寒武纪全球板块构造与古地理环境再造

周肖贝 ，李江海 ，王洪浩 ，李文山

（1北京大学地球与空间科学学院造山带与地壳演化教育部重点实验室；2北京大学石油与天然气研究中心）

寒武纪（541.0～485.4 Ma）［1-2］不仅是罗迪尼亚（Roidinia）超大陆裂解结束、冈瓦纳（Gondwana）超大陆形成的时期，而且是埃迪卡拉（Ediacaran）软躯体生物向带硬骨骼生物转变并且迅速发展、分异和辐射的重要阶段。此时，因新元古代冰期结束，全球从“冰期”进入了温暖期，海平面普遍上升，中—晚寒武世全球普遍沉积碳酸盐岩，全球多个地区如塔里木、澳大利亚、西伯利亚等已在寒武系发现了油气。因此，寒武纪原型盆地的恢复及其岩相古地理的深入研究对于全球早期演化研究和能源勘探均具有重要意义。

前人对寒武纪全球古板块再造和岩相古地理开展了大量研究［3-15］，并且形成了不同系列的全球古板块再造、全球古气候、岩相古地理等图件，但这些图件多单一地去探讨关于古板块、古生物分布或岩相古地理等问题，而并未对不同圈层、不同事件加以综合考虑，因而缺乏在全球尺度上对寒武纪烃源岩的分布及构造背景、古环境等相互之间关系的讨论。

本文在板块构造、地幔柱、盆地分析等理论的指导下,依据最新的全球古地磁数据和区域地质资料等，对寒武纪全球古板块位置进行恢复，并结合前人资料绘制寒武纪（～520Ma）全球古板块再造图，以此探讨板块构造格局。然后对全球寒武纪沉积盆地地层进行分析，同时借助于油气地质数据库和资料，对早—中寒武世(530～510Ma)全球岩相古地理进行再造，并结合烃源岩数据及古生物证据，试图从不同圈层来探讨寒武纪的全球演化问题及其相互之间的联系。

1 寒武纪板块构造格局

基于全球古地磁数据库（GPMDB 4.6）［16］，结合2004年之后的全球寒武纪古地磁数据，依据V90标准［17］对品质因子Q≥3的古地磁数据进行筛选处理，采用“球面样条法”［18-19］，选择Q值为加权值，以300为样条的参数，对各个板块的视极移曲线进行拟合，选取摩尔维德投影方式，利用Gplate和GMAP等软件对寒武纪古板块位置进行恢复［20-21］，同时结合前人成果图件［3-15］对古板块位置进行校对和修正，并对古地磁数据较少的陆块（如塔里木陆块等）辅以地质资料的制约。通过结合前人关于大地构造、古地理和古生物等研究工作，选取520 Ma为时间节点，对全球寒武纪板块构造格局进行再造（图1）。

罗迪尼亚超大陆于新元古代开始裂解，到寒武纪时板块已较分散。寒武纪全球主要板块包括冈瓦纳超大陆、劳伦古陆、波罗的板块和西伯利亚板块等。冈瓦纳超大陆由众多板块汇聚而成，包括非洲板块（西北非、东北非和南非）、南美洲（包括亚马逊、巴拉那和科罗拉多）、阿拉伯板块、东南极板块、印度板块、马达加斯加板块、澳大利亚板块、塔里木陆块、拉萨地体和羌塘地体等，其边缘分布有阿瓦隆尼亚等小地体。劳伦古陆主要包括北美洲板块和格陵兰板块，其大部分地区寒武纪位于温暖的南半球热带和温带区域。西伯利亚为一独立的板块，位于劳伦古陆以东。波罗的板块位于西伯利亚以南，即现今的斯堪的纳维亚、东欧和欧陆俄罗斯。中国和东亚在当时均为众多小陆块，主要位于澳大利亚西部和北部。西欧也呈多个小陆块，大多位于现今北非海岸线的西北。此时的南极点位于西北非板块之上（图1）。

图1 寒武纪全球古板块分布图［3-15,22-29］

寒武纪的全球板块主要集中于南半球，北部为泛大洋。早—中寒武世，冈瓦纳超大陆快速向南漂移，波罗的、劳伦和西伯利亚逐渐向北漂移，众多板块均进行逆时针旋转，冈瓦纳超大陆漂移和旋转速率远远高于其他板块，劳伦和西伯利亚板块速率较低［6］。晚寒武世冈瓦纳超大陆开始缓慢向北漂移，并于奥陶纪开始顺时针旋转，而波罗的在此期间经历了短暂的向南漂移过程。劳伦和波罗的板块在寒武纪期间持续低速向北漂移和旋转，华北、华南等陆块在此期间也缓慢向北漂移［6］。劳伦古陆和波罗的板块之间为亚皮特斯洋，于600～580Ma开始张开［28］，其宽度可达3000km。普雷奥尼克洋张开于西伯利亚和波罗的之间［14-15］。冈瓦纳超大陆西缘的阿瓦隆尼亚地体，包括北美东部、纽芬兰、爱尔兰东南、英国、威尔士、比利时、荷兰和德国西北部，逐渐从冈瓦纳超大陆中裂离出来，并向波罗的斜向俯冲，与波罗的之间为通奎斯特洋［29-31］，其与冈瓦纳超大陆间发生裂谷作用，早奥陶世形成里菲洋［32］。

