；2—塔里木陸塊；3—柴達(dá)木地體；4—昆侖地體；5—阿穆?tīng)栮憠K；6—華北陸塊；7—揚(yáng)子陸塊；8—加里曼丹板塊；9—印支板塊；10—馬來(lái)西亞陸塊；11—伊朗板塊；12—土耳其板塊；A—西伯利亞地幔柱(250±1Ma)；B—塔里木地幔柱(280Ma±10Ma)；C—峨眉山地幔柱(259±3Ma)Paleomagnetic data are from GPMDB; Scotese, 1997; Zhu Rixiang et al., 1998; Fang Dajun et al., 2001; Huang Baochun et al., 2008; Yi Zhiyu et al., 2012; Li Pengwu et al., 2012；Rifts and mantle plumes modified after Nikishin et al.，2002, Courtillot et al., 2003 and Kuzmin et al., 2010; Orogenic belts modified after Golonka, 2011 and Scotese, 2002; Low Shear Wave Velocity Provinces modified after Torsvik et al., 20081—Junggar;2—Tarim block; 3—Qaidam terrane; 4—Kunlun terrane; 5—Amuria block; 6—North China block; 7—Yangtze Block; 8—Kalimantan plate; 9—Indo-plate; 10—Malaysia block; 11—Iranian plate; 12—Turkey plates; A—Siberian mantle plume (250 ± 1Ma); B—Tarim mantle plume (280Ma ± 10Ma); C—Emeishan mantle plume (259 ± 3Ma)

石炭紀(jì)—二疊紀(jì)古亞洲洋盆(蒙古—鄂霍茨克洋)持續(xù)收縮關(guān)閉，古特提斯洋開(kāi)始向北俯沖，基默里陸塊群開(kāi)始從岡瓦納大陸北緣裂解，其南側(cè)的新特提斯洋開(kāi)始擴(kuò)張(圖1)(Scotese, 1997；Torsvik et al., 2002；王鴻禎等，2006)。塔里木、華北、揚(yáng)子、中蒙古等陸塊群處于古亞洲洋和古特提斯洋之間。泛大陸外圍被泛大洋環(huán)繞，兩者之間出現(xiàn)規(guī)模巨大的俯沖帶(Torsvik et al., 2002)。泛大陸330Ma 開(kāi)始逐漸聚合形成，晚二疊世(約250Ma)規(guī)模達(dá)到最大，東緣出現(xiàn)新的洋殼。泛大陸聚合過(guò)程中，全球所有板塊并未同時(shí)聚合，一些大陸以裂谷分隔，分布在泛大陸的邊緣(Torsvik et al.,2002)。

3 板塊運(yùn)動(dòng)與俯沖帶發(fā)育、洋盆收斂的關(guān)系

本文制作了晚古生代(泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì))全球板塊不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的古板塊造山帶再造圖及其運(yùn)動(dòng)軌跡圖(圖1～4)，提供了不同板塊的漂移軌跡，并考慮了它們?cè)诳臻g上運(yùn)動(dòng)的相容和諧和關(guān)系。在恢復(fù)古板塊位置的基礎(chǔ)上，增加了同期板塊運(yùn)動(dòng)邊界、古洋盆等構(gòu)造制約，展示某個(gè)時(shí)間點(diǎn)全球的構(gòu)造格局特征。通過(guò)分析單個(gè)板塊、陸塊的運(yùn)動(dòng)軌跡、以及不同板塊、陸塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以獲得同一板塊前緣和后側(cè)的洋盆發(fā)育特點(diǎn)，并分析它們之間洋盆關(guān)閉的碰撞運(yùn)動(dòng)方式。

