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實驗室，北京大學地球與空間科學學院，北京, 100871;2) 北京大學石油與天然氣研究中心，北京, 100871

內容提要：本文基于古板塊再造方法，通過收集和篩選全球晚古生代古地磁數據，恢復再造泛大陸的構造格局及其聚合過程。晚古生代，全球板塊的運動軌跡表明，全球板塊整體以順時針旋轉的方式運動，聚合形成泛大陸。通過分析單個板塊的運動學特征以及不同板塊間的相對運動，表明在泛大陸聚合過程中，至少出現四種碰撞方式：① 追尾式碰撞：不同板塊在同向運動過程中，板塊運動速度存在差異，如前方板塊速度慢于后方板塊，則會造成其間洋盆逐漸收斂—關閉，如萊茵洋(海西造山帶)、索倫洋(索倫山造山帶)等。 ② 側向式碰撞：兩個板塊運動軌跡大角度交叉，發(fā)生側向碰撞，如波羅的板塊向北運動過程中與向東北運動的西伯利亞板塊碰撞，造成烏拉爾洋盆閉合，形成狹長的造山帶。③ 錯車式碰撞：兩個板塊，同向或者相向交錯運動，在其側翼發(fā)生走滑—斜向式聚合。如塔里木和華北板塊轉動方向相反，在側翼斜向對接，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，普遍通過古地磁方法并結合地幔柱制約來恢復古板塊位置(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)域構造研究中，大多數側重對造山帶構造格局及俯沖碰撞造山過程的研究(李錦軼，2004；楊巍然等，2012；許志琴等，2012；翟明國, 2012; G?rz et al.，2010; Long Xiaoping et al., 2012； Zhou Jianbo et al., 2013；Xiao Wenjiao et al., 2012, 2013)，即板塊邊界上相對的運動及其地質演化過程。然而，對于同一板塊不同板塊邊界之間的構造關系，以及板塊運動軌跡與板塊邊界上的相對運動兩者之間的關系，缺乏系統(tǒng)的研究。與此相關的問題還有，板塊運動過程中，板塊之間的洋盆是如何關閉的(不僅僅是板塊之間的相對運動)？板塊運動軌跡與俯沖帶發(fā)育的關系是什么？俯沖帶如何隨著時間發(fā)生遷移？板塊兩側的擴張洋盆和收斂洋盆是否在時間上相對應？陸塊之間不具備開闊大洋條件下，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大陸，對于地球演化具有重要影響，本文選擇其聚合過程開展運動學研究，在全球構造格局和板塊構造演化的背景下，重點依據全球古地磁數據的古板塊再造研究(Torsvik，1996)和區(qū)域上重要碰撞造山帶的運動分析(Collins，2003；Abrajevitch et al.，2007；Levashova et al.，2007)，將地史上不同板塊的運動軌跡和板塊邊界上相對運動結合起來，對上述問題進行嘗試性的探討。

1 古地磁數據的篩選及板塊再造方法

本文在全球古地磁數據庫(GPMDB 4.6)(Pisarevsky，2005)的基礎上，補充了2004年之后發(fā)表的古生代古地磁數據，并根據V90判據[① 采樣地層的年代得到精確地確定，且假設磁化年齡等于實際的巖石年齡；② 足夠數量的獨立采樣點和獨立定向的樣品；③ 正確的退磁技術和記錄；④ 野外檢驗來限定磁化年齡；⑤ 構造控制以及與相關克拉通或板塊的一致性；⑥ 地磁極性倒轉的存在；⑦ 與較晚時期的古極點沒有相似性。](Van der Voo，1990)，篩選品質因子Q≥3的古地磁數據。對非洲板塊、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、準噶爾各島弧和地體、華北陸塊、阿穆爾陸塊以及揚子陸塊志留紀—二疊紀之間的古磁數據的篩選結果可見附表。

