2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100 ;
3. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质功能实验室, 山东 青岛 266061
2. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Technique, Ministry of Education, Qindao 266100, Shandong, China ;
3. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China
0 引言
地质学家围绕地球早期板块边界性质、俯冲—碰撞过程、高级区—低级区关系，典型造山带的组成、岩浆成因和年代学、变质年代学、构造变形几何学与运动学，早期洋壳记录等内容做了大量的探索研究，为板块构造旋回至少始于新太古代前(3.0～2.5 Ga)的传统认识奠定了基础[1]。Brown[2]根据全球元古宙到显生宙不同地热梯度下的变质岩出现时间，把板块构造体制分为2 700 Ma以来极高热流值为特征的元古宙板块构造体制和600 Ma后以低热流值为特征的现代板块构造体制。全球板块经历多次聚散，前人提出原地裂解与聚合(Intro-version)、裂解的相反方向聚合(Extro-version)、裂解的正交方向聚合(Ortho-version)等超大陆聚合模式。然而，最近Piper[3-4]基于古地磁研究提出，地球在600 Ma之前只存在过一个统一的超大陆，即板块构造旋回在600 Ma的Pannotia超大陆开始裂解之后才出现。但是，基于板块构造旋回的传统认识，地质学家们综合地质、气候、环境等多方面因素，提出了3.0 Ga的Ur[5]、2.7~2.5 Ga的Kenorland[6]、1.9~1.8 Ga的Nuna/Columbia[7-9]、1.1 Ga的Rodinia[10-15]、250 Ma的Pangea[16-18]等超大陆重建，这些超大陆都是存在了较长稳定期后才开始裂解。迄今，对于Pangea、Rodinia(罗迪尼亚)和Columbia超大陆的重建较为清晰，而对早古生代时期板块构造演化和洋-陆格局的研究仍存在较大争议。前人对该时期的板块重建做了很多研究，提出过600 Ma或540 Ma的Pannotia/Greater Gondwana和460 Ma的Artejia两个存在时间短暂的超大陆的设想[19-22]，还有其他名称，如Paleo-Pangea，因而，导致板块旋回的周期存在8亿年、5亿年、3亿年之争。然而，对Pannotia/Greater Gondwana/Paleo-Pangea和Artejia存在与否、早古生代具体的板块拼合过程和最终拼合时间以及该古大陆的具体图像等方面，仍然很模糊。为此，本文对全球早古生代造山带进行系统总结，并讨论相关板块重建方案，探讨全球早古生代洋陆格局和超大陆旋回。
1 早古生代主要造山带的全球分布Rodinia超大陆存在于1 000 Ma之前，最近~950 Ma阿拉善和华北、西伯利亚南缘等地区碱性花岗岩和基性岩墙群的发现，可能表明这个超大陆的最早裂离(break-up)事件(这里我们没采用一般的裂解(rifting)概念)，连同前人早已发现的850~825 Ma和780~650 Ma的裂离事件，如西伯利亚从Rodinia裂离始于780~650 Ma，华南陆块800~725 Ma发生陆内裂谷事件，代表了Rodinia的三阶段裂离。随后，在新元古代晚期－早古生代时期(650~400 Ma期间)，全球板块具有较快的运动速度，板块汇聚作用活跃，虽然也存在一些微陆块的裂离，如塔里木地块裂离记录在中南天山震旦—早寒武世的裂谷火山岩，是罗迪尼亚超大陆最后一期大范围的裂解事件，但在全球范围内以碰撞或增生型造山运动最为显著，主要包括冈瓦纳大陆的泛非造山带、劳伦大陆的经典加里东碰撞造山带以及古亚洲洋和特提斯洋构造体系中的早古生代增生型造山带(图 1)。