圖 4 泛大陸晚古生代聚合過(guò)程中不同板塊和陸塊運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig. 4 Drift path of different plates and blocks during the assembly process of Pangea in Late Paleozoic摩爾維德式投影；Kaz代表哈薩克斯坦板塊，T代表塔里木陸塊；圖中箭頭指示板塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，標(biāo)有不同數(shù)值的板塊形態(tài)指示其當(dāng)時(shí)的位置，虛線圓圈指示板塊匯聚中心。數(shù)據(jù)來(lái)源GPMDB，黃寶春，2008；朱日祥，1998；易治宇，2011；李朋武，2012；方大鈞，2001； Lawver et al，2002； Scotese，2001；Collins，2003等Mollweide projection, Kaz represents Kazakhstan Plate, T represents Tarim Block. The arrows indicate the movement trend of plates and blocks, The plate morphology with different values indicate paleolocation and time. Dashed circle indicates the convergence center of plates. Data are from GPMDB4.6,Scotese, 1997; Zhu Rixiang et al., 1998; Fang Dajun et al., 2001; Huang Baochun et al., 2008; Yi Zhiyu et al., 2012; Li Pengwu, 2012; Lawver et al., 2002; Collins, 2003

晚古生代板塊軌跡(圖4)：420～260Ma期間，非洲板塊中心位置由南緯50°左右向北移動(dòng)到南緯10°左右；北美板塊中心位置，由南緯20°左右向北移動(dòng)到北緯10°左右。西伯利亞板塊中心在早志留世(440Ma)在北緯10°左右位置，之后一直向北移動(dòng)，晚石炭世到早二疊世(300Ma)移動(dòng)到北緯75°，之后向南移動(dòng)，250Ma左右移動(dòng)到北緯60°左右位置。在440～250Ma期間，波羅地板塊中心位置由南緯50°左右向北運(yùn)動(dòng)到南緯10°左右；在380～260Ma期間，澳大利亞板中心位置由南緯5°左右向南運(yùn)動(dòng)到南極附近。440～250Ma期間，揚(yáng)子陸塊一直在赤道附近移動(dòng)，緯度變化較小。在380～340Ma期間，華北陸塊則體現(xiàn)為由北緯15°左右向赤道移動(dòng)，到340～260Ma期間，又由赤道向北移動(dòng)。綜上所述，在泛大陸聚合過(guò)程中，南美板塊、西伯利亞板塊、波羅的板塊、澳大利亞板塊、塔里木陸塊、華北陸塊等在古生代的運(yùn)動(dòng)軌跡總體上具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，多個(gè)板塊呈順時(shí)針的漩渦式運(yùn)動(dòng)聚合。且在上述聚合過(guò)程中，板塊的匯聚中心在現(xiàn)在的中亞地區(qū)。板塊運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的洋盆是持續(xù)變化的，其最終對(duì)接板塊與起點(diǎn)板塊位置無(wú)必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1 俯沖帶位置遷移與板塊運(yùn)動(dòng)軌跡

板塊運(yùn)動(dòng)的前緣為俯沖帶發(fā)育的有利位置，如西伯利亞南緣早古生代開(kāi)始出現(xiàn)俯沖帶，波羅的板塊東緣晚泥盆世開(kāi)始出現(xiàn)俯沖帶等(圖1、圖2)。俯沖帶的長(zhǎng)期發(fā)育，記錄了長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)的板塊前緣與洋殼之間相對(duì)縮短作用的產(chǎn)物，具有明確的運(yùn)動(dòng)指示意義，它的方位大致垂直板塊運(yùn)動(dòng)軌跡，類(lèi)似弓—箭幾何關(guān)系。

晚古生代期間，西伯利亞板塊大幅度地由北半球低緯地區(qū)向高緯地區(qū)運(yùn)動(dòng)，并發(fā)生大幅度的順針旋轉(zhuǎn)(圖4)。隨著西伯利亞現(xiàn)今北緣泰梅爾洋盆的擴(kuò)張(G?rz et al.， 2010), 在西伯利亞板塊運(yùn)動(dòng)的前緣(即現(xiàn)今其南側(cè))，當(dāng)時(shí)為寬闊的古亞洲洋盆，并發(fā)育向西伯利亞板塊(向北)俯沖的俯沖帶，即圖瓦—蒙古島弧。隨著西伯利亞板塊運(yùn)動(dòng)，圖瓦—蒙古俯沖帶持續(xù)后撤，并隨著西伯利亞板塊的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)超過(guò)120°(圖4)。晚古生代西伯利亞發(fā)生約6000km的北向漂移和長(zhǎng)期的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，造成西伯利亞板塊運(yùn)動(dòng)的前緣(現(xiàn)今南緣)，長(zhǎng)期發(fā)生與古亞洲洋殼俯沖相關(guān)的地殼增生和拼貼作用，并形成寬闊的中亞造山帶(晚中生代鄂霍茨克洋盆最終關(guān)閉)。

