寒武紀(jì)全球板塊構(gòu)造與古地理環(huán)境再造

周肖貝 ，李江海 ，王洪浩 ，李文山

（1北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院造山帶與地殼演化教育部重點實驗室；2北京大學(xué)石油與天然氣研究中心）

寒武紀(jì)（541.0～485.4 Ma）［1-2］不僅是羅迪尼亞（Roidinia）超大陸裂解結(jié)束、岡瓦納（Gondwana）超大陸形成的時期，而且是埃迪卡拉（Ediacaran）軟軀體生物向帶硬骨骼生物轉(zhuǎn)變并且迅速發(fā)展、分異和輻射的重要階段。此時，因新元古代冰期結(jié)束，全球從“冰期”進(jìn)入了溫暖期，海平面普遍上升，中—晚寒武世全球普遍沉積碳酸鹽巖，全球多個地區(qū)如塔里木、澳大利亞、西伯利亞等已在寒武系發(fā)現(xiàn)了油氣。因此，寒武紀(jì)原型盆地的恢復(fù)及其巖相古地理的深入研究對于全球早期演化研究和能源勘探均具有重要意義。

前人對寒武紀(jì)全球古板塊再造和巖相古地理開展了大量研究［3-15］，并且形成了不同系列的全球古板塊再造、全球古氣候、巖相古地理等圖件，但這些圖件多單一地去探討關(guān)于古板塊、古生物分布或巖相古地理等問題，而并未對不同圈層、不同事件加以綜合考慮，因而缺乏在全球尺度上對寒武紀(jì)烴源巖的分布及構(gòu)造背景、古環(huán)境等相互之間關(guān)系的討論。

本文在板塊構(gòu)造、地幔柱、盆地分析等理論的指導(dǎo)下,依據(jù)最新的全球古地磁數(shù)據(jù)和區(qū)域地質(zhì)資料等，對寒武紀(jì)全球古板塊位置進(jìn)行恢復(fù)，并結(jié)合前人資料繪制寒武紀(jì)（～520Ma）全球古板塊再造圖，以此探討板塊構(gòu)造格局。然后對全球寒武紀(jì)沉積盆地地層進(jìn)行分析，同時借助于油氣地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和資料，對早—中寒武世(530～510Ma)全球巖相古地理進(jìn)行再造，并結(jié)合烴源巖數(shù)據(jù)及古生物證據(jù)，試圖從不同圈層來探討寒武紀(jì)的全球演化問題及其相互之間的聯(lián)系。

1 寒武紀(jì)板塊構(gòu)造格局

基于全球古地磁數(shù)據(jù)庫（GPMDB 4.6）［16］，結(jié)合2004年之后的全球寒武紀(jì)古地磁數(shù)據(jù)，依據(jù)V90標(biāo)準(zhǔn)［17］對品質(zhì)因子Q≥3的古地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，采用“球面樣條法”［18-19］，選擇Q值為加權(quán)值，以300為樣條的參數(shù)，對各個板塊的視極移曲線進(jìn)行擬合，選取摩爾維德投影方式，利用Gplate和GMAP等軟件對寒武紀(jì)古板塊位置進(jìn)行恢復(fù)［20-21］，同時結(jié)合前人成果圖件［3-15］對古板塊位置進(jìn)行校對和修正，并對古地磁數(shù)據(jù)較少的陸塊（如塔里木陸塊等）輔以地質(zhì)資料的制約。通過結(jié)合前人關(guān)于大地構(gòu)造、古地理和古生物等研究工作，選取520 Ma為時間節(jié)點，對全球寒武紀(jì)板塊構(gòu)造格局進(jìn)行再造（圖1）。