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| 加里东造山带或地体名称：1.东格陵兰造山带：439~408 Ma；2. Svalbard加里东造山带：475~420 Ma；3.斯堪的纳维亚加里东造山带：445~410 Ma；4.苏格兰加里东造山带：490~390 Ma；5.中欧缝合带(德国波兰加里东造山带)：450~440 Ma；6.中阿帕拉契亚造山带：465~410 Ma；7.北阿帕拉契亚造山带：490~450 Ma；8.阿尔泰造山带：540~473 Ma；9.南天山造山带：457~439 Ma；10.西天山造山带：490~421 Ma；11.南阿尔金：509~475 Ma；12.北阿尔金缝合带：575~524 Ma；13.西昆仑造山带(库地其曼于特，蒙古包普守，康西瓦塔格蛇绿混杂岩)：480~400 Ma；14.东昆仑北部：508~428 Ma；15.中国东北早古生代造山带：510~490 Ma；16.北祁连造山带：470~404 Ma；17.南祁连造山带：492~381 Ma; 18.北秦岭造山带：505~400 Ma；19.柴达木北缘：495~440 Ma；20.科布多戈壁阿尔泰造山带：540~450 Ma；21.华北克拉通北缘弧-陆碰撞带：510~490 Ma；22.萨拉伊尔造山带：540~450 Ma；23.南阿帕拉契亚造山带：460~430 Ma。泛非造山带名称：24.滇西早古生代造山带：520~460 Ma；25.东非造山带：570~530 Ma；26. Ubendian造山带：590~520 Ma；27. Saldanian造山带：600~545 Ma；28. Damara造山带：560~510 Ma；29. Qubanguide造山带：646~571 Ma；30. Brasiliano造山带：570~530 Ma; 31. Trans-Sahara造山带：620~580 Ma；32.环西非克拉通缝合带：650~600 Ma；33. Panpean造山带:530~510 Ma；34. Patagonia造山带: 439~362 Ma；35. Pinjarra造山带:560~520 Ma；36.印度南部麻粒岩地体：550~520 Ma；37.塔斯曼造山带：536~446 Ma；38. Bhimphedian造山带：530~470 Ma；39. Delamerian造山带：550~500 Ma；40. Ross造山带：550~500 Ma；41. Dronning Maud造山带：570~520 Ma；42.华南陆内造山带：456~419 Ma；43. Kuunga造山带：560~530 Ma；44.斯里兰卡：~550 Ma；45.东高止造山带：550~500 Ma；46.狮泉河申扎东段早古生代俯冲带东段：524~510 Ma；47.龙木错—双湖早古生代缝合带：486~481 Ma，427~422 Ma。主要的陆块、微陆块或克拉通：AM.亚马逊克拉通；ANS. Arabian-Nubian(阿拉伯—努比亚)地盾；AV. Avalonia(阿瓦隆尼亚)微陆块；BA.波罗的陆块；BZ. Brazil(巴西)克拉通；CO.刚果克拉通；EC.中国东北微陆块群；EA.东南极克拉通；GR.格陵兰地盾；ID.印度克拉通；IC.印支地块；KL. Kalahari(卡拉哈里)克拉通；KZ.哈萨克斯坦陆块；LS.拉萨地块；OM.奥莫隆—科罗马克拉通；PB.皮尔巴拉克拉通；QD.柴达木地块；QL.祁连地块；QT.羌塘地块；RP. Rio de la plata(拉普拉塔)克拉通；NA.北美克拉通；NAC.北澳大利亚克拉通；SC.华南地块；SG.松潘—甘孜地块(若尔盖)；SI.西伯利亚克拉通；SF.圣弗朗斯斯科克拉通；SK.中朝克拉通；TN.坦桑尼亚克拉通；TU-P.图瓦—帕米尔微陆块；TR.塔里木微陆块；WA.西非克拉通；YGC.伊尔冈克拉通。 图 1 全球新元古代晚期—早古生代造山带及前早古生代主要地块分布 Figure 1 Global distribution of Early Paleozoic orogens and the main pre-Paleozoic blocks |