與西伯利亞板塊南緣(現(xiàn)今位置)相對(duì)應(yīng)，其北緣—東北緣從文德紀(jì)到三疊紀(jì)為被動(dòng)陸緣盆地(Khudoley et al.，2003)，代表當(dāng)時(shí)的西伯利亞板塊運(yùn)動(dòng)后緣的擴(kuò)張洋盆。直到侏羅紀(jì)被東北亞地區(qū)左旋走滑斜沖構(gòu)造帶疊加。志留紀(jì)—泥盆紀(jì)，西伯利亞相對(duì)波羅的板塊順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng), 古亞洲洋盆向西伯利亞板塊之下俯沖，形成阿勒泰和烏拉爾島弧。因此，西伯利亞板塊南緣的古生代俯沖帶方位變化，及其運(yùn)動(dòng)遷移具有風(fēng)車(chē)狀順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和持續(xù)后撤的特點(diǎn)。

在晚古生代泛大陸形成期間，勞俄板塊向北漂移，自轉(zhuǎn)并不明顯(Zemtsov，2007)，在其運(yùn)動(dòng)前方的烏拉爾洋內(nèi)，形成向勞俄板塊之下俯沖的俯沖帶，向西伯利亞板塊和哈薩克斯坦板塊聚斂(Buslov et al., 2004)。

3.2 晚古生代洋盆性質(zhì)與閉合作用

晚古生代泛大陸聚合過(guò)程，主要涉及古亞洲洋、古特提斯洋和泛大洋的構(gòu)造演化，以及其間多個(gè)小洋盆的張開(kāi)—閉合過(guò)程，如萊茵洋、烏拉爾洋、突厥洋、準(zhǔn)噶爾洋、索倫洋、秦嶺洋等?？傮w上，它們可以劃分為復(fù)雜洋盆和簡(jiǎn)單洋盆兩類(lèi)：1)復(fù)雜洋盆，具有漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化歷史，可達(dá)數(shù)億年之久，處于多個(gè)板塊和陸塊之間，演化過(guò)程復(fù)雜，常涉及次級(jí)洋盆的張開(kāi)和關(guān)閉，最終關(guān)閉過(guò)程漫長(zhǎng)且復(fù)雜，并可能有殘留洋盆出現(xiàn)，涉及多個(gè)板塊和陸塊作用。如古亞洲洋形成于新元古代，洋內(nèi)發(fā)育多個(gè)陸塊和島弧，直到侏羅紀(jì)才最終關(guān)閉；2)簡(jiǎn)單洋盆，主要發(fā)育于兩個(gè)板塊或陸塊之間，張開(kāi)—閉合歷史較短，如萊茵洋、索倫洋、秦嶺洋等。