羅迪尼亞超大陸于新元古代開始裂解，到寒武紀(jì)時板塊已較分散。寒武紀(jì)全球主要板塊包括岡瓦納超大陸、勞倫古陸、波羅的板塊和西伯利亞板塊等。岡瓦納超大陸由眾多板塊匯聚而成，包括非洲板塊（西北非、東北非和南非）、南美洲（包括亞馬遜、巴拉那和科羅拉多）、阿拉伯板塊、東南極板塊、印度板塊、馬達(dá)加斯加板塊、澳大利亞板塊、塔里木陸塊、拉薩地體和羌塘地體等，其邊緣分布有阿瓦隆尼亞等小地體。勞倫古陸主要包括北美洲板塊和格陵蘭板塊，其大部分地區(qū)寒武紀(jì)位于溫暖的南半球熱帶和溫帶區(qū)域。西伯利亞為一獨(dú)立的板塊，位于勞倫古陸以東。波羅的板塊位于西伯利亞以南，即現(xiàn)今的斯堪的納維亞、東歐和歐陸俄羅斯。中國和東亞在當(dāng)時均為眾多小陸塊，主要位于澳大利亞西部和北部。西歐也呈多個小陸塊，大多位于現(xiàn)今北非海岸線的西北。此時的南極點位于西北非板塊之上（圖1）。

圖1 寒武紀(jì)全球古板塊分布圖［3-15,22-29］

寒武紀(jì)的全球板塊主要集中于南半球，北部為泛大洋。早—中寒武世，岡瓦納超大陸快速向南漂移，波羅的、勞倫和西伯利亞逐漸向北漂移，眾多板塊均進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)，岡瓦納超大陸漂移和旋轉(zhuǎn)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他板塊，勞倫和西伯利亞板塊速率較低［6］。晚寒武世岡瓦納超大陸開始緩慢向北漂移，并于奧陶紀(jì)開始順時針旋轉(zhuǎn)，而波羅的在此期間經(jīng)歷了短暫的向南漂移過程。勞倫和波羅的板塊在寒武紀(jì)期間持續(xù)低速向北漂移和旋轉(zhuǎn)，華北、華南等陸塊在此期間也緩慢向北漂移［6］。勞倫古陸和波羅的板塊之間為亞皮特斯洋，于600～580Ma開始張開［28］，其寬度可達(dá)3000km。普雷奧尼克洋張開于西伯利亞和波羅的之間［14-15］。岡瓦納超大陸西緣的阿瓦隆尼亞地體，包括北美東部、紐芬蘭、愛爾蘭東南、英國、威爾士、比利時、荷蘭和德國西北部，逐漸從岡瓦納超大陸中裂離出來，并向波羅的斜向俯沖，與波羅的之間為通奎斯特洋［29-31］，其與岡瓦納超大陸間發(fā)生裂谷作用，早奧陶世形成里菲洋［32］。

西非東部邊緣與亞馬遜克拉通、剛果—圣弗朗西斯科克拉通，因巴西利亞（Brasiliano）造山運(yùn)動而于震旦紀(jì)聚集到一起［33］，構(gòu)成了岡瓦納超大陸西部造山帶。540～530Ma時莫桑比克洋盆最終閉合，形成東非造山帶［23］（圖1），即岡瓦納中部造山帶［22］。 而后，沿著平賈拉（Pinjarra）造山帶，印度與澳大利亞—東南極洲最終對接，形成Kunnga造山帶［24］（圖1），即岡瓦納東部造山帶［22］。西伯利亞附近于新元古代開始存在走滑斷裂體系并一直持續(xù)到古生代［28］。新元古代晚期到中生代，西伯利亞與海洋之間的作用是相對較獨(dú)立的，沒有其他較大板塊的參與。西伯利亞板塊在早—中寒武世存在島弧巖漿作用［27］，晚寒武世漂移到北半球，古生代晚期到達(dá)北半球高緯地區(qū)。澳大利亞Delamerian造山運(yùn)動始于新元古代晚期，在古生代寒武紀(jì)一直持續(xù)，使得島弧增生到岡瓦納大陸邊緣。澳大利亞中部烏盧魯（Uluru）存在時間長達(dá)510Ma左右的大火成巖省，其下可能存在熱點，延伸范圍約400000km2［7］，澳大利亞北部和中部的大部分地區(qū)在寒武紀(jì)早期被溢流玄武巖覆蓋，在中寒武世還有一些殘存。塔斯馬尼亞（Tasmania）地區(qū)有中寒武世蛇綠巖仰沖記錄，表明該時期岡瓦納大陸邊緣存在島弧的增生。