古地磁視極移曲線是認識板塊運動的有效途徑之一，其形態(tài)變化反映板塊對接前的平移、旋轉運動以及對接后板塊間的地殼縮短和相對旋轉等因素，因此，可用以分析板塊的古大地構造環(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值為加權值，以300為樣條的參數，對各個板塊的視極移曲線進行擬合，選取摩爾維德投影方式，對古板塊位置進行恢復。

通過板塊的視極移曲線并選取合適的參考點，可以計算古板塊在某個特定古地理位置時的緯向漂移速率(實際的漂移速率肯定比緯向漂移速率大)和旋轉速率(Torsvik et al., 1992)。計算獲得的北美板塊、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—二疊紀期間的緯向漂移速率以及旋轉速率如圖5、6、7所示。通過相關板塊運動學對比和分析，可獲得泛大陸聚合過程中板塊碰撞的運動學特征。

2 晚古生代的泛大陸聚合構造背景

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、華北陸塊和阿穆爾陸塊之間)、蒙古—鄂霍茨克洋(西伯利亞板塊、阿穆爾陸塊和華北陸塊之間)、索倫洋(阿穆爾陸塊和華北陸塊之間)、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)。這些洋盆交織出現于不同板塊和陸塊之間，并隨著板塊的運動而發(fā)生洋盆規(guī)模的擴張或縮小(圖1)。古亞洲洋晚古生代以持續(xù)閉合為特點。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演化更迭特點(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，兩者構造演化此消彼長，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的構造演化關系，其間以塔里木、華北等多個陸塊相隔。隨著上述洋盆陸續(xù)關閉，石炭紀—二疊紀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)。它們主要出現于勞亞大陸及其周圍，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)的運動過程中。其中，西伯利亞板塊在晚古生代還持續(xù)地發(fā)生順時針轉動(Smethurst et al., 1998)。可以推測，它們之間的多個洋盆(烏拉爾洋、萊茵洋等)，在石炭紀—二疊紀閉合于板塊向北運動導致洋盆相對縮短的過程中。

圖 1 泥盆紀(約390Ma)全球古板塊構造格局演化圖 (摩爾維德式投影；圖中箭頭指示板塊運動趨勢；古地磁數據據全球古地磁數據庫GPMDB；Scotese, 1997；方大鈞等, 2001；黃寶春等, 2008；造山帶據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(約330Ma)全球古板塊構造格局演化圖 (俯沖帶據 Scotese, 2002;巖漿巖省據 Kravchinsky，2012；斷裂帶據De Boorder, 2012;圖例參照圖1)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構造格局圖 Fig. 3 Tectonic framework of Pangea at 260Ma古地磁數據據全球古地磁數據庫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。裂谷系和熱點據Nikishin et al.，2002；Courtillot et al., 2003；Kuzmin et al., 2010；造山帶據Golonka, 2011， Scotese，2002；上地幔低速帶據 Torsvik et al., 20081—準噶爾；2—塔里木陸塊；3—柴達木地體；4—昆侖地體；5—阿穆爾陸塊；6—華北陸塊；7—揚子陸塊；8—加里曼丹板塊；9—印支板塊；10—馬來西亞陸塊；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—二疊紀古亞洲洋盆(蒙古—鄂霍茨克洋)持續(xù)收縮關閉，古特提斯洋開始向北俯沖，基默里陸塊群開始從岡瓦納大陸北緣裂解，其南側的新特提斯洋開始擴張(圖1)(Scotese, 1997；Torsvik et al., 2002；王鴻禎等，2006)。塔里木、華北、揚子、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，兩者之間出現規(guī)模巨大的俯沖帶(Torsvik et al., 2002)。泛大陸330Ma 開始逐漸聚合形成，晚二疊世(約250Ma)規(guī)模達到最大，東緣出現新的洋殼。泛大陸聚合過程中，全球所有板塊并未同時聚合，一些大陸以裂谷分隔，分布在泛大陸的邊緣(Torsvik et al.,2002)。

