傅臣建，李江海，毛 翔

北京大學地球與空間科學學院，造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871

1 引 言

關于塔里木陸塊早二疊世的古位置重建問題，之前所能做的就是恢復其緯度，即通過板塊重建（130Ma之前）唯一的定量方法——古地磁方法，來計算其緯度值.而單個古地磁數(shù)據(jù)不能給出經(jīng)度值，僅能通過一些地質(zhì)記錄（如構造事件、古生物等）來判斷板塊間的相對位置.本文嘗試一種新方法——“幔源法（The Plume Generation Zone（PGZ）method）［1－5］”，來定量地討論塔里木陸塊早二疊世的經(jīng)度.

早二疊世塔里木陸塊的特殊之處在于，分布在現(xiàn)今塔里木盆地中西部地區(qū)的下二疊統(tǒng)大規(guī)模溢流玄武巖已被確定為大火成巖?。↙arge Igneous Province，LIP）［6－12］.且板內(nèi)環(huán)境的火成巖巖石地球化學特征、巖漿作用強烈活動中心與沉積剝蝕區(qū)的一致性、巨量大陸溢流玄武巖短時間內(nèi)的噴發(fā)、二疊紀基性巖墻群的發(fā)育、巖墻作用之后的酸性巖漿侵入、盆內(nèi)高鎂的超鎂鐵質(zhì)巖與超基性巖（與核幔邊界D″層有關）、高鉭（Ta）的侵入巖與塔北玄武巖等眾多證據(jù)支持早二疊世塔里木之下存在一源自核幔邊界的地幔柱［10］.

幔源法理論［1－5］建立了地幔柱的核幔邊界源頭（地球深部）與大火成巖?。ǖ乇恚┑年P系來確定板塊的經(jīng)度.恢復全球300Ma以來所有大火成巖省的噴發(fā)點，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)柯湓诤酸＿吔绲卣鸩ǖ退賻У倪吘?，暗示大火成巖省的源頭——地幔柱生成帶（PGZ）活躍于低速帶邊緣.核幔邊界低速帶由兩大LLSVPs（Large Low Shear Velocity Provinces；分別位于現(xiàn)今非洲、太平洋板塊之下）和單獨分布、規(guī)模較小的 LSVPs（Low Shear Velocity Provinces）組成（圖1），相對熱而致密.不僅大火成巖省具有上述分布特征，金伯利巖［4］和現(xiàn)今仍活躍中的幔源熱點［13］也具有同樣的分布特征，暗示了核幔邊界低速帶至少固定了3億年（甚至很可能達到5.4億年［4］），即使有略微變動，與板塊漂移的速率相比也可忽略不計［3，13－14］，這就為古板塊重建提供了一個絕對參考系.

泛大陸（Pangea）的絕對位置（經(jīng)、緯度）已通過各種參考系的互補和校正而得到了確定，而那些離散分布于泛大陸主體之外的陸塊仍得不到定量的經(jīng)度制約［15］，如中國的大小陸塊.二疊紀華南板塊不屬于泛大陸，其經(jīng)度無定量約束［3，16－17］，幔源法給出一個結果：峨眉山大火成巖?。s258Ma）經(jīng)古地磁制約緯度約4°N，若其源自核幔邊界，唯一可能的位置是太平洋LLSVP的西邊緣，沿4°N平移限制其經(jīng)度約140°E［3］.同樣，早二疊世塔里木陸塊的經(jīng)度也未定量確定［16－17］，故本文利用幔源法并基于塔里木大火成巖省源自核幔邊界的假設，來討論其噴發(fā)時的古位置（初始噴發(fā)年齡約290Ma［8，12，18－19］），最終獲得的重建結果暗示了假設的合理性.