2 寒武紀(jì)古地理和巖相分布

寒武紀(jì)處于新元古代冰期和古生代晚奧陶世冰期之間，隨著新元古代冰川的消融，寒武紀(jì)全球海平面不斷升高，并在寒武紀(jì)末和奧陶紀(jì)初達(dá)到最高［34］，板塊大部分被淺海覆蓋（圖2），全球主要為陸表海環(huán)境。寒武紀(jì)全球氣候較溫和，中寒武世溫度相對較高［35］。全球氣候帶呈現(xiàn)出低梯度帶的特征，干旱帶分布范圍較廣［36］，這與此時溫度的升高等環(huán)境變化呈現(xiàn)一定的關(guān)聯(lián)性。

寒武紀(jì)的古地理格局與現(xiàn)今大為不同，對其重建主要綜合了地質(zhì)和生物證據(jù)。冰期時代，全球溫度降低使得生物大量消亡，震旦紀(jì)生物主要為多細(xì)胞后生動物及小殼動物等簡單生物，寒武紀(jì)時期地球上首次出現(xiàn)了帶硬殼的動物。很多已知的寒武紀(jì)生物可在布爾吉斯頁巖中發(fā)現(xiàn)，寒武紀(jì)生物以海生無脊椎動物為主，特別是三葉蟲、低等腕足類和古杯動物，紅藻、綠藻等開始繁盛。古杯動物作為底棲海洋生物出現(xiàn)于寒武紀(jì)生命大爆發(fā)早期，演化較快，地層中延續(xù)時間短［37］，主要出現(xiàn)在早寒武世，于中—晚寒武世逐漸消失。古杯動物一般生存于低緯度地區(qū)，諸如西伯利亞、北美、澳大利亞和東南極等地區(qū)（圖2），它的存在可用于對寒武紀(jì)早期古地理環(huán)境進(jìn)行界定。北美、華南、波羅的和澳大利亞等均有布爾吉斯頁巖型生物群的分布［38-40］，華南澄江動物群和凱里生物群是當(dāng)時海洋與海洋生物多樣化及生態(tài)復(fù)雜化過程的見證及窗口［41］，它們共同反映了早期后生生物進(jìn)化的過程，導(dǎo)致包括脊椎動物在內(nèi)的現(xiàn)生動物各門類的誕生［42］。

圖2 早—中寒武世全球古地理圖［4,36,38-40,43］

勞倫古陸 寒武紀(jì)位于赤道附近溫暖區(qū)域，其沉積具有環(huán)帶特征，由內(nèi)向外分別為北美地盾、河流相—淺海相砂巖沉積、淺海相碳酸鹽巖沉積、深海相泥頁巖沉積（圖3）。內(nèi)外側(cè)由于鹽度和溫度的差異，生物也有所差別，通常外緣化石較豐富，分異程度更高。北美北部和格陵蘭東部地區(qū)除沉積碳酸鹽巖外還有碳酸鹽巖與碎屑巖的混合沉積［44］。

西伯利亞 寒武紀(jì)為低緯地區(qū)單獨(dú)的一板塊，位于勞倫古陸和岡瓦納超大陸之間，陸表海碳酸鹽臺地快速發(fā)展，由邊緣趨于中心，碳酸鹽巖沉積轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)巖（圖3），并且偏中心地區(qū)火山活動相對較強(qiáng)，多具有火山巖夾層。

岡瓦納超大陸 寒武紀(jì)超大陸邊緣多被海水淹沒，內(nèi)部多為高地，中北部及兩側(cè)多以碳酸鹽巖沉積為主，南部多以砂巖沉積為主（圖3）。岡瓦納超大陸的生物群最大，東南極和澳大利亞位于低緯度區(qū)，碳酸鹽巖沉積較多。