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东亚的早古生代造山运动具有自身的特点，不仅在造山时代上要略晚，其所处的构造环境与造山方式也有很大区别，从残留陆块规模较小多为微陆块判断，前人认为大部分处于古亚洲洋—原特提斯—古特提斯洋内的环冈瓦纳多岛弧-盆构造格局，早古生代造山方式多处于增生和陆内造山阶段；陆松年等[23-24]建议将其称为泛华夏造山带以与经典加里东和泛非造山带相区别；尹赞勋等[25]将华南宽阔的早古生代褶皱带形成称为广西旋回。特别是，前人几乎全部认为中国的一些陆块/微陆块都始终是分散在泛大洋中的、孤立的，始终徘徊在大陆块之外。然而，最近10年来大量地质资料积累，发现中国境内几乎所有的造山带都经历了早古生代广泛的造山过程，与全球具有统一性(图 1)。这里需要注意的是，前人基本没有彻底摆脱固定论观点，秉持现块体空间关系的直观解释(将今论古)，认为杂乱的微陆块必然是类似东南亚的多岛洋成因。然而，“多岛洋”的成因还存在问题，东南亚的多岛洋成因不是从一个大陆裂离出来的，而是太平洋西侧通过大洋俯冲－增生作用带来的欧亚大陆边缘不规则的系列半岛拼合而成的；而且大量事实表明，一个大陆边缘通过裂离作用不可能形成多岛洋，更不可能发生多次裂解形成的多带、多列微陆块群，这不仅从古板块重建(如Avalonia)到现今的西太平洋事实(如日本列岛裂离)都没有见到过一个大陆边缘裂离形成多条平行且并存的岛链——“多岛洋”格局，反而，从古到今见到的都是一列岛弧。因此，类似青藏高原的多岛洋演化过程也是构造理论上还没说清楚的问题。本文建议“多岛洋”改为“多岛海”，且只能约束在(古)地理概念范畴，不能引申到构造领域。
根据相互作用地体的性质，本文的造山带分类采用俯冲、碰撞和板内造山带的分类方法，图 1展示了全球早古生代主要的陆-陆硬碰撞造山带、部分显著的增生-软碰撞造山带以及个别陆内造山带时空分布特征。据造山带的类型以及分布特点，可将其分为以下几个区域：现今北冰洋—北大西洋沿岸，包括Caledonides经典加里东造山带(东格陵兰、斯堪的纳维亚、北苏格兰—英格兰、斯瓦尔巴特群岛)、中欧加里东缝合带(德国北部—波兰)、阿帕拉契亚造山带[26-34]；南大西洋沿岸，包括Brisiliano造山带、环西非克拉通造山带(Mauritanides，Marampa，Rockellides造山带)、非洲中部的Oubanguide造山带[35-37]；印度洋沿岸，包括东非造山带、印度南部麻粒岩地体(Southern Granulite Terrain)、东高止带(Eastern Ghats Belt)[38-40]；亚洲的加里东期造山带，主要包括三部分：西伯利亚南缘的增生碰撞造山系；中亚与“多岛洋”闭合相关的阿尔金、天山以及秦—祁—昆早古生代增生-碰撞造山系[41-47]；中国东北的加里东期孔兹岩系[48-49]等。
2 早古生代造山事件群依据全球新元古代晚期—早古生代主要碰撞和增生造山带的区域性构造、岩浆、变质变形事件的总结和对比，本文大致将其划分为7期造山事件群，每一期造山运动对应局部板块的拼贴。这7期造山运动按照时间的先后顺序分别为：属于泛非造山运动的东非造山运动、Brasiliano造山运动、Kuunga造山运动，属于加里东期造山运动的欧洲经典加里东造山运动、美洲Appalachian加里东造山运动和中欧加里东造山运动，亚洲与原特提斯洋和古亚洲洋演化相关的加里东期造山运动(图 2)。
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| EGCD. Eastern Granulite-Cabo Delgado Nappe Complex(东部麻粒岩带-Cabo Delgado推覆杂岩); Ub/Us. Usagaran/Ubendian带; WG. Western Granulite Belt(西部麻粒岩带); IB (Z-M). Irumide Belt of Zambia and Malawi(赞比亚和马拉维的Irumide带); IB (M). Irumide Belt of Mozambique(莫桑比克的Irumide带); Madag. Madagascar(马达加斯加)。区域碰撞造山事件群的划分：①Brasiliano造山事件群；②东非造山事件群；③Kuunga造山事件群；④东亚的加里东期造山事件群；⑤经典加里东造山事件群；⑥中欧加里东Caradoc造山事件群；⑦Appalachian造山事件群。洋壳扩张作用：a. Brasiliano洋；b.莫桑比克洋；c.通奎斯特洋。 图 2 全球早古生代主要碰撞造山带地质事件群(数据来源文献[50-56]) Figure 2 Global geological events group of main Early Paleozoic collisional orogens(date from references[50-56]) |
