當代地質學研究的熱點：超大陸旋迴

大陸地殼形成以後，與下覆岩石圈地幔耦合成剛性的岩石圈板塊，在塑性的軟流圈地幔上發生裂解和匯聚，形成巨型克拉通或超大陸。

1912 年，魏格納（A. Wegener）開創性地提出了大陸漂移學說和Pangea 超大陸的復原。雖然隨著板塊構造理論的建立，大陸漂移學說已被取代，但超大陸的存在卻得到了證實和發展，特別是近20 年來前寒武紀地質學研究證實，在Pangea 超大陸之前還存在多個超大陸，目前公認的有中—新元古代Rodinia超大陸（Hoffman，1991；Li et al.，2008，2013；Evans，2009，2013）和古元古代Columbia（或Nuna）超大陸（Zhao et al.，2002，2004，2011；Rogers and Santosh，2002，2009；Hou et al.，2008a，b；Meert，2012；Zhang et al.，2012）。

超大陸的周期性匯聚與裂解被稱為超大陸旋迴，這一過程與全球性造山作用和超級地幔柱密切相關，並對全球海平面變化、碳循環、氣候變化、礦產資源的形成以及生命的演化等過程有著決定性影響，因此已成為當代地質學研究的熱點之一（Murphy and Nance，1991；Barley and Groves，1992；Condie，1997，2011a；Hoffman，1999；Campbell and Allen，2008；Li and Zhong，2009；Bradley，2011；Evans，2013；Nance et al.，2014）。

前寒武紀超大陸的重建是研究超大陸旋迴的基礎。目前常用的重建手段包括標誌性地質體（造山帶、基性岩牆群、克拉通基底與蓋層沉積）對比、地質事件序列對比、古地磁極和極移曲線對比等。其中，古地磁極和極移曲線對比是目前超大陸重建中唯一的定量手段，但是，由於前寒武紀岩石普遍遭受了多期變質-變形事件的改造，越老的岩石越難獲得原生剩磁，因此這一方法在早前寒武紀超大陸重建中的應用受到一定的限制，而地質體和地質事件對比的應用則更為廣泛，儘管其結果不可避免地帶有多解性。碰撞造山帶是超大陸形成的必要條件，其識別與對比是前寒武紀超大陸重建的基礎（Hoffman，1991；Zhaoet al.，2002，2004）。與超大陸裂解有關的大火成岩省、基性岩牆群、大陸裂谷、被動陸緣等的對比不但可以為超大陸重建提供重要依據，也是研究超大陸裂解的地球動力學的關鍵物質載體（Ernst and Buchan，2003；Ernst，2008；Ernst et al.，2008）。顯然，超大陸的重建依賴於全球各大克拉通前寒武紀構造-熱演化歷史的詳細刻畫。

潘吉亞(Pangea)超大陸重建圖（據Domeier et al.，2012）

Pangea 是最年輕的超大陸，其裂解直接導致了現今的海陸格局，因此，其古地理重建可通過簡單的大陸輪廓匹配、海底磁異常條帶恢復等進行。目前，雖然古地磁數據仍存在一些細節上的不協調（Domeier et al.，2012），但Pangea 的基本古地理格局已經被普遍接受。Pangea 的聚合發生在450～300Ma，主要是通過岡瓦納超大陸、勞倫超大陸、波羅地超大陸、西伯利亞及東北亞地區的一些小陸塊之間的碰撞造山完成的，具體包括：北美東部與非洲西北部沿Appalachian 造山帶的碰撞；波羅地與北非沿Variscan造山帶的碰撞；波羅地與西伯利亞之間沿烏拉爾造山帶的碰撞。值得指出的是，位於中亞造山帶南部的天山—興蒙造山帶可能與烏拉爾造山帶相連，華北、塔里木等地塊與中亞造山帶的碰撞對接是Pangea 超大陸聚合的表現。Pangea 從～200Ma 開始裂解，導致大西洋和印度洋的打開，最終形成了現今的海陸格局。