澳大利亞 北部的Arafura-Money Shoal盆地寒武紀(jì)主要為淺海相碳酸鹽巖沉積，但中部的Georgina盆地，寒武紀(jì)早期盆地北部為淺海相礫巖沉積，伴有火山活動，中寒武世普遍為淺海相環(huán)境，以碳酸鹽巖沉積為主，夾雜砂巖和泥頁巖沉積，部分地區(qū)烴源巖較有潛力，尤其是在盆地南部。南部的Amadeus盆地由寒武紀(jì)早期的沖積扇—三角洲砂礫巖沉積逐漸過渡到淺海相砂巖和碳酸鹽巖沉積，處于伸展階段［54］。

非洲 寒武紀(jì)非洲南部的沉積相對而言保留并不齊全。西北非靠近邊緣處多為淺海相砂巖沉積，并夾雜一些碳酸鹽巖和頁巖，陸地內(nèi)部多為河流—三角洲相砂礫巖沉積，整體為克拉通沉降環(huán)境。東北非早寒武世以陸相砂巖沉積為主，部分地區(qū)存在火山活動，但中—晚寒武世多轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ嗌皫r沉積，尤其是西部邊緣。南非一般為河流相沉積，但也可見到淺海相碳酸鹽巖的沉積，推斷當(dāng)時海平面不斷上升。而位于高緯度的北非邊緣有一些小塊體，其古地理關(guān)系尚不清楚，這些小塊體主要為現(xiàn)今的歐洲南部和北美洲東部的一部分，寒武紀(jì)主要為砂巖和頁巖沉積，碳酸鹽巖沉積很少或沒有。

阿拉伯 西阿拉伯在寒武紀(jì)主要為陸相砂巖沉積，也夾雜海相碳酸鹽巖沉積；扎格羅斯則以淺海相砂巖到局限臺地白云巖沉積為主。阿曼盆地寒武紀(jì)早期為沖積扇砂巖沉積，晚寒武世北部為海相碳酸鹽巖和泥頁巖沉積，南部為陸相砂巖沉積［51，54］。

圖3 寒武紀(jì)全球巖相古地理圖及烴源巖分布圖［45-54］

波羅的 與其他板塊相比沉積特征較明顯，寒武紀(jì)沉積主體為砂巖和頁巖沉積，河流相、淺海相兼具，這可能與其緯度相對偏高有一定的聯(lián)系。臺地邊緣多為淺?！詈Ｏ嗌皫r沉積并含有鈣質(zhì)泥巖，東部（現(xiàn)今方位）多為陸相砂巖，向西部沉積環(huán)境逐漸過渡。

中國 眾多小陸塊寒武紀(jì)幾乎全被海水淹沒，故以海相碳酸鹽巖臺地沉積為主，下寒武統(tǒng)以富含有機(jī)質(zhì)的頁巖、硅質(zhì)巖等為主（比如在塔里木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和南黃海盆地等），部分地區(qū)發(fā)育品位較高的磷礦層（如華南西部的昆陽磷礦等）。中寒武世塔里木全盆普遍沉積蒸發(fā)巖，表明其局部海平面有所下降，形成蒸發(fā)臺地。

3 寒武紀(jì)烴源巖分布

寒武紀(jì)烴源巖在當(dāng)時的四大板塊 （包括岡瓦納超大陸、勞倫古陸、西伯利亞板塊和波羅的板塊）以及中國陸塊（包括華北、華南和塔里木陸塊）中均有分布［50-53］（圖3）。岡瓦納超大陸上的烴源巖主要分布在澳大利亞和阿拉伯，這些烴源巖的形成多與被動陸緣、裂谷和克拉通內(nèi)坳陷等構(gòu)造背景下的海相環(huán)境有關(guān)［55］，主要為下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖和碳酸鹽巖，多處于成熟—過成熟的狀態(tài)，干酪根以Ⅰ型和Ⅱ型為主［56-59］，部分地區(qū)如波斯灣、塔里木和西伯利亞等發(fā)育中寒武統(tǒng)膏鹽層，有利于油氣的保存和封蓋，從而烴源巖可與上覆碳酸鹽巖儲層和蒸發(fā)巖蓋層構(gòu)成較好的生儲蓋組合。目前西伯利亞、波羅的、阿拉伯、東北非、澳大利亞、塔里木和華南（四川盆地等）均已有油氣的發(fā)現(xiàn)。