晚石炭世，西伯利亞板塊西北緣出現(xiàn)南阿紐伊洋，西伯利亞板塊西南緣與哈薩克斯坦板塊之間為烏拉爾洋，波羅的板塊側(cè)向上碰撞西伯利亞板塊，造成烏拉爾洋盆關(guān)閉，南阿紐伊洋持續(xù)到二疊紀(jì)。烏拉爾洋盆晚古生代長(zhǎng)期為西伯利亞板塊與波羅的板塊之間的側(cè)向間隔的洋盆，兩側(cè)邊界可能以轉(zhuǎn)換斷層邊界為特征，隨著波羅的板塊由南半球跨越赤道向北半球中緯地區(qū)的運(yùn)動(dòng)，并伴隨著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在波羅的板塊當(dāng)時(shí)的南側(cè)出現(xiàn)亞匹特斯洋盆擴(kuò)張，在當(dāng)時(shí)北側(cè)則出現(xiàn)烏拉爾洋盆向波羅的板塊之下的俯沖的現(xiàn)象。石炭紀(jì)，西伯利亞板塊相對(duì)波羅的板塊順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，塔里木陸塊相對(duì)波羅的板塊反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，形成哈薩克斯坦山彎，南烏拉爾造山帶構(gòu)造活動(dòng)靜止(G?rz et al.， 2010)。突厥洋—天山洋處于波羅的板塊與塔里木陸塊北緣之間，隨著這兩個(gè)板塊向北運(yùn)動(dòng)并且發(fā)生順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，洋盆以擴(kuò)張為主，塔里木陸塊后緣的南天山洋擴(kuò)張，隨著塔里木陸塊運(yùn)動(dòng)而持續(xù)擴(kuò)張，到古生代末期開(kāi)始收斂和俯沖。早奧陶世(480Ma)，塔里木板塊由向南運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向北運(yùn)動(dòng), 指示強(qiáng)烈的板塊聚合事件。早泥盆世—早二疊世期間，塔里木板塊發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)67°(朱日祥等，1998)，對(duì)應(yīng)于天山洋盆的關(guān)閉—碰撞造山事件(Chen Chuming et al.，1999)。

綜上所述，泛大陸聚合過(guò)程中，洋盆的歷史并非威爾遜旋回所概括的那樣簡(jiǎn)單，洋盆初始發(fā)育也可以來(lái)源于早期洋盆的繼承和圈閉，洋盆也可以不閉合和未碰撞造山。板塊運(yùn)動(dòng)可能是決定洋盆發(fā)育的重要原因，而非洋盆發(fā)育的結(jié)果。

4 典型碰撞造山帶的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分析

分析單個(gè)板塊(北美板塊、非洲板塊、波羅的板塊、西伯利亞板塊、華北陸塊、塔里木陸塊)晚古生代的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及不同板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以得出在泛大陸聚合過(guò)程中，至少出現(xiàn)四種碰撞造山作用：追尾式碰撞、側(cè)向式碰撞、錯(cuò)車(chē)式碰撞、擁堵式碰撞。

4.1 追尾式碰撞

不同板塊同向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板塊運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)速度的差異，如前方板塊速度慢于后方板塊，造成其間洋盆逐漸收斂—關(guān)閉，如萊茵洋(海西造山帶)、索倫洋(索倫山造山帶)等(圖4)，本文將這種碰撞方式稱(chēng)為追尾式碰撞。由于碰撞板塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率較小，追尾式碰撞造山難以發(fā)生大規(guī)模的地殼縮短，更多是以陸塊拼合作用為主。

圖 5 北美板塊、波羅的板塊和非洲板塊緯向漂移速率和自轉(zhuǎn)角速度對(duì)比Fig. 5 Paleolatitude change, drifting velocity and rotating velocity of North America, Baltica and Africa during the assembly of Pangea in Late Paleozoic

奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)期間，岡瓦納北側(cè)(現(xiàn)今北非)為被動(dòng)大陸邊緣，萊茵洋內(nèi)發(fā)育一系列島弧(圖5)。晚古生代，俯沖增生作用造成萊茵洋盆的關(guān)閉和構(gòu)造反轉(zhuǎn)。在約370Ma，勞倫板塊、波羅地板塊和阿瓦隆尼亞地體右旋—斜向碰撞形成勞俄大陸，并且萊茵洋盆向北俯沖，開(kāi)始收縮，直到關(guān)閉(約280Ma)，形成泛大陸(Nance et al. ，2010；Murphy et al.，2010)。通奎斯特洋盆、萊茵洋盆先后關(guān)閉，形成華力西—阿巴拉契亞造山帶。岡瓦納與勞俄大陸石炭紀(jì)期間碰撞(華力西—Alleghanian 造山作用)，形成泛大陸(Bozkurt et al., 2008)。岡瓦納被動(dòng)陸緣石炭紀(jì)向北俯沖于阿瓦隆尼亞增生拼合的地體之下，形成周緣前陸盆地和褶皺沖斷帶(Johnston et al., 2010)。萊茵洋盆閉合期間(晚泥盆世—二疊紀(jì))，沿著華力西造山帶發(fā)生大規(guī)模右旋剪切，與勞俄大陸(勞倫和波羅的板塊組成)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)相關(guān)(Visser et al.，1998；Shelley and Bossiere , 2000)。兩者碰撞后，二疊紀(jì)持續(xù)向北運(yùn)動(dòng)。萊茵洋與亞匹特斯洋、通奎斯特洋互為消長(zhǎng)。