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冈瓦纳大陆拼合最早开始于西冈瓦纳的拼合，导致了圣弗朗西斯科—刚果、卡拉哈里和亚马逊—西非、拉普拉塔板块之间的碰撞和Brasiliano造山运动。其演化过程包括650~600 Ma Brasiliano洋盆闭合过程以及后期板块之间长期的碰撞调整。东冈瓦纳大陆拼合过程则存在两种不同认识：1)随着莫桑比克洋盆520 Ma的消亡而简单拼合[57-61]；2)经历多阶段复杂拼合过程[55, 62-63]。
新元古代晚期，冈瓦纳大陆发生了Brasiliano造山运动、东非造山运动的ANS和莫桑比克带两个阶段以及Kuunga造山运动，这些造山运动导致了冈瓦纳大陆表现为多阶段复杂拼合，最终在~540 Ma完成汇聚(图 3)，之后直到400 Ma，在较长的时间内主体作为统一的整体运动。
东非造山带南段莫桑比克带、马达加斯加的大部分地区和斯里兰卡、印度南部麻粒岩地体、东高止带、东南极西缘(毛德皇后地)、东南极北缘(查尔斯王子、普利兹湾、Rayner杂岩、格罗夫山等)共同经历了Kuunga造山运动，发生560~530 Ma榴辉岩相高压—超高压变质作用、麻粒岩相高温—超高温变质作用和挤压变形，顺时针PTt轨迹的碰撞造山，520~500 Ma的碰撞后深成侵入等事件。在查尔斯王子—普利兹湾地区，则明显有两期强烈构造运动，且在查尔斯王子南部，发现有一套新元古代稳定克拉通内盆地沉积和早古生代磨拉石沉积，这为早古生代之前印度—东南极已形成统一的地块提供了一方面的证据。而东南极北部Rayner杂岩、格罗夫山亦有550~535 Ma高压麻粒岩变质作用的发生，且格罗夫山在新元古代—寒武纪仅发生过这一次高压变质作用[65]，也为印度和澳大利亚早古生代Kuunga造山期的碰撞运动提供了证据。澳大利亚西缘Darling走滑断裂550 Ma期间左旋走滑位移达到大陆块尺度以及麻粒岩相高压变质, 显示该地区在晚新元古代同样经历了Kuunga期造山运动，是印度与澳大利亚板块碰撞的结果。因此，这些泛非造山事件导致冈瓦纳大陆最终在550~530 Ma完成汇聚。
2.2 欧洲加里东造山运动与北方劳俄大陆拼合事件群新元古代晚期到早古生代期间，北方大陆(主要包括劳伦古陆、西伯利亚陆块、波罗地陆块、阿瓦隆尼亚等微陆块)从初始的汇聚状态开始，相互之间以及与冈瓦纳大陆经历了复杂的聚散运动。Iapetus洋欧洲段闭合时，劳伦古陆、波罗地陆块、阿瓦隆尼亚微陆块三者之间相互碰撞(图 4)，导致志留纪东格陵兰、斯堪的纳维亚、英国、斯瓦尔巴特经典加里东碰撞造山带、中欧缝合带和北阿帕拉契亚造山带形成，最终于425~420 Ma形成劳俄大陆。
斯堪的纳维亚加里东造山带不仅最上部地体的C和Sr同位素具有亲劳伦古陆的特征，其439~417 Ma的高压榴辉岩和409~360 Ma的超高压榴辉岩与挪威西部片麻岩区的422~369 Ma具有柯石英相的高压—超高压变质岩可进行对比，并且两者都发育了~425 Ma的S型花岗岩，表明斯堪的纳维亚加里东造山带和东格陵兰加里东造山带在早古生代为同一构造带，波罗的陆块和格陵兰地盾于425 Ma完成拼贴。而斯瓦尔巴特群岛的西北和东北地体的早古生代地层与格陵兰东部具有相似性，其高压—超高压变质作用与斯堪的纳维亚早古生代造山带的相似。因此，斯瓦尔巴特群岛北部地体在早古生代期间位于格陵兰东部，与格陵兰一起与波罗的陆块碰撞造山，晚志留世—早泥盆世红层磨拉石建造发育，之后再裂解旋转到现今位置。英国加里东造山带中志留世—中泥盆世发育老红色砾岩磨拉石建造，与斯瓦尔巴特群岛北部地体相似。