然而，寒武紀(jì)作為生命大爆發(fā)初期，由于生物種類的限制，烴源巖生烴母質(zhì)也比較單一，主要為低等水生生物(藻類及浮游生物)。早寒武世大氣圈具有高CO2含量與低O2含量的特征［60］，古氣候以干熱為主。加拿大、西伯利亞、波羅的、華南、塔里木和澳大利亞等板塊的寒武系底部沉積物中均發(fā)現(xiàn)有含磷層，部分磷礦品位較高，說明一般主要分布在溫帶—熱帶地區(qū)的暖流區(qū)域。熱帶干燥區(qū)的赤道洋流輻散帶，形成低溫、富含營養(yǎng)鹽的上升洋流，極有利于廣闊范圍內(nèi)烴源巖發(fā)育。磷塊巖成因主要取決于洋流上升帶來的深水團(tuán)中磷質(zhì)化學(xué)沉淀所形成的膠磷礦含量，這些富有機(jī)質(zhì)地層的沉積與海水熱液相關(guān)，通過上升涌流將有機(jī)質(zhì)帶到淺?；蛘哧懪锒练e。磷塊巖同時富含小殼動物化石，但其形成與生物體本身所提供的磷關(guān)系不密切［61］。

4 結(jié) 論

（1）寒武紀(jì)全球板塊主要以岡瓦納超大陸、勞倫古陸、西伯利亞板塊和波羅的板塊為主，它們多位于南半球，其中除岡瓦納超大陸主要向南漂移外，其他板塊主要向北漂移，且均為逆時針旋轉(zhuǎn)。岡瓦納超大陸西緣小地體逐漸裂離岡瓦納超大陸，其內(nèi)部的泛非期造山運(yùn)動接近于尾聲，在澳大利亞和東南極等地可見到規(guī)模相對較大的巖漿事件，岡瓦納東緣多為島弧環(huán)境火山巖。

（2）伴隨著新元古代冰期結(jié)束，寒武紀(jì)整體處于海平面上升的時期，海侵范圍增大，同時全球溫度回升，寒武紀(jì)作為顯生宙的開始，出現(xiàn)了生命的“大爆發(fā)”，小殼動物化石大量出現(xiàn)，代表了寒武紀(jì)早期生物礦化質(zhì)及量的變化或骨骼動物爆發(fā)性輻射，多賦存于早期的頁巖沉積中。三葉蟲演化速度較快，可在全球范圍形成對比，古杯類多見于早—中寒武世，晚寒武世趨于滅絕。寒武紀(jì)氣候帶梯度不高，干旱氣候帶廣泛分布，下—中寒武統(tǒng)多蒸發(fā)鹽巖。

（3）寒武紀(jì)，由于溫度及海平面的上升，全球多為陸表海環(huán)境，碳酸鹽巖沉積占主要地位。勞倫古陸具環(huán)帶沉積特征，碳酸鹽巖普遍發(fā)育于環(huán)帶外側(cè)。岡瓦納超大陸則多集中于北部。西伯利亞板塊早—中寒武世主要以巨厚的膏鹽巖沉積為主，晚期僅為幾百米厚的碳酸鹽巖沉積，其整體處于被動陸緣沉積的構(gòu)造背景，這促進(jìn)了該板塊中儲層和蓋層的發(fā)育。波羅的板塊所處緯度偏高，主體為砂巖、頁巖沉積。岡瓦納超大陸南部亦如此，主要為砂巖沉積，東部邊緣多火山活動，在中部的西側(cè)邊緣地區(qū)碳酸鹽巖沉積和砂巖沉積物中一般有較好的油氣和烴源巖。寒武紀(jì)烴源巖主要為下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)地層的黑色頁巖沉積，中寒武統(tǒng)多具有大套膏鹽層的分布，可以構(gòu)成良好的生儲蓋組合，有利于油氣的保存。

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