2 地質(zhì)背景

大地構造上，塔里木陸塊在二疊紀與哈薩克斯坦匯聚［20］，且海洋腕足類的共同出現(xiàn)也證明它們在早二疊世相鄰［17］，更有學者提出兩者至少在石炭紀就已經(jīng)開始匯聚［21－22］.根據(jù)地質(zhì)年代學證據(jù)，早二疊世是塔里木與哈薩克斯坦之間B型俯沖結束而向A型俯沖造山作用發(fā)展的過渡階段［23］.古地磁證據(jù)也證明，塔里木、西伯利亞、波羅的三陸塊匯聚，導致夾于三者中間的哈薩克斯坦東南邊緣的一處中泥盆世為直線型的島弧經(jīng)石炭－二疊紀后被擠壓成“U”型，該過程從石炭紀早期甚至泥盆紀末就已經(jīng)開始［22，24］.且晚石炭世，哈薩克斯坦與波羅的也已碰撞［25］.

區(qū)域地質(zhì)上，巴楚是塔里木盆內(nèi)出露超基性、基性及酸性侵入巖巖墻最多的地區(qū)，代表這一地區(qū)強烈的巖漿作用，很可能是整個塔里木大火成巖省的巖漿作用中心，同時沉積記錄也表明了這一點［26］.若根據(jù)巴楚地區(qū)中二疊世抬升剝蝕范圍（38.7°N—40°N，78.5°E—80.5°E）［26］判斷大火成巖省的噴發(fā)中心，利用幔源法重建古位置的誤差應約為2°（緯、經(jīng)度）.前人研究建議，重建大火成巖省噴發(fā)中心的誤差至少約5°［3］.故本文的重建誤差設為5°.

3 塔里木陸塊早二疊世的經(jīng)度

3.1 塔里木大火成巖省與LLSVPs

在討論經(jīng)度之前，我們首先用古地磁數(shù)據(jù)（表1）來限制塔里木陸塊早二疊世（目前沒有年齡精確到290Ma的數(shù)據(jù)）的緯度.表1數(shù)據(jù)中a、b、f采樣巖性包含火山巖，d完全采自玄武巖，故數(shù)據(jù)a、b、d、f計算出的古緯度更能代表塔里木大火成巖省噴發(fā)時的緯度.結果表明，其早二疊世緯度在22.2°N—29.6°N之間（統(tǒng)一到參考點39°N，80°E），考慮到95%置信誤差（A95）則為17.6°N—33.6°N（表1）.且早二疊世可認為未受到真極移影響［27］.

表1 塔里木陸塊下二疊統(tǒng)古地磁數(shù)據(jù)Table 1 Lower Permian paleomagnetic data of the Tarim Block，NW China

核幔邊界低速帶已由多個地震波速度異常模型［33－41］獲得，這里首先選擇 Torsvik等［1－4，13－14］慣用的SMEAN模型［35］－1%波速等值線（圖1）進行塔里木大火成巖省290Ma經(jīng)度的討論.

理論上，根據(jù)單個古地磁極重建的塔里木可以在任何經(jīng)度位置上.參考點（39°N，80°E）早二疊世緯度范圍（17.6°N—33.6°N）與SMEAN模型－1%等值線有5處相交或相切的位置（圖1），即若塔里木大火成巖省源自核幔邊界，其噴發(fā)位置有這5種可能性.但290Ma泛大陸主體部分（包括北美、格陵蘭、波羅的、南美、非洲等陸塊）已被確定處于非洲LLSVP之 上［3，14－15］，故 排 除 當 時 塔 里 木 處 在 非 洲LLSVP邊緣之上的3種可能性（圖1）.