3 板塊運動與俯沖帶發(fā)育、洋盆收斂的關系

本文制作了晚古生代(泥盆紀、石炭紀、二疊紀)全球板塊不同時間節(jié)點的古板塊造山帶再造圖及其運動軌跡圖(圖1～4)，提供了不同板塊的漂移軌跡，并考慮了它們在空間上運動的相容和諧和關系。在恢復古板塊位置的基礎上，增加了同期板塊運動邊界、古洋盆等構造制約，展示某個時間點全球的構造格局特征。通過分析單個板塊、陸塊的運動軌跡、以及不同板塊、陸塊之間的相對運動，可以獲得同一板塊前緣和后側的洋盆發(fā)育特點，并分析它們之間洋盆關閉的碰撞運動方式。

圖 4 泛大陸晚古生代聚合過程中不同板塊和陸塊運動軌跡示意圖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動趨勢，標有不同數值的板塊形態(tài)指示其當時的位置，虛線圓圈指示板塊匯聚中心。數據來源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°左右向北移動到南緯10°左右；北美板塊中心位置，由南緯20°左右向北移動到北緯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，晚石炭世到早二疊世(300Ma)移動到北緯75°，之后向南移動，250Ma左右移動到北緯60°左右位置。在440～250Ma期間，波羅地板塊中心位置由南緯50°左右向北運動到南緯10°左右；在380～260Ma期間，澳大利亞板中心位置由南緯5°左右向南運動到南極附近。440～250Ma期間，揚子陸塊一直在赤道附近移動，緯度變化較小。在380～340Ma期間，華北陸塊則體現為由北緯15°左右向赤道移動，到340～260Ma期間，又由赤道向北移動。綜上所述，在泛大陸聚合過程中，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動軌跡總體上具有順時針旋轉的趨勢，多個板塊呈順時針的漩渦式運動聚合。且在上述聚合過程中，板塊的匯聚中心在現在的中亞地區(qū)。板塊運動起點與終點之間的洋盆是持續(xù)變化的，其最終對接板塊與起點板塊位置無必然的對應關系。

3.1 俯沖帶位置遷移與板塊運動軌跡

板塊運動的前緣為俯沖帶發(fā)育的有利位置，如西伯利亞南緣早古生代開始出現俯沖帶，波羅的板塊東緣晚泥盆世開始出現俯沖帶等(圖1、圖2)。俯沖帶的長期發(fā)育，記錄了長期運動的板塊前緣與洋殼之間相對縮短作用的產物，具有明確的運動指示意義，它的方位大致垂直板塊運動軌跡，類似弓—箭幾何關系。

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)運動，并發(fā)生大幅度的順針旋轉(圖4)。隨著西伯利亞現今北緣泰梅爾洋盆的擴張(G?rz et al.， 2010), 在西伯利亞板塊運動的前緣(即現今其南側)，當時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動，圖瓦—蒙古俯沖帶持續(xù)后撤，并隨著西伯利亞板塊的順時針旋轉，旋轉超過120°(圖4)。晚古生代西伯利亞發(fā)生約6000km的北向漂移和長期的順時針旋轉，造成西伯利亞板塊運動的前緣(現今南緣)，長期發(fā)生與古亞洲洋殼俯沖相關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閉)。

與西伯利亞板塊南緣(現今位置)相對應，其北緣—東北緣從文德紀到三疊紀為被動陸緣盆地(Khudoley et al.，2003)，代表當時的西伯利亞板塊運動后緣的擴張洋盆。直到侏羅紀被東北亞地區(qū)左旋走滑斜沖構造帶疊加。志留紀—泥盆紀，西伯利亞相對波羅的板塊順時針轉動, 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，及其運動遷移具有風車狀順時針旋轉和持續(xù)后撤的特點。

在晚古生代泛大陸形成期間，勞俄板塊向北漂移，自轉并不明顯(Zemtsov，2007)，在其運動前方的烏拉爾洋內，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 晚古生代洋盆性質與閉合作用