在石炭紀(jì)末，萊茵洋盆向北俯沖關(guān)閉，形成于勞俄大陸和岡瓦納大陸(非洲代表)持續(xù)北向漂移期間。岡瓦納大陸石炭紀(jì)北向漂移持續(xù)提速(Torsvik et al.，2010)，達(dá)到6cm/a，其北向漂移速率快于波羅的板塊(圖5)，造成追尾式板塊碰撞。岡瓦納大陸在碰撞后，二疊紀(jì)初又減速。勞倫大陸志留紀(jì)—石炭紀(jì)發(fā)生大幅度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、岡瓦納大陸發(fā)生大幅度反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩者追尾并斜向碰撞形成華力西造山帶(Shelley et al.，2000)。

岡瓦納大陸在泥盆紀(jì)—早石炭世期間，處于南半球的高緯地區(qū)，并且發(fā)生大幅度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且運(yùn)動(dòng)方向由向南漂移，轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮逼啤Ｔ谕砉派鷮呒{大陸向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在其西南緣出現(xiàn)Terra Australia造山帶(Murphy et al.，2010)，記錄了太平洋板塊對(duì)岡瓦納大陸的俯沖作用。

在晚古生代，華北陸塊北緣與阿穆?tīng)栮憠K之間出現(xiàn)索倫洋，兩個(gè)陸塊持續(xù)在向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，華北陸塊與阿穆?tīng)栮憠K發(fā)生追尾式碰撞，造成兩者之間的索倫洋盆相向俯沖，發(fā)生洋盆關(guān)閉和陸塊碰撞。

4.2 側(cè)向式碰撞

兩個(gè)板塊運(yùn)動(dòng)軌跡大角度交叉，則會(huì)發(fā)生側(cè)向碰撞，如在晚泥盆世—早二疊世，波羅的板塊向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與相對(duì)靜止的哈薩克斯坦板塊和向東北運(yùn)動(dòng)的西伯利亞板塊先后發(fā)生側(cè)向碰撞。中泥盆世，波羅的板塊東緣開(kāi)始出現(xiàn)薩克馬爾(Sakmarian)島弧—弧后盆地。到晚石炭世—早二疊世，烏拉爾洋斜向關(guān)閉(Windley et al., 2007)，此處發(fā)育前陸沖斷帶(Nikishin et al.，1996；朱偉林，2012)，且南段的碰撞造山早于北段(中二疊世)。烏拉爾碰撞山脈狹長(zhǎng)，并伴隨有左旋走滑剪切變形(Metelkina et al. 2005)。側(cè)向碰撞具有不可預(yù)見(jiàn)性和偶然性。晚古生代期間，西伯利亞與波羅的板塊之間的洋盆發(fā)育顯示復(fù)雜的關(guān)系。

塔里木陸塊與哈薩克斯坦板塊碰撞，也具有側(cè)向式碰撞特點(diǎn)，島弧雜巖帶大幅度彎曲形成馬蹄形構(gòu)造。烏拉爾造山帶截切中亞造山帶，造成不同造山帶空間格局的截然變化，烏拉爾造山帶明顯不協(xié)調(diào)于中亞造山帶弧形構(gòu)造系，也支持波羅的板塊側(cè)向碰撞的解釋。西伯利亞板塊早古生代轉(zhuǎn)動(dòng)并不明顯, 到石炭紀(jì)—二疊紀(jì)，西伯利亞板塊開(kāi)始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(Smethurst et al., 1998)，推測(cè)與波羅的板塊由南向北運(yùn)動(dòng)的側(cè)向碰撞造成的干擾相關(guān)(圖6)。波羅的板塊對(duì)西伯利亞板塊南緣俯沖帶的發(fā)育影響不大，也支持側(cè)向碰撞的解釋。