圖1 290Ma泛大陸背景下塔里木陸塊的緯度范圍限定及經(jīng)度選擇塔里木陸塊內(nèi)粉色線圈定現(xiàn)今殘留大火成巖省范圍，黑點為參考點（現(xiàn)今39°N，80°E）；2條白虛線限定參考點緯度范圍（17.6°N—33.6°N）；據(jù)Global Hybrid參考系［15］重建290Ma泛大陸；2750km深橫波速度異常自SMEAN模型［35］，粗紅線為－1%波速等值線；低速帶部分用間隔為0.1的等值線顯示－2.5至0的dVS（%）值；其余陸塊未作重建；Mollweide投影.使用GMT［42］軟件制圖.Fig.1 Paleomagnetically determined latitudinal limits of the ca.290Ma Tarim Block（present-day reference point 39°N，80°E），and its likely eruption site choices near the edges of the LLSVPs and even LSVPsThe current remnant distribution of the Tarim Large Igneous Province is outlined in pink.The reference point is shown as a black dot whose Early Permian latitude is limited by two white stippled lines.The 290Ma Pangea is reconstructed with the Global Hybrid reference frame method［15］.The background shear wave velocity anomalies near the CMB （2750km depth）is the SMEAN tomographic model［35］.The red thick line is the 1%slow contour.The whole low shear wave velocity areas are shown with 0.1%contour intervals.The velocity contours range from 0at the outer contour to－2.5%at the inner contour.Other plates aren′t reconstructed here.Mollweide projection.It′s imaged using GMT［42］.

剩下與太平洋LLSVP相關的2種可能性，考慮到與現(xiàn)今位置的距離以及現(xiàn)今板塊的運動速率，塔里木大火成巖省噴發(fā)時最可能處于太平洋LLSVP的西邊緣之上（圖1）.該位置與現(xiàn)今位置的大圓距離（球面上最短點間距）約7780km（以39°N，80°E為參考點，下同），這段距離至少需要2.7cm／a的平均速率才能讓塔里木陸塊從早二疊世運移到現(xiàn)今位置.若塔里木大火成巖省源自太平洋LLSVP的東邊緣（圖1），其與現(xiàn)今位置的大圓距離在11200～11950km之間，需至少3.9～4.2cm／a的平均速率.似乎這些速率值都在現(xiàn)今正常板塊漂移速率范圍（最大板塊擴張速率約為15.4cm／a，位于現(xiàn)今31.02°S，111.92°W［43］）內(nèi)，但板塊不可能總是沿著大圓圓弧漂移，實際過程復雜多變，所以如果早二疊世塔里木陸塊位于太平洋LLSVP邊緣之上，其漂移到現(xiàn)今位置所需的實際平均速率要大得多.再 嘗 試 Torsvik 等［4，13－14］常 用 的 CASTLE［33］和KUO［34］模型，早二疊世的塔里木同樣最可能與太平洋LLSVP西邊緣相關.將290Ma的塔里木大火成巖省置于太平洋LLSVP西邊緣（SMEAN－1%等值線），得到其經(jīng)度約158°E（圖1）.

但是，根據(jù)第2部分大地構造背景，158°E是否正確，取決于當時哈薩克斯坦的規(guī)模.哈薩克斯坦早二疊世的確切規(guī)模雖仍未確定，但即便其規(guī)模比現(xiàn)今大，也不可能有超過10000km的跨度（圖1中塔里木與波羅的距離），所以，上述經(jīng)度結果158°E不能與前人的地質(zhì)結論相吻合.

3.2 塔里木大火成巖省與LSVP

通過上述推理可以斷定：塔里木大火成巖不可能與SMEAN模型－1%等值線圈定的兩大LLSVPs相關.因此就有兩種可能性：（1）塔里木大火成巖省并非源自核幔邊界；（2）塔里木大火成巖省源自核幔邊界，但現(xiàn)今的波速異常模型尚未能分辨出其核幔邊界低速帶位置.

前人研究表明，西伯利亞大火成巖省與SMEAN模型的－1%波速等值線也沒有關聯(lián)，而其下存在一個單獨分布的、比LLSVPs規(guī)模小的LSVP［13］.觀察SMEAN模型的2850～2450km深處橫波速度異常（圖1，2）可以發(fā)現(xiàn)：在非洲LLSVP的東側(cè)附近有一處dVS≈－0.4%的LSVP（20°N，60°E），規(guī)模比其北邊的與西伯利亞大火成巖省相關的LSVP（dVS＝－0.5%［1］）要小，正好處在塔里木（參考點39°N，80°E）早二疊世可能所處緯度（17.6°N—33.6°N）范圍內(nèi)，且沒有被290Ma泛大陸所覆蓋.將塔里木（39°N，80°E，該點位于巴楚地區(qū)）放在該LSVP之上（圖1），與上述前人的地質(zhì)結論完全沒有沖突.若塔里木大火成巖省來自核幔邊界，該LSVP就是其幔源的唯一可能.