晚古生代泛大陸聚合過程，主要涉及古亞洲洋、古特提斯洋和泛大洋的構造演化，以及其間多個小洋盆的張開—閉合過程，如萊茵洋、烏拉爾洋、突厥洋、準噶爾洋、索倫洋、秦嶺洋等?？傮w上，它們可以劃分為復雜洋盆和簡單洋盆兩類：1)復雜洋盆，具有漫長的地質演化歷史，可達數億年之久，處于多個板塊和陸塊之間，演化過程復雜，常涉及次級洋盆的張開和關閉，最終關閉過程漫長且復雜，并可能有殘留洋盆出現，涉及多個板塊和陸塊作用。如古亞洲洋形成于新元古代，洋內發(fā)育多個陸塊和島弧，直到侏羅紀才最終關閉；2)簡單洋盆，主要發(fā)育于兩個板塊或陸塊之間，張開—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，波羅的板塊側向上碰撞西伯利亞板塊，造成烏拉爾洋盆關閉，南阿紐伊洋持續(xù)到二疊紀。烏拉爾洋盆晚古生代長期為西伯利亞板塊與波羅的板塊之間的側向間隔的洋盆，兩側邊界可能以轉換斷層邊界為特征，隨著波羅的板塊由南半球跨越赤道向北半球中緯地區(qū)的運動，并伴隨著順時針旋轉，在波羅的板塊當時的南側出現亞匹特斯洋盆擴張，在當時北側則出現烏拉爾洋盆向波羅的板塊之下的俯沖的現象。石炭紀，西伯利亞板塊相對波羅的板塊順時針轉動，塔里木陸塊相對波羅的板塊反時針轉動，形成哈薩克斯坦山彎，南烏拉爾造山帶構造活動靜止(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，隨著這兩個板塊向北運動并且發(fā)生順時針運動，洋盆以擴張為主，塔里木陸塊后緣的南天山洋擴張，隨著塔里木陸塊運動而持續(xù)擴張，到古生代末期開始收斂和俯沖。早奧陶世(480Ma)，塔里木板塊由向南運動轉為向北運動, 指示強烈的板塊聚合事件。早泥盆世—早二疊世期間，塔里木板塊發(fā)生順時針旋轉67°(朱日祥等，1998)，對應于天山洋盆的關閉—碰撞造山事件(Chen Chuming et al.，1999)。

綜上所述，泛大陸聚合過程中，洋盆的歷史并非威爾遜旋回所概括的那樣簡單，洋盆初始發(fā)育也可以來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。板塊運動可能是決定洋盆發(fā)育的重要原因，而非洋盆發(fā)育的結果。

4 典型碰撞造山帶的構造運動分析

分析單個板塊(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)晚古生代的運動學特征以及不同板塊間的相對運動，可以得出在泛大陸聚合過程中，至少出現四種碰撞造山作用：追尾式碰撞、側向式碰撞、錯車式碰撞、擁堵式碰撞。

4.1 追尾式碰撞

不同板塊同向運動過程中，板塊運動出現速度的差異，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為追尾式碰撞。由于碰撞板塊之間相對運動的速率較小，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角速度對比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—泥盆紀期間，岡瓦納北側(現今北非)為被動大陸邊緣，萊茵洋內發(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閉和構造反轉。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，開始收縮，直到關閉(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)。岡瓦納被動陸緣石炭紀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)，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)順時針旋轉相關(Visser et al.，1998；Shelley and Bossiere , 2000)。兩者碰撞后，二疊紀持續(xù)向北運動。萊茵洋與亞匹特斯洋、通奎斯特洋互為消長。

在石炭紀末，萊茵洋盆向北俯沖關閉，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。岡瓦納大陸石炭紀北向漂移持續(xù)提速(Torsvik et al.，2010)，達到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，二疊紀初又減速。勞倫大陸志留紀—石炭紀發(fā)生大幅度順時針旋轉、岡瓦納大陸發(fā)生大幅度反時針旋轉，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—早石炭世期間，處于南半球的高緯地區(qū)，并且發(fā)生大幅度順時針旋轉，并且運動方向由向南漂移，轉變?yōu)橄虮逼?。在晚古生代岡瓦納大陸向北運動過程中，在其西南緣出現Terra Australia造山帶(Murphy et al.，2010)，記錄了太平洋板塊對岡瓦納大陸的俯沖作用。