西非东部边缘与亚马逊克拉通、刚果—圣弗朗西斯科克拉通，因巴西利亚（Brasiliano）造山运动而于震旦纪聚集到一起［33］，构成了冈瓦纳超大陆西部造山带。540～530Ma时莫桑比克洋盆最终闭合，形成东非造山带［23］（图1），即冈瓦纳中部造山带［22］。 而后，沿着平贾拉（Pinjarra）造山带，印度与澳大利亚—东南极洲最终对接，形成Kunnga造山带［24］（图1），即冈瓦纳东部造山带［22］。西伯利亚附近于新元古代开始存在走滑断裂体系并一直持续到古生代［28］。新元古代晚期到中生代，西伯利亚与海洋之间的作用是相对较独立的，没有其他较大板块的参与。西伯利亚板块在早—中寒武世存在岛弧岩浆作用［27］，晚寒武世漂移到北半球，古生代晚期到达北半球高纬地区。澳大利亚Delamerian造山运动始于新元古代晚期，在古生代寒武纪一直持续，使得岛弧增生到冈瓦纳大陆边缘。澳大利亚中部乌卢鲁（Uluru）存在时间长达510Ma左右的大火成岩省，其下可能存在热点，延伸范围约400000km2［7］，澳大利亚北部和中部的大部分地区在寒武纪早期被溢流玄武岩覆盖，在中寒武世还有一些残存。塔斯马尼亚（Tasmania）地区有中寒武世蛇绿岩仰冲记录，表明该时期冈瓦纳大陆边缘存在岛弧的增生。

2 寒武纪古地理和岩相分布

寒武纪处于新元古代冰期和古生代晚奥陶世冰期之间，随着新元古代冰川的消融，寒武纪全球海平面不断升高，并在寒武纪末和奥陶纪初达到最高［34］，板块大部分被浅海覆盖（图2），全球主要为陆表海环境。寒武纪全球气候较温和，中寒武世温度相对较高［35］。全球气候带呈现出低梯度带的特征，干旱带分布范围较广［36］，这与此时温度的升高等环境变化呈现一定的关联性。

寒武纪的古地理格局与现今大为不同，对其重建主要综合了地质和生物证据。冰期时代，全球温度降低使得生物大量消亡，震旦纪生物主要为多细胞后生动物及小壳动物等简单生物，寒武纪时期地球上首次出现了带硬壳的动物。很多已知的寒武纪生物可在布尔吉斯页岩中发现，寒武纪生物以海生无脊椎动物为主，特别是三叶虫、低等腕足类和古杯动物，红藻、绿藻等开始繁盛。古杯动物作为底栖海洋生物出现于寒武纪生命大爆发早期，演化较快，地层中延续时间短［37］，主要出现在早寒武世，于中—晚寒武世逐渐消失。古杯动物一般生存于低纬度地区，诸如西伯利亚、北美、澳大利亚和东南极等地区（图2），它的存在可用于对寒武纪早期古地理环境进行界定。北美、华南、波罗的和澳大利亚等均有布尔吉斯页岩型生物群的分布［38-40］，华南澄江动物群和凯里生物群是当时海洋与海洋生物多样化及生态复杂化过程的见证及窗口［41］，它们共同反映了早期后生生物进化的过程，导致包括脊椎动物在内的现生动物各门类的诞生［42］。

图2 早—中寒武世全球古地理图［4,36,38-40,43］

劳伦古陆 寒武纪位于赤道附近温暖区域，其沉积具有环带特征，由内向外分别为北美地盾、河流相—浅海相砂岩沉积、浅海相碳酸盐岩沉积、深海相泥页岩沉积（图3）。内外侧由于盐度和温度的差异，生物也有所差别，通常外缘化石较丰富，分异程度更高。北美北部和格陵兰东部地区除沉积碳酸盐岩外还有碳酸盐岩与碎屑岩的混合沉积［44］。

西伯利亚 寒武纪为低纬地区单独的一板块，位于劳伦古陆和冈瓦纳超大陆之间，陆表海碳酸盐台地快速发展，由边缘趋于中心，碳酸盐岩沉积转变为蒸发岩（图3），并且偏中心地区火山活动相对较强，多具有火山岩夹层。

冈瓦纳超大陆 寒武纪超大陆边缘多被海水淹没，内部多为高地，中北部及两侧多以碳酸盐岩沉积为主，南部多以砂岩沉积为主（图3）。冈瓦纳超大陆的生物群最大，东南极和澳大利亚位于低纬度区，碳酸盐岩沉积较多。