西伯利亞板塊晚古生代大幅度旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始于它與波羅的板塊之間在北極區(qū)的點(diǎn)碰撞(Golonka et al.，2003)，支點(diǎn)的形成造成大幅度旋轉(zhuǎn)，也是烏拉爾喇叭口洋盆閉合的主要方式。處于華力西和烏拉爾兩條海西期造山帶的濱里海地區(qū)，受構(gòu)造改造最弱，保留了古生代克拉通邊緣盆地的原型，成為重要的油氣盆地。

4.3 錯(cuò)車(chē)式碰撞

錯(cuò)車(chē)式碰撞是指，兩個(gè)板塊或陸塊，以同向或者相向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在其側(cè)翼發(fā)生走滑—斜向式聚合。錯(cuò)車(chē)式碰撞發(fā)生于相關(guān)板塊和陸塊非主導(dǎo)的板塊邊界上，如板塊或陸塊側(cè)翼，明顯具有造山帶構(gòu)造屬性模糊的特點(diǎn)和碰撞造山作用偶然的性質(zhì)，缺乏高峰期造山運(yùn)動(dòng)。如塔里木陸塊和華北陸塊之間古生代末—早中生代的碰撞匯聚(圖4)。

華北和塔里木陸塊之間屬于旋轉(zhuǎn)式碰撞，它們具有方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，塔里木板塊早泥盆世—早二疊世發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度約為67°(朱日祥等，1998)。自晚二疊世到早侏羅世期間, 華北板塊有39°的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(任收麥等，2002)。晚石炭世至晚二疊世, 塔里木陸塊古緯度無(wú)明顯變化, 但磁偏角發(fā)生順時(shí)針變化，表明塔里木陸塊體以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)整它與華北等陸塊之間的拼合過(guò)程(朱日祥等，1998)。兩者的側(cè)翼在二疊紀(jì)開(kāi)始在走向上發(fā)生斜向錯(cuò)接，未形成典型意義上的碰撞造山帶，以洋盆屬性不明和走滑斷層系發(fā)育為特征。二疊紀(jì)—侏羅紀(jì)，華北陸塊相對(duì)塔里木塊體向北漂移。到晚三疊世至中侏羅世，華北塊體與塔里木塊體已經(jīng)非常接近(黃寶春，2008)。華北與塔里木兩地塊記錄的磁偏角是在侏羅紀(jì)才比較相近(圖7), 之前有較大差異(朱日祥等，1998)，晚石炭世—二疊紀(jì)兩者的古緯度已經(jīng)接近，說(shuō)明兩地塊間的對(duì)接和縫合在侏羅紀(jì)以錯(cuò)動(dòng)式完成。上述運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)應(yīng)于目前兩者的拼合關(guān)系，塔里木陸塊的東南緣以晚海西—印支期造山帶拼合于華北陸塊的西北緣(王鴻禎等，2006)。

華北塔里木陸塊晚古生代—早中生代期間處于古亞洲洋的南緣，當(dāng)時(shí)是以轉(zhuǎn)換斷層為界分隔的小陸塊，類(lèi)似現(xiàn)今印度—澳洲板塊與阿拉伯板塊之間構(gòu)造關(guān)系，難以出現(xiàn)大規(guī)模的洋盆閉合，但可以有走滑—斜沖的構(gòu)造變形帶發(fā)育。

4.4 擁堵式碰撞

擁堵式碰撞指多個(gè)大板塊之間匯聚區(qū)域的小陸塊、島弧地體發(fā)生多邊匯聚，以廣泛出現(xiàn)島弧增生和殘余洋盆為特征，中亞造山帶屬于擁堵式碰撞造山實(shí)例(Wilhem et al.，2012)，并伴隨大規(guī)模的構(gòu)造旋轉(zhuǎn)和晚期走滑變形。