在晚古生代，華北陸塊北緣與阿穆爾陸塊之間出現索倫洋，兩個陸塊持續(xù)在向北運動過程中，華北陸塊與阿穆爾陸塊發(fā)生追尾式碰撞，造成兩者之間的索倫洋盆相向俯沖，發(fā)生洋盆關閉和陸塊碰撞。

4.2 側向式碰撞

兩個板塊運動軌跡大角度交叉，則會發(fā)生側向碰撞，如在晚泥盆世—早二疊世，波羅的板塊向北運動過程中與相對靜止的哈薩克斯坦板塊和向東北運動的西伯利亞板塊先后發(fā)生側向碰撞。中泥盆世，波羅的板塊東緣開始出現薩克馬爾(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，并伴隨有左旋走滑剪切變形(Metelkina et al. 2005)。側向碰撞具有不可預見性和偶然性。晚古生代期間，西伯利亞與波羅的板塊之間的洋盆發(fā)育顯示復雜的關系。

塔里木陸塊與哈薩克斯坦板塊碰撞，也具有側向式碰撞特點，島弧雜巖帶大幅度彎曲形成馬蹄形構造。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)調于中亞造山帶弧形構造系，也支持波羅的板塊側向碰撞的解釋。西伯利亞板塊早古生代轉動并不明顯, 到石炭紀—二疊紀，西伯利亞板塊開始順時針旋轉(Smethurst et al., 1998)，推測與波羅的板塊由南向北運動的側向碰撞造成的干擾相關(圖6)。波羅的板塊對西伯利亞板塊南緣俯沖帶的發(fā)育影響不大，也支持側向碰撞的解釋。

西伯利亞板塊晚古生代大幅度旋轉，開始于它與波羅的板塊之間在北極區(qū)的點碰撞(Golonka et al.，2003)，支點的形成造成大幅度旋轉，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 錯車式碰撞

錯車式碰撞是指，兩個板塊或陸塊，以同向或者相向交錯運動，在其側翼發(fā)生走滑—斜向式聚合。錯車式碰撞發(fā)生于相關板塊和陸塊非主導的板塊邊界上，如板塊或陸塊側翼，明顯具有造山帶構造屬性模糊的特點和碰撞造山作用偶然的性質，缺乏高峰期造山運動。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式碰撞，它們具有方向相反的旋轉運動，塔里木板塊早泥盆世—早二疊世發(fā)生順時針旋轉，旋轉角度約為67°(朱日祥等，1998)。自晚二疊世到早侏羅世期間, 華北板塊有39°的逆時針旋轉(任收麥等，2002)。晚石炭世至晚二疊世, 塔里木陸塊古緯度無明顯變化, 但磁偏角發(fā)生順時針變化，表明塔里木陸塊體以順時針旋轉調整它與華北等陸塊之間的拼合過程(朱日祥等，1998)。兩者的側翼在二疊紀開始在走向上發(fā)生斜向錯接，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—侏羅紀，華北陸塊相對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—二疊紀兩者的古緯度已經接近，說明兩地塊間的對接和縫合在侏羅紀以錯動式完成。上述運動方式，對應于目前兩者的拼合關系，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，當時是以轉換斷層為界分隔的小陸塊，類似現今印度—澳洲板塊與阿拉伯板塊之間構造關系，難以出現大規(guī)模的洋盆閉合，但可以有走滑—斜沖的構造變形帶發(fā)育。

4.4 擁堵式碰撞

擁堵式碰撞指多個大板塊之間匯聚區(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例(Wilhem et al.，2012)，并伴隨大規(guī)模的構造旋轉和晚期走滑變形。

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、卡拉庫姆陸塊、阿穆爾陸塊等多個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)，出現于西伯利亞板塊周圍，多呈喇叭狀，顯示了西伯利亞板塊順時針的旋轉趨勢。