岡瓦納(Gondwana)超大陸重建圖（據Meert andLieberman，2008），Mad-馬達加斯加克拉通，RP-拉普拉塔克拉通，SF-聖弗朗西斯克拉通，SL-斯里蘭卡克拉通

岡瓦納超大陸是潘吉亞超大陸的最大組成地塊，有些學者將哥倫比亞本身也看作超大陸。Gondwana 通常被分為東、西兩部分，西岡瓦納包括非洲、南美洲和阿拉伯半島，東岡瓦納包括印度、澳大利亞、南極和馬達加斯加。傳統上認為，岡瓦納的聚合發生在新元古代末期，是通過所謂的泛非運動（Kennedy，1964）使東、西岡瓦納碰撞實現的（Rogers et al.，1995；Kr?ner and Stern，2005）。但後來在東、西岡瓦納內部分別識別出多條泛非期碰撞造山帶，說明東、西岡瓦納並非統一的陸塊，而是由更小的陸塊通過多期碰撞造山形成的（Meert and van der Voo，1997；Meert，2003；Veevers，2004；Collins and Pisarevsky，2005；Meert and Lieberman，2008）。Meert（2003）將東岡瓦納的聚合分為兩個階段，早期（～750～620Ma）的東非運動（East Africa Orogeny）導致阿拉伯—努比亞地區大量新生島弧地體的拼貼和碰撞（Stern，1994），晚期（～570～530Ma）的Kunnga 運動導致澳大利亞—南極與印度東部的碰撞；Collins 和Pisarevsky（2005）將東非造山帶東部馬達加斯加、衣索比亞、索馬利亞、阿拉伯等地的古老地殼統稱為Azania 地塊，認為其在東非運動末期（～620Ma）與非洲東部的坦尚尼亞—剛果發生碰撞，並在～530Ma 最終與印度西部碰撞，導致所謂的Malagasy 運動。值得指出的是，早古生代生物古地理研究表明，亞洲東部的眾多陸塊，包括華北、華南、塔里木等，都與東岡瓦納有很強的親緣性，可能均為東岡瓦納北緣的小陸塊，並在早古生代隨著古特提斯洋的打開向北漂移，最終於古生代末期與歐亞大陸北部碰撞對接，完成Pangea 的拼合（Metcalfe，1996，1998，2009）。