两者之间的蓝片岩、蛇绿岩等也具有相似的年代学特征，本文考虑，北爱尔兰和苏格兰加里东造山带与斯瓦尔巴特群岛加里东造山带具有相同的演化特征，在早古生代为同一条造山带，可能同属于格陵兰地体的一部分，后与波罗的陆块碰撞。而中欧加里东造山带是波罗的陆块与环冈瓦纳北缘裂离地体—阿瓦隆尼亚微陆块碰撞的结果，两者古地磁极移曲线在446~421 Ma期间重合，437 Ma两侧具有相似的几丁石特征，440~400 Ma具有高压超高压变质作用，表明两者之间的通奎斯特洋于446~420 Ma期间闭合。此时，西伯利亚陆块虽然没有与它们碰撞，但已经很接近[67]。因此，结合古地磁证据，经典加里东造山运动、中欧加里东造山运动以及北阿帕拉契亚造山运动促使了北方劳俄大陆于早—中志留世(~420 Ma)完成拼贴(图 4)。
2.3 东亚早古生代造山事件与中华陆块群聚合的关系东亚地区分布有众多的微陆块和裂离的陆壳碎片(图 5)，而早古生代早期原特提斯洋、古亚洲洋分别位于其南、北两侧，早古生代末—晚古生代古特提斯洋也开始打开，3个洋盆分阶段先后作用于其中的微陆块，使其构造极其复杂，使得在西伯利亚南缘增生造山系、中亚造山系、特提斯构造域中都有早古生代的造山带分布，但各造山带之间具有相应可比性的连接关系。
大量的年代学资料表明：阿尔金—祁连—昆仑地区洋盆在晚新元古代开启，寒武纪发育成熟，于中—晚奥陶世开始发生俯冲消减作用，晚志留世—早泥盆世陆块或岛弧发生碰撞；传统认为，这种方式导致北阿尔金与北祁连、南阿尔金与柴达木北缘、西昆仑与东昆仑在早古生代期间两两分别形成同一条构造带，这种认识必然导致华北、扬子和中间这些微陆块在早古生代就完成了古中国联合陆块的聚集[70-71]。因而，在中国大量文献中据此得出的剖面和平面构造模式图，几乎无一例外都是华北—中间微陆块—华南三者的南北向平行分布关系或相互作用。中—新生代期间，该构造带被活动的阿尔金左行走滑断裂错开。
中南天山震旦纪—早寒武世的裂谷火山岩对应罗迪尼亚超大陆最后一期大范围的裂解事件，洋盆经过中奥陶世—早志留世缓慢的俯冲，早志留世在中天山南缘东段首先发生点碰撞，在塔里木—库鲁克塔格陆块与中天山微陆块未产生全面碰撞时，弧后盆地扩张便转变为洋中脊环境，于库米什—榆树沟—铜花山一带发育MORB型蛇绿岩。
华南陆块800~725 Ma发生陆内裂谷事件，形成陆内海盆分离的华夏和扬子地块，甚至华夏地块内部还可能进一步裂解成多个古陆残块(武夷、滇桂、云开等)，但其间未出现洋盆。晚奥陶世－晚志留世(459~416 Ma)的陆内造山将华南陆块重新聚集。
北秦岭和北祁连造山带自早古生代500Ma以来具有相似的演化过程，两者都发生了晚寒武世—早奥陶世的榴辉岩相变质和中奥陶世—志留纪的地壳收缩变形。但是，两条构造带中榴辉岩的性质有所不同，北祁连的榴辉岩为含硬柱石的低温高压变质，北秦岭官坡榴辉岩性质则为含柯石英的超高压变质，并伴随同时代的高温麻粒岩相变质。北秦岭宽坪构造带和北祁连蛇绿岩年龄集中在新元古代晚期—早中奥陶世。北祁连玉石沟—穿刺沟—扎麻什—边马沟一带新元古代晚期—早中奥陶世蛇绿岩性质为洋中脊性质(可能为原特提斯洋的北界)，且两者在中新元古代发育裂谷火山岩，代表了中新元古代—早中奥陶世的被动大陆边缘; 宽坪构造带和祁连九个泉—熬油沟—老虎山一带晚寒武—早中奥陶世的蛇绿岩性质，多数为俯冲带上的SSZ型，和冷榴辉岩、岛弧建造一起代表了洋盆俯冲过程，被动大陆边缘转变成了活动大陆边缘。在晚志留—早泥盆世两者都发育区域性的角度不整合和收缩变形，在早古生代可对比为同一条构造带，构造研究揭示它们早古生代的俯冲极性都是向南俯冲。
西昆仑的库地—其曼于特一带发育526~494 Ma和428 Ma两期蛇绿岩，与北祁连早古生代蛇绿岩吻合，而且西昆仑的岛弧建造代表的洋壳俯冲与北祁连的冷榴辉岩代表的洋壳俯冲相一致，造山花岗岩可以与北祁连带的地壳收缩变形相对应。东昆仑在早志留世也存在一期蛇绿岩，东昆仑地块碰撞造山过程中的S型花岗岩集中在早中泥盆世，晚志留世—早泥盆世的角度不整合不发育，与西昆仑的造山演化过程具备可对比性。而阿尔金早古生代剪切带性质也更接近东、西昆仑，且在塔里木盆地东南缘呈弧形回折到柴北缘，柴北缘又在鄂拉山回折到东昆仑。因此，早古生代北秦岭—北祁连—阿尔金—东昆仑—西昆仑应为同一条弯山构造带，复原后，原始状态应当是串联着的朝着原特提斯洋排列。这一点我们后来查文献，发现Murphy等[72]重建的状态非常符合我们的这个认识，但他们重建的时间不对，或许他们的重建结果是撕裂出去的状态。这里需要思想上改变的传统认识是：现今空间上并列残存在造山带中不同年龄的蛇绿岩，就必然代表是不同年代的洋盆原来空间上就并列存在、时间上依次演化的结果；或者年代相同且并列展布的蛇绿岩，就代表是同时的“多岛洋”。实际上，同一个洋盆消减，完全可能在后来同一造山带的不同地段保存，或是同一洋盆不同年代的洋壳。