3.3 （20°N，60°E）之下的LSVP

3.3.1 SMEAN模型其它深度波速異常

不僅2750km深處的橫波速度異常（圖1，2）指示（20°N，60°E）之下存在LSVP，2850～2450km深度都顯示290Ma塔里木應位于該低速帶之上（圖2）.核幔邊界低速帶通常至少有500km的海拔（以核幔邊界為水平面）［44－45］，因此若2800km 深度的低速帶固定了3億年［3，13－14］，2850～2450km 深度3億年來也不應有所變動，由這幾個深度的現(xiàn)今低速異常分布仍具有很好的上下對應關系（圖2）即可看出.似乎當時的塔里木之下存在一低速高溫柱狀體.

3.3.2 與其它地震波速異常模型的對比

雖然各種地震波速（包括橫波和縱波）異常模型［33－41］所用的原始數(shù)據(jù)庫和計算方法有所不同，但都在（20°N，60°E）區(qū)域之下的2900～2000km深度范圍有明顯的低速柱狀體的存在（圖3）.圖3從2800km深度水平切片和20°N縱向剖面綜合展示了最新模型成果，并與本文塔里木290Ma重建進行對比.每個模型都顯示，在非洲LLSVP和太平洋LLSVP之間存在唯一一處明顯的橫向尺度超過1000km，海拔超過500km（以其底部深度為水平面）的LSVP，且 本 文 給 出 的60°E位 置（圖3和圖1）都合理地與該LSVP相對應.個別模型（SAW24B16［36］和 TX2011［37］）中，塔里木大火成巖省沒有對應2800km深水平切片低速帶邊緣，但從剖面上就可以理解：該低速帶在2800km深處范圍很小，而在2000～2700km深度出現(xiàn)明顯大范圍的低速帶.其余模型在2800km深度水平切片和20°N縱向剖面上與290Ma的塔里木都合理匹配.

圖2 早二疊世塔里木大火成巖省的唯一可能幔源（20°N，60°E）底圖是2850至2450km深度的SMEAN橫波速度異常模型［35］.Fig.2 Only possible alternative as the plume generation zone of the～290Ma Tarim LIP （20°N，60°E）The background shear wave velocity anomalies（2850to 2450km depth）is the SMEAN model［35］.

圖3 各種地震層析成像模型與本文重建的290Ma塔里木陸塊位置對比6個橫波［36－41］和2個縱波［39，41］波速異常模型的平面圖位于2800km深度；剖面位于20°N緯線，顯示下地幔（670～2900km深度）異常，低速帶以間隔為0.1的等值線顯示－1.0至－0.4（僅HMSL-P06模型至－0.2）的dV（%）值.通過古地磁數(shù)據(jù)［47］來限定哈薩克斯坦二疊紀位于約30°N，其板塊大小是根據(jù)現(xiàn)今已知的構造縫合帶和古生物資料劃分［17］的一個近似三角形區(qū)域.地震數(shù)據(jù)自美國地震學研究聯(lián)合會（IRIS）網(wǎng)站（www.iris.edu／dms／products／emc／models／）.Fig.3 290Ma（Early Permian）reconstruction of the Tarim Block during the Pangea assembly is plotted above the horizontalslices of 6different S-wave velocity anomaly models and 2different P-wave velocity anomaly models at ca.2800km depth 20°N profile of each tomography model，showing the seismic velocity anomaly of the lower mantle（670～2900km），is put below the horizontal slice map with the same longitudinal extent.The whole low shear wave velocity areas are shown with 0.1%contour intervals.The velocity contours range from －0.4% （－0.2%for only HMSL-P06）at the outer contour to －1.0%at the inner contour.A paleomagnetic data published［47］from North Tianshan positions Kazakhstan at ca.30°N in the Permian.The margins of Kazakhstan，delimited by the sutures and faunal data today［17］，form a triangle-shaped tectonic domain.The tomography data is from the IRIS website（www.iris.edu／dms／products／emc／models／）.