晚古生代在多個板塊持續(xù)向北運動匯聚背景下，各板塊運動又有差異，西伯利亞板塊向南南東運動、波羅的板塊向北東運動、塔里木板塊向東運動、哈薩克斯坦板塊向北運動(圖4)。這些板塊和陸塊在石炭紀發(fā)生構造匯聚，在石炭紀，哈薩克斯坦板塊首先與波羅的板塊碰撞，二疊紀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)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，多島弧間小洋盆構造格局結束，達拉布特洋盆、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角速度對比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)生構造調整(縮短或者走滑作用)(Seng?r et al.，1996)，導致被動成陸或被動造山。準噶爾—巴爾喀什洋盆通過緊閉山彎兩側的雙向俯沖在中石炭世—早二疊世被迫關閉。

普遍認為，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?！厦晒叛笈韪_、烏拉爾—泰梅爾洋盆擴張和突厥洋盆俯沖共同作用的產物(Buslov et al., 2004；G?rz et al, 2010；Levashova et al., 2008)。馬蹄形構造形成于西伯利亞板塊晚古生代大規(guī)模順時針旋轉的構造背景下。志留紀到泥盆紀，西伯利亞板塊相對波羅的板塊順時針轉動形成阿勒泰和烏拉爾島弧。石炭紀，西伯利亞板塊相對波羅的板塊順時針轉動，塔里木陸塊相對波羅的板塊逆時針轉動，在哈薩克斯坦形成山彎構造，南烏拉爾造山帶構造活動靜止，代表板塊先對接位置，北段發(fā)育南阿紐伊洋盆(G?rz et al., 2010； Stampfli et al., 2002)。準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°順時針轉為59.4°(萬天豐等， 2007)。

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

馬蹄形構造的形成與增生—碰撞構造(島弧)后期構造變形相關，即與波羅的板塊相對西伯利亞板塊漂近、旋轉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)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針旋轉，導致島弧帶平面上發(fā)生大幅度旋轉(180°)(Levashova et al.，2008)。

如果不考慮后期走滑，認為塔里木與西伯利亞之間未經歷強烈的褶皺縮短作用，馬蹄形代表其原始島弧形態(tài)的話，馬蹄形構造的現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，馬蹄形構造是多板塊之間構造調節(jié)作用的必然產物。

5 主要認識與結論

(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程。泛大陸是板塊動態(tài)演化的結果，代表了板塊在此時達到了最大面積，但并不是靜止狀態(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)律的運動特點，持續(xù)向北半球匯聚，并具有順時針轉動趨勢。運動板塊的前緣常出現俯沖帶，后緣出現擴張洋盆。而板塊運動顯示運動軌跡多變的特點，碰撞拼合方式復雜，與洋盆消亡不完全對應，板塊之間的匯聚具有被動特點，受相關的大洋盆演化所控制，如古亞洲洋、古特提斯洋等。

(3)泛大陸聚合過程中，至少出現四種碰撞造山作用：① 追尾式碰撞：不同板塊同向運動過程中，板塊運動出現速度的差異，如前方板塊速度慢于后方板塊，則會造成其間洋盆逐漸收斂—關閉，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運動的速率較小，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 側向式碰撞：兩個板塊運動軌跡大角度交叉，發(fā)生側向碰撞，如波羅的板塊向北運動過程中與向東北運動的西伯利亞板塊碰撞，造成烏拉爾洋盆閉合，形成狹長的烏拉爾造山帶。塔里木陸塊與哈薩克斯坦板塊碰撞，也具有側向式碰撞特點，島弧雜巖帶大幅度彎曲形成馬蹄形構造。③ 錯車式碰撞：兩個板塊或陸塊，以同向或者相向交錯運動，在其側翼發(fā)生走滑—斜向式聚合。如塔里木和華北板塊轉動方向相反，在側翼出現斜向對接，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，以廣泛出現島弧增生和殘余洋盆為特征，如中亞造山帶。