中亞造山帶是世界上最大規(guī)模的古生代造山帶，晚古生代處于波羅的板塊、西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊、塔里木陸塊、中天山—伊犁陸塊、卡拉庫(kù)姆陸塊、阿穆?tīng)栮憠K等多個(gè)古板塊或陸塊的交匯部位(圖4)。晚古生代匯聚碰撞期間，涉及多個(gè)大洋盆，如Chara—額爾齊斯洋、齋?！厦晒叛蟆⒍趸舸目搜?、烏拉爾—突厥洋、突厥—天山洋、準(zhǔn)噶爾—巴爾喀什洋的交匯和閉合(Buslov et al.，2004)。上述洋盆在早石炭世(約330Ma)，出現(xiàn)于西伯利亞板塊周?chē)?，多呈喇叭狀，顯示了西伯利亞板塊順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

晚古生代在多個(gè)板塊持續(xù)向北運(yùn)動(dòng)匯聚背景下，各板塊運(yùn)動(dòng)又有差異，西伯利亞板塊向南南東運(yùn)動(dòng)、波羅的板塊向北東運(yùn)動(dòng)、塔里木板塊向東運(yùn)動(dòng)、哈薩克斯坦板塊向北運(yùn)動(dòng)(圖4)。這些板塊和陸塊在石炭紀(jì)發(fā)生構(gòu)造匯聚，在石炭紀(jì)，哈薩克斯坦板塊首先與波羅的板塊碰撞，二疊紀(jì)又與塔里木和西伯利亞板塊碰撞(Torsvik et al.，1996)。局部地區(qū)(巴爾喀什—西準(zhǔn))有殘余洋盆保留(Windley et al.，2007；成守德等，2010；郭召杰，2012)。早石炭世末，多島弧間小洋盆構(gòu)造格局結(jié)束，達(dá)拉布特洋盆、卡拉麥里洋盆、北天山洋盆閉合和消失。

圖 6 西伯利亞板塊和波羅的板塊緯向漂移速率和自轉(zhuǎn)角速度對(duì)比Fig. 6 Paleolatitude change, drifting velocity and rotating velocity of Siberia and Baltica during the assembly of Pangea in Late Paleozoic

在古生代末期—早中生代，隨著周緣板塊持續(xù)匯聚轉(zhuǎn)化的走滑作用，造成中亞地區(qū)洋盆徹底消失，不同陸塊之間發(fā)生構(gòu)造調(diào)整(縮短或者走滑作用)(Seng?r et al.，1996)，導(dǎo)致被動(dòng)成陸或被動(dòng)造山。準(zhǔn)噶爾—巴爾喀什洋盆通過(guò)緊閉山彎兩側(cè)的雙向俯沖在中石炭世—早二疊世被迫關(guān)閉。

普遍認(rèn)為，哈薩克斯坦馬蹄形俯沖帶是西伯利亞、波羅的板塊及塔里木陸塊之間橋梁和紐帶，是齋桑—南蒙古洋盆俯沖、烏拉爾—泰梅爾洋盆擴(kuò)張和突厥洋盆俯沖共同作用的產(chǎn)物(Buslov et al., 2004；G?rz et al, 2010；Levashova et al., 2008)。馬蹄形構(gòu)造形成于西伯利亞板塊晚古生代大規(guī)模順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造背景下。志留紀(jì)到泥盆紀(jì)，西伯利亞板塊相對(duì)波羅的板塊順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)形成阿勒泰和烏拉爾島弧。石炭紀(jì)，西伯利亞板塊相對(duì)波羅的板塊順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，塔里木陸塊相對(duì)波羅的板塊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在哈薩克斯坦形成山彎構(gòu)造，南烏拉爾造山帶構(gòu)造活動(dòng)靜止，代表板塊先對(duì)接位置，北段發(fā)育南阿紐伊洋盆(G?rz et al., 2010； Stampfli et al., 2002)。準(zhǔn)噶爾板塊在晚古生代緯度變化不大, 處在北緯29.7°～28.3°之間, 但磁偏角變化較大，從342.4°順時(shí)針轉(zhuǎn)為59.4°(萬(wàn)天豐等， 2007)。

圖 7 華北和塔里木陸塊緯向漂移速率和自轉(zhuǎn)角速度對(duì)比Fig. 7 Paleolatitude change, drifting velocity and rotating velocity of North China and Tarim during the assambly of Pangea in Late Paleozoic