羅迪尼亞(Rodinia)超大陸重建圖（據Li et al.，2008）

Rodinia 是第一個被識別出的前寒武紀超大陸，它包括了地球上絕大多數古老陸塊。Rodinia 是以勞倫（Laurentia ， 即北美和格陵蘭） 大陸為核心， 通過格林威爾期（Grenvillian，～1300～900Ma）造山事件聚合形成的（Hoffman，1991；Li et al.，2008）。其裂解過程可能始於～850～830Ma，但主要發生在750～600Ma，最終導致古太平洋（Proto-Pacific Ocean）和古大西洋（Iapetus Ocean）的打開，分離出的部分陸塊再次快速聚合成為Gondwana（Hoffman，1991；Cawood，2005；Li et al.，2008）。自從1991 年三篇開創性論文（Dalziel，1991；Hoffman，1991；Moores，1991）發表以來，Rodinia 超大陸的重建與演化及其與「雪球地球」等極端氣候條件、早期多細胞生命演化的關係已成為當代地學研究的熱點之一（Li et al.，1995，1999，2002，2008；Hoffman et al.，1998；Hoffman，1999；Torsvik，2003；Donnadieu et al.，2004；Cawood et al.，2013b；Evans，2009，2013）。然而，與Pangea 和Gondwana 相比，Rodinia 的重建仍存在許多爭議（Li et al.，2008），其中，華南在Rodinia 重建與演化中的位置是爭論的交點之一。Li 等（1995，1999，2002，2003，2008，2013）將華南（包括華夏和揚子兩個地塊）置於勞倫西緣與澳大利亞—南極東緣的中間地帶（圖1-6（c）），認為華夏地塊與揚子地塊之間以及揚子地塊西緣分別存在著一條格林威爾期造山帶（前者稱為四堡造山帶或稱江南造山帶），構成勞倫與澳大利亞—南極兩大陸塊之間「缺失的連接」（missing link）；他們還認為，Rodinia 超大陸在聚合40～60Ma 之後即受超級地幔柱影響發生周期性裂谷作用（峰期為825Ma、780Ma 和750Ma），而華南位於地幔柱頭部的正上方。但這一模型遭到許多學者的反對，例如，原定格林威爾期的四堡（江南）造山帶後被證實最終形成於～830Ma（Wang X L et al.，2007；Zhao J et al.，2011；Zhang S B et al.，2012），揚子西緣則被解釋為一個長期活動的新元古代岩漿弧（Zhou et al.，2002；Zhao J et al.，2011）；古地磁（Yang et al.，2004）和碎屑鋯石物源（Yu et al.，2008；Duan et al.，2011）研究也表明，華南更可能臨近於澳大利亞西部或印度北部，即位於Rodinia 的邊緣而非中心。Cawood 等（2013b）和Wang 等（2014）最近則將華南劃分為一系列1000～800Ma 由南東向北西逐漸變年輕的溝-弧-盆體系，並將其作為Rodinia 的周緣俯衝-增生造山帶的一部分。

哥倫比亞(Columbia)超大陸重建圖（據Zhao et al.，2004）

研究表明，在Rodinia 之前可能還存在一個超大陸，被稱為Columbia（或Nuna）（Rogers and Santosh，2002，2009；Zhao et al.，2002，2004；Hou et al.，2008a；Yakubchuk，2010；Evans，2013）。Zhao et al.（2002，2004）總結了全球古元古代晚期（2.1～1.8Ga）造山作用，提出全球各大陸塊通過這期造山作用聚合成為Columbia 超大陸，並根據造山帶和基底地質對比提出了Columbia 超大陸的復原圖。Zhao 等（2004）提出，Columbia 超大陸在1.8Ga 左右完成聚合，在其周緣（主要是北美、格陵蘭和波羅地南緣和華北南緣）發生了長時間的（1.8～1.2Ga）俯衝增生；Columbia 的裂解可能在1.6Ga 就已經開始，導致廣泛的大陸裂谷作用和非造山岩漿作用，但最終的裂解可能發生在1.3～1.2Ga，以北美1.27Ga 的MacKenzie 和1.24Ga 的Sudbury 基性岩牆群為標誌。值得一提的是，華北克拉通古元古代—中元古代構造演化對Columbia 超大陸的重建有著重要的貢獻，Zhao 等（1998，2001）正是在識別出了～1.85Ga 的「跨華北造山帶」（Trans-North China Orogen）及其與印度等地古元古代造山帶的相似性的基礎了提出了Columbia 超大陸的聚合過程（Zhao et al.，2002，2004）。儘管華北本身的構造演化仍有許多爭議（Zhao et al.，2012），但這一模型的提出、發展和完善極大地促進了我國前寒武紀地質的發展。Evans 和Mitchell（2011）及Zhang 等（2012）對Columbia 進行了古地磁重建，其結果證明了勞倫、波羅地、西伯利亞在Columbia 中的親緣性，但由於目前古—中元古代古地磁數據仍十分有限，許多地塊在Columbia 中的具體位置仍是未知數。