柴北缘记录有新元古代中期罗迪尼亚裂解时的玄武岩和基性岩墙群，西段绿梁山发育540~490 Ma的弧后盆地蛇绿岩，岛弧火山岩、洋壳俯冲榴辉岩、I型花岗岩显示，柴达木陆块与欧龙布鲁克微陆块之间的洋盆于中寒武世开始了持续40 M a的俯冲；原岩为陆壳的柯石英相榴辉岩、S型花岗岩显示，柴达木陆块与欧龙布鲁克微陆块拼贴。
东昆仑的昆中和昆南缝合带中出现多期蛇绿岩，寒武纪为洋盆环境，晚奥陶世—志留纪为向北的俯冲带，而早—中泥盆世碰撞型花岗岩和同时期的榴辉岩表明北昆仑和南昆仑地体发生拼贴碰撞。
青藏高原南、北羌塘之间的龙木措—双湖缝合带发育了晚寒武世之前的蛇绿岩、中奥陶世大洋性质的蛇绿岩、晚奥陶世俯冲带性质的蛇绿岩等多期洋盆记录，表明该缝合带代表了位于冈瓦纳大陆北缘与中华古陆块群之间的早古生代原特提斯洋。拉萨地体发育早—中寒武世岛弧火山岩和双峰式火山岩，分布在班公湖—怒江和狮泉河—申扎两条早寒武世向南俯冲的俯冲带上。近来在双湖—龙木措缝合带南侧测得早奥陶世的碰撞型花岗岩和早—中志留世高压变质岩，即南、北羌塘微地块于早—中奥陶世开始缓慢碰撞。青藏高原东南缘腾冲微地块与羌塘具有早古生代的亲缘性，且有大量的早古生代早期的安第斯型岩浆弧记录，以及奥陶系底砾岩与上覆地层的不整合，与冈瓦纳大陆北缘的安第斯型造山带相似[73]。
2.4 北方劳俄大陆与环冈瓦纳大陆北缘微陆块拼合事件群北方劳俄大陆与环冈瓦纳大陆北缘微陆块的拼合事件主要表现在中—南阿帕拉契亚造山带以及Ouachita造山带。中—南阿帕拉契亚发育奥陶纪—志留纪区域性的绿片岩相和中级角闪岩相变质，出露459~394 Ma高压榴辉岩，410~340 Ma多阶段的地体拼贴导致整体发生低级变质。在中阿帕拉契亚段发育泥盆纪角度不整合，西部发育中—晚泥盆世磨拉石。南阿帕拉契亚的卡罗莱纳等地区年代学和直接的野外观察显示，发育奥陶—志留纪的收缩变形和左旋走滑剪切带[51]，为劳俄大陆与冈瓦纳大陆北缘地体碰撞的体现。
3 南美和北美板块拼合：卡罗莱纳超大陆的正式提出以早寒武世古杯类腕足动物、小壳动物化石和Redlichid三叶虫(华北也有发育)为特征的冈瓦纳古生物地理分区，主要分布在澳大利亚和印度、Kalahari之间的Mawson洋沿岸；以Olenellid三叶虫为特征的古生物地理分区，在早寒武世(~530 Ma)就已经很明显。并且，冈瓦纳古生物地理分区和西伯利亚古生物地理分区的三叶虫化石具有相似性，可能从西伯利亚古地理分区迁徙而来[63]，说明西伯利亚在早寒武世之前曾与冈瓦纳很接近。
晚古生代期间巨型板块显示稳定而且有规律的运动[74]，而早古生代板块尚处于不稳定的运动状态中，如中国塔里木板块表现的震荡性运动[70]，欧洲波罗的板块和冈瓦纳大陆多次短暂拼合，以及西伯利亚板块和波罗的陆块之间反复裂离作用等。全球古地磁数据和古板块再造获得的板块运动轨迹指示，在志留纪—二叠纪期间全球主要大陆向北半球中纬地区汇聚[75]。Nance等[76]提出通常认为一个完整的超大陆旋回需要3~5亿年；最近Condie[77]根据板块运动速度随着地质年代变新而加快，认为超大陆形成周期和整体存在时限也随之变短。因此据此判断，显生宙还存在多个超大陆的假设或尚有没发现或没识别出来的超大陆，逻辑上也与超大陆旋回随地球演化变短的传统认识相吻合。