馬蹄形構(gòu)造的形成與增生—碰撞構(gòu)造(島弧)后期構(gòu)造變形相關(guān)，即與波羅的板塊相對(duì)西伯利亞板塊漂近、旋轉(zhuǎn)造成島弧系變形彎曲，使島弧及其增生楔緊閉褶皺(巨幅1800旋轉(zhuǎn))或晚石炭世—中二疊世地層走滑折疊。古地磁研究表明，西伯利亞克拉通邊緣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致島弧帶平面上發(fā)生大幅度旋轉(zhuǎn)(180°)(Levashova et al.，2008)。

如果不考慮后期走滑，認(rèn)為塔里木與西伯利亞之間未經(jīng)歷強(qiáng)烈的褶皺縮短作用，馬蹄形代表其原始島弧形態(tài)的話，馬蹄形構(gòu)造的現(xiàn)今代表為古亞洲洋西南端的“加勒比板塊”，是古生代末期正在收縮的齋?！厦晒叛笈c擴(kuò)張的烏拉爾洋盆之間楔入的小洋板塊。烏拉爾洋盆向東北俯沖，形成向西南突出的哈薩克斯坦大洋島弧，突厥洋向北俯沖，形成向南突出的大洋島弧，齋?！厦晒叛笈柘蚰媳备_。為此，馬蹄形構(gòu)造是多板塊之間構(gòu)造調(diào)節(jié)作用的必然產(chǎn)物。

5 主要認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)泛大陸的形成為古生代末地球演化的重大事件，它的形成涉及了岡瓦納大陸與勞亞大陸的聚合過(guò)程。泛大陸是板塊動(dòng)態(tài)演化的結(jié)果，代表了板塊在此時(shí)達(dá)到了最大面積，但并不是靜止?fàn)顟B(tài)。

(2)晚古生代期間巨型板塊(勞倫板塊、非洲板塊、南美板塊、西伯利亞板塊)顯示穩(wěn)定而且規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，持續(xù)向北半球匯聚，并具有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)。運(yùn)動(dòng)板塊的前緣常出現(xiàn)俯沖帶，后緣出現(xiàn)擴(kuò)張洋盆。而板塊運(yùn)動(dòng)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡多變的特點(diǎn)，碰撞拼合方式復(fù)雜，與洋盆消亡不完全對(duì)應(yīng)，板塊之間的匯聚具有被動(dòng)特點(diǎn)，受相關(guān)的大洋盆演化所控制，如古亞洲洋、古特提斯洋等。

(3)泛大陸聚合過(guò)程中，至少出現(xiàn)四種碰撞造山作用：① 追尾式碰撞：不同板塊同向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，板塊運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)速度的差異，如前方板塊速度慢于后方板塊，則會(huì)造成其間洋盆逐漸收斂—關(guān)閉，如萊茵洋(海西造山帶)、索倫洋(索倫山造山帶)等。由于碰撞板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率較小，追尾式碰撞造山難以發(fā)生大規(guī)模的地殼縮短，更多是以陸塊拼合作用為主。② 側(cè)向式碰撞：兩個(gè)板塊運(yùn)動(dòng)軌跡大角度交叉，發(fā)生側(cè)向碰撞，如波羅的板塊向北運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與向東北運(yùn)動(dòng)的西伯利亞板塊碰撞，造成烏拉爾洋盆閉合，形成狹長(zhǎng)的烏拉爾造山帶。塔里木陸塊與哈薩克斯坦板塊碰撞，也具有側(cè)向式碰撞特點(diǎn)，島弧雜巖帶大幅度彎曲形成馬蹄形構(gòu)造。③ 錯(cuò)車(chē)式碰撞：兩個(gè)板塊或陸塊，以同向或者相向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在其側(cè)翼發(fā)生走滑—斜向式聚合。如塔里木和華北板塊轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，在側(cè)翼出現(xiàn)斜向?qū)?，以洋盆屬性不明和走滑斷層系發(fā)育為特征。④ 擁堵式碰撞，多個(gè)大板塊之間匯聚區(qū)域的小陸塊和地體發(fā)生多邊匯聚，以廣泛出現(xiàn)島弧增生和殘余洋盆為特征，如中亞造山帶。