此外，有不少學者推測太古宙時期還存在一個超大陸或多個超級克拉通（supercraton）（Williams et al.，1991；Rogers，1996；Aspler and Chiarenzelli，1998；Bleeker，2003；Pehrsson et al.，2013）。Williams 等（1991）認為，北美的大多數陸塊均來源於一個太古宙超大陸，並將其稱為Kernoland。但後來研究表明，許多太古宙克拉通與北美具有不同的克拉通化時間和古元古代沉積蓋層，不可能來自同一個超大陸。Aspler 和Chiarenzelli（1998）提出另一個與Kernoland 共存的超大陸Zimvaalbara。Bleeker（2003）根據太古宙—古元古宙演化歷史的相似性，將全球太古宙克拉通劃分為三大家族（clan/family），認為其源自三個太古宙超級克拉通：Vaalbara、Superia 和Sclavia，而後者則被Pehrsson 等（2013）稱為Nunavutia。Pehrsson 等（2013）指出，Nunavutia 是由許多與Rea 克拉通有類似演化歷史的地塊（稱為Rea 家族，如Dharwar、華北、Congo、西非）構成的，這些地塊發育2.55～2.50Ga 和2.50～2.28Ga 兩期特徵性造山事件，並且缺乏古元古代早期（2.45～2.20Ga）與大陸裂谷相關的沉積盆地、基性岩牆群和冰磧岩，以此區別於其他克拉通。華北克拉通是Rea 家族的典型成員，塔里木也有類似的演化歷史，可能是Nunavutia 超級克拉通的一部分。

儘管對上述超大陸或超級克拉通的重建還需要許多地質與古地磁數據的支持和驗證，但這些超大陸的聚合與裂解過程證明了超大陸旋迴的存在。需要注意的是，這種旋迴並非簡單的重複，各個超大陸聚合、穩定存在、裂解所經歷的時間有所不同，例如，從Columbia到Rodinia 大致經歷了900Ma，而從Rodinia 到Pangea 只經過了大約600Ma，Condie（2011a）推測這可能意味著超大陸演化的加速；此外，全球各個陸塊也並非沿著固定的邊界匯聚到超大陸中，有些地塊可能並未從上一個超大陸中完全裂解，而是以一個較大的陸塊加入下一個超大陸。許多學者認為，超大陸的周期性聚合與裂解和大尺度的地幔對流有關，例如，Gurnis（1988）通過二維數值模擬認為，大陸地塊被地幔下降流攜帶並在此碰撞形成超大陸，隨後由於超大陸對地幔熱流的屏蔽作用導致其下部地幔溫度的升高，誘發地幔上涌，並最終導致超大陸裂解；Li 和Zhong（2009）通過對超大陸和超級地幔柱演化歷史的分析以及三維數值模擬結果提出，超大陸形成後其周緣俯衝帶持續進行，導致大量俯衝板片堆積在上、下地幔過渡帶，堆積量超過臨界值後發生板片雪崩（slab avalanche），引起超級地幔柱的上涌，最終導致超大陸的裂解，這一模型突出了環超大陸俯衝增生造山體系在超大陸演化中的重要性。

超大陸旋迴與地幔對流的三維數值模擬結果（據Li and Zhong，2009）

本文摘編自《塔里木克拉通北緣前寒武紀構造岩漿事件與地殼演化》（朱文斌 葛榮峰 舒良樹 鄭碧海著.責任編輯：王騰飛 沈旭 馮釗. 北京：科學出版社，2017.4）一書。標題為編者所加。

（大陸動力學系列專著）

ISBN 978-7-03-052490-4

《塔里木克拉通北緣前寒武紀構造岩漿事件與地殼演化》以塔里木克拉通北緣前寒武紀地質體為研究對象，開展構造地質學、岩石學、同位素年代學和地球化學等多方面的綜合研究。在此基礎上，釐定該區前寒武紀地質體的岩石組成及各岩石單元的大致分布範圍；限定各類岩石的形成時代及其大地構造背景；探討變形與變質作用的期次、年代學格架、溫壓條件和P-T-t軌跡；闡述變質雜岩體中混合岩的淺色體和暗色體的物質來源、形成時代及混合岩化機制。

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（本文編輯：劉四旦）

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