早古生代发生了全球尺度的加里东期造山运动，晚奥陶世—早志留世响应Hirnantian大冰期事件全球海平面发生了一次短暂的显著的下降，而到晚志留—早泥盆世海平面又处于一个相对的低水位[78]。当早志留世全球海平面处于相对低的水位，全球中纬度地区气候干旱，广泛发育老红色砂岩，冈瓦纳大陆则冰川发育，冰盖虽有些消融但仍存在。美洲东部浅海动物群(Eastern Americas faunal realm)显示，南美西北部、西非克拉通和北美东部于晚志留—早泥盆世已经连通，腕足动物化石具有很高的相似性[79-80]。古地磁、古地理研究也显示，晚志留世—早泥盆世劳俄大陆和冈瓦纳大陆西缘已经非常接近[81-83]。而泥盆纪冈瓦纳大陆开始向北运动并顺时针旋转，但是由于劳俄大陆旋转速度较快导致南美板块和北美板块分离。两个板块之间这次的分离运动在Armorica微陆块有记录。Armorica微陆块从冈瓦纳北缘裂离，志留纪—早泥盆世夹持在冈瓦纳大陆和劳伦陆块之间，此后一直留在劳俄大陆南缘，它的古地磁数据显示，泥盆—石炭纪Armorica和冈瓦纳大陆之间发生了一个新的洋盆打开事件，此时两岸的古生物亲缘性也不一样，随后在石炭纪重新闭合并导致Hercynian-Alleghanian(海西期)造山运动[84]。因此，在晚志留世—早泥盆世，形成了一个分别由西伯利亚古陆块和中国大部分陆块总体呈半岛型式拼合到劳伦和冈瓦纳大陆上的全球主要陆块拼合而成的Carolina超大陆(图 6)。但目前缺乏早泥盆世的南、北大陆之间的碰撞造山记录，因此，对于晚志留世—早泥盆世超大陆存在的确切性[72]，还需要板块重建的验证及南、北大陆碰撞造山证据的进一步支持。
尽管如此，至少Carolina带内Dreher Shoals地体的高压变质岩年龄为421~295 Ma, 在Charlotte地体中存在415 Ma的榴辉岩，还有其他角闪岩相变质地层中的Ar-Ar年龄多数为480~425 Ma，更为可靠的Ar-Ar年龄为391 Ma，但为冷却年龄[85]，表明南、北大陆可能沿该带拼合顶峰时期为421~415 Ma，或至少说在400 Ma之前，且在450 Ma之后，这正好也是华北等中国地块与冈瓦纳450~400 Ma聚合时限内。故420~400 Ma期间完全可能存在一个超大陆Carolina。因此，Pangea超大陆与其说是新形成的超大陆，不如说是Carolina超大陆的延续存在形式或者是Carolina超大陆的微小调整。也就是说，本文认为Carolina超大陆才是新生的超大陆。Hibbard等[85]特别强调，一些在Carolina带中的构造-热事件甚至老于Iapetus洋的边缘，因此，与其说这个带记录的是Carolina带内地体增生到劳伦大陆的历史，不如说是代表冈瓦纳大陆与劳伦大陆相互作用的历史。就是说，早古生代末期，这里南、北两个大陆拼合在了一起。
值得讨论的是，这个超大陆存在与否，竟然不得不讨论Rheic洋。前人认为Rheic洋启动于500 Ma，是随着Iapetus关闭而打开的，直到它封闭，Pangea才开启最终聚合[70]。但是Rheic洋的建立是基于欧洲的Avalonia地体群从冈瓦纳大陆的裂离，这并不能支持同一个构造带内的美国Carolina地体群在晚古生代期间也必然要打开一个同样的洋盆，并必然要脱离冈瓦纳。Carolina带和Avalonia地体群还是存在巨大差异的[85]。
最为关键的是，西方学者始终没能提出400 Ma左右存在一个超大陆的主要原因是：他们始终认可中国学者提出的这些曾称为“中华陆块群”的一系列块体始终弥散状分布在泛大洋内；即使不认为是弥散状的，也大体归结为一条称为“匈奴地体群”的岛链，在Gondwana外围分布。本专辑我们的4篇系列论文，系统总结近30年来中国地质界的可靠性高的成果，对比全球，总结提出“中华陆块群”实际上在450~400 Ma已经完全拼合到了冈瓦纳大陆北缘(图 6)。这是我们提出Carolina超大陆的重要支撑。这一超大陆的提出和板块重建结果改变了魏格纳提出Pangea以来106年的传统认识。
4 结论本文通过对全球早古生代造山带的系统集成分析，得出以下几点新认识：
1)新元古代晚期—早古生代期间发生7期全球尺度的造山运动，形成了碰撞、增生、陆内3种类型造山带。特别是在早古生代末存在全球性准同时的造山事件值得重视，相比之下，全球不存在280~250 Ma的全球性造山事件。