其它未在文中展示的模型與上述結果一致，如MITP08縱波異常模型［46］.根據(jù)不同橫波模型和縱波模型得出的相同結果，本文認為（20°N，60°E）之下的LSVP是存在的，此結論不依賴于某個特定模型.

4 與前人古板塊重建的比較

Golonka［48］的顯生宙全球古地理重建圖中第14圖幅（296～285Ma），緯度上，本文與其塔里木重建一致.而對于泛大陸主體，緯度和經(jīng)度都有5°以上的差別，因為與本文參考的泛大陸重建［15］相比，Golonka［48］未進行100Ma之前的真極移校正.Blakey［49］的顯生宙全球古地理圖中的晚石炭世（310～300Ma）幅，塔里木的緯度以及其與哈薩克斯坦的相對位置與本文的重建無矛盾，且中二疊世（270～260Ma）圖幅的塔里木較晚石炭世圖幅向北漂移了幾個緯度.Cocks和Torsvik［50］也給出了約300Ma塔里木陸塊古位置，與本文結果相比，其緯度高大約4°，但也在本文計算出的早二疊世（17.6°N—33.6°N）范圍（參考點39°N，80°E）內(nèi)，所以無沖突；其經(jīng)度無定量制約，但其塔里木和哈薩克斯坦相對的邊緣仍為被動陸緣，與地質(zhì)年代學證據(jù)得出的結論“塔里木與哈薩克斯坦至晚泥盆世－石炭紀早期就已發(fā)生陸陸碰撞［23］”不符，而該地質(zhì)年代學結論與本文的重建相符.

經(jīng)度上，上述前人的塔里木重建皆無定量制約，僅考慮了與哈薩克斯坦的相對位置，這一點與本文的重建無矛盾.在泛大陸的絕對位置已確定［15］的基礎上，前人的早二疊世塔里木位置［48－50］都與20°N，60°E的LSVP鄰近，加之眾多事實支持塔里木大火成巖省的地幔柱成因，該LSVP很可能就是其幔源，而且在古緯度制約下合理的重建經(jīng)度范圍內(nèi)（考慮到當時哈薩克斯坦的規(guī)模）找不到任何其它核幔邊界低速帶的存在（圖1—3）.

5 結 論

（1）在塔里木大火成巖省源自核幔邊界且其下地幔柱是徑直延伸的假設之下，本文利用古地磁和幔源法，首次獲得了塔里木大火成巖省的噴發(fā)位置約為20°N，60°E.經(jīng)前人的地質(zhì)結論驗證，該方法應用于塔里木陸塊早二疊世（約290Ma）絕對位置的重建是有效而合理的.即使拋開假設和幔源法，僅基于古地磁與地質(zhì)資料，當時塔里木與20°N，60°E下核幔邊界低速帶的空間相關性，結合前人的地幔柱成因證據(jù)，暗示大火成巖省與該低速帶密切相關，即其很可能源自核幔邊界.

（2）290Ma塔里木重建位置與當時波羅的（泛大陸的東北部）之間有大約20°的經(jīng)向距離（20°N線上），且這一空間距離和現(xiàn)今劃分的哈薩克斯坦塊體范圍很接近，這樣也就定量地制約了早二疊世哈薩克斯坦的經(jīng)度范圍.

（3）基于本文對塔里木陸塊絕對位置的重建和前人對華南板塊、西伯利亞大火成巖省的位置恢復，如果塔里木、峨眉山和西伯利亞大火成巖省都源自核幔邊界，三者便噴發(fā)于不同的低速帶邊緣，即它們皆非同一幔源.而塔里木、西伯利亞大火成巖省的幔源可能皆為非洲LLSVP的分支.

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