澳大利亚 北部的Arafura-Money Shoal盆地寒武纪主要为浅海相碳酸盐岩沉积，但中部的Georgina盆地，寒武纪早期盆地北部为浅海相砾岩沉积，伴有火山活动，中寒武世普遍为浅海相环境，以碳酸盐岩沉积为主，夹杂砂岩和泥页岩沉积，部分地区烃源岩较有潜力，尤其是在盆地南部。南部的Amadeus盆地由寒武纪早期的冲积扇—三角洲砂砾岩沉积逐渐过渡到浅海相砂岩和碳酸盐岩沉积，处于伸展阶段［54］。

非洲 寒武纪非洲南部的沉积相对而言保留并不齐全。西北非靠近边缘处多为浅海相砂岩沉积，并夹杂一些碳酸盐岩和页岩，陆地内部多为河流—三角洲相砂砾岩沉积，整体为克拉通沉降环境。东北非早寒武世以陆相砂岩沉积为主，部分地区存在火山活动，但中—晚寒武世多转变为海相砂岩沉积，尤其是西部边缘。南非一般为河流相沉积，但也可见到浅海相碳酸盐岩的沉积，推断当时海平面不断上升。而位于高纬度的北非边缘有一些小块体，其古地理关系尚不清楚，这些小块体主要为现今的欧洲南部和北美洲东部的一部分，寒武纪主要为砂岩和页岩沉积，碳酸盐岩沉积很少或没有。

阿拉伯 西阿拉伯在寒武纪主要为陆相砂岩沉积，也夹杂海相碳酸盐岩沉积；扎格罗斯则以浅海相砂岩到局限台地白云岩沉积为主。阿曼盆地寒武纪早期为冲积扇砂岩沉积，晚寒武世北部为海相碳酸盐岩和泥页岩沉积，南部为陆相砂岩沉积［51，54］。

图3 寒武纪全球岩相古地理图及烃源岩分布图［45-54］

波罗的 与其他板块相比沉积特征较明显，寒武纪沉积主体为砂岩和页岩沉积，河流相、浅海相兼具，这可能与其纬度相对偏高有一定的联系。台地边缘多为浅海—深海相砂岩沉积并含有钙质泥岩，东部（现今方位）多为陆相砂岩，向西部沉积环境逐渐过渡。

中国 众多小陆块寒武纪几乎全被海水淹没，故以海相碳酸盐岩台地沉积为主，下寒武统以富含有机质的页岩、硅质岩等为主（比如在塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和南黄海盆地等），部分地区发育品位较高的磷矿层（如华南西部的昆阳磷矿等）。中寒武世塔里木全盆普遍沉积蒸发岩，表明其局部海平面有所下降，形成蒸发台地。

3 寒武纪烃源岩分布

寒武纪烃源岩在当时的四大板块 （包括冈瓦纳超大陆、劳伦古陆、西伯利亚板块和波罗的板块）以及中国陆块（包括华北、华南和塔里木陆块）中均有分布［50-53］（图3）。冈瓦纳超大陆上的烃源岩主要分布在澳大利亚和阿拉伯，这些烃源岩的形成多与被动陆缘、裂谷和克拉通内坳陷等构造背景下的海相环境有关［55］，主要为下寒武统富有机质黑色页岩和碳酸盐岩，多处于成熟—过成熟的状态，干酪根以Ⅰ型和Ⅱ型为主［56-59］，部分地区如波斯湾、塔里木和西伯利亚等发育中寒武统膏盐层，有利于油气的保存和封盖，从而烃源岩可与上覆碳酸盐岩储层和蒸发岩盖层构成较好的生储盖组合。目前西伯利亚、波罗的、阿拉伯、东北非、澳大利亚、塔里木和华南（四川盆地等）均已有油气的发现。

然而，寒武纪作为生命大爆发初期，由于生物种类的限制，烃源岩生烃母质也比较单一，主要为低等水生生物(藻类及浮游生物)。早寒武世大气圈具有高CO2含量与低O2含量的特征［60］，古气候以干热为主。加拿大、西伯利亚、波罗的、华南、塔里木和澳大利亚等板块的寒武系底部沉积物中均发现有含磷层，部分磷矿品位较高，说明一般主要分布在温带—热带地区的暖流区域。热带干燥区的赤道洋流辐散带，形成低温、富含营养盐的上升洋流，极有利于广阔范围内烃源岩发育。磷块岩成因主要取决于洋流上升带来的深水团中磷质化学沉淀所形成的胶磷矿含量，这些富有机质地层的沉积与海水热液相关，通过上升涌流将有机质带到浅海或者陆棚而沉积。磷块岩同时富含小壳动物化石，但其形成与生物体本身所提供的磷关系不密切［61］。

4 结 论

（1）寒武纪全球板块主要以冈瓦纳超大陆、劳伦古陆、西伯利亚板块和波罗的板块为主，它们多位于南半球，其中除冈瓦纳超大陆主要向南漂移外，其他板块主要向北漂移，且均为逆时针旋转。冈瓦纳超大陆西缘小地体逐渐裂离冈瓦纳超大陆，其内部的