2)全球早古生代洋-陆格局演变大体经历了如下几个演化阶段：615~560 Ma Iapetus洋打开；~560 Ma波罗的陆块与西冈瓦纳裂离导致狭窄的Ran洋打开；520~530 Ma冈瓦纳大陆完成最终的拼合；~500 Ma冈瓦纳大陆西北缘微陆块群向北裂离，导致Rheic洋、Tornquist洋和原特提斯洋西段打开，并于420~400 Ma再次闭合，劳伦古陆和波罗的古陆聚合为劳俄古陆；虽然425 Ma西伯利亚板块裂离正聚合的劳俄大陆，但晚奥陶—早泥盆世南美和北美板块靠近，北美板块与环冈瓦纳地体拼合碰撞。特别是华北、华南等一系列中国的陆块, 实际于450~400 Ma期间聚集到了冈瓦纳大陆北缘。
3)早古生代的北方大陆(Laurussia和西伯利亚古陆)最终形成于420 Ma，最为特征的是北方大陆广泛存在中泥盆世角度不整合在下伏地层之上的角度不整合，如加里东造山带；当然这个角度不整合也广泛存在于当时处于南方大陆北缘的塔里木、华南、祁连等地，但南方大陆(Gondwana)主体聚合于540 Ma，后来“中华陆块群”的向南俯冲、增生和汇聚，于400 Ma前彻底形成了早古生代南方大陆的最终形态。而且，此时南、北方大陆两者于400 Ma左右沿Carolina造山带也开启了碰撞。
4)前人提出的超大陆Pannotia(600 Ma)或Artejia(460 Ma)在新元古代末期或早古生代早期，本文资料显示这两个时期的造山事件不具有全球同时性；然而，晚志留—早泥盆世(~400Ma)已经拼合的波罗的－劳伦陆块与环冈瓦纳大陆北缘的地体拼贴事件，以及古地磁和古生物等特征，显示冈瓦纳大陆的西非克拉通与劳伦古陆相隔很近(古生物资料表明不存在宽阔的大洋分割)，Scotese等[87]的重建方案直接显示是拼合的，但在其重建方案中，由于难以深入分析中国的陆块群的当时状况，且前人基本都认为中国这些陆块群此时是分散在泛大洋中，因而认为此时还不存在一个统一的超级大陆。但最近中国大量年代学积累发现, 实际此时它们都成了冈瓦纳大陆北缘的一部分，同时，西伯利亚陆块也可能通过一列岛弧与劳伦古陆相连，因而，本文提出420~400 Ma存在一个超大陆Carolina，具有全球性或准全球性。
5)Kenorland超大陆最终集结于2.5 Ga，Columbia最终聚合时间为1.8 Ga，Rodinia最终聚合峰期时间1.1 Ga，Carolina最终聚合时间为0.4 Ga，再到Pangea的0.25 Ga最终拼合，并结合推测的未来约0.25 Ga后的Amasia超大陆，时间间隔分别从最早的7、7、7、1.5、5亿年，超大陆集散周期似乎没有规律，是随机的过程或总体变短的趋势。但是如果考虑Pangea超大陆是Coralina超大陆的延续存在形式，或Carolina不是一个过渡性超大陆，是新生的，因此，从Carolina到Amasia的周期是6.5亿年，则超大陆旋回可确定为6.5~7.0亿年，如果采用Amasia超大陆推测在未来0.3 Ga后聚合的观点，则超大陆旋回甚至直接就是7亿年周期。这个7亿年的超大陆旋回周期值得从多学科角度重新论证。可见，早古生代Carolina超大陆的重建是板块超大陆旋回建立的关键所在。
致谢: 我们非常感谢《吉林大学学报(地球科学版)》60年刊庆专辑的邀请，撰写的4篇系列文章是我们4年来原特提斯洋研究的初步总结。由于涉及全球，海量信息和资料没法一一引用，敬请各位专家海涵。这4篇文章看似综述，但我们从全球角度，集成创新，发现了很多宏观规律，提出了一些新认识，不同于国内外大量固有认知，我们期望各位专家批评，并期望给其他学科的专家带来新的思路。其中一些关键性的观点还计划在未来逐一发表，比如说弯山构造、早古生代精细板块重建。| [1] | 李江海, 牛向龙, KuskyT, 等. 从全球对比探讨华北克拉通早期地质演化与板块构造过程[J]. 地学前缘 , 2004, 11 (3) : 273-283. Li Jianghai, Niu Xianglong, Kusky T, et al. Neoarchean Plate Tectonic Evolution of North China and Its Correlation with Global Cratonic Blocks[J]. Earth Science Frontiers , 2004, 11 (3) : 273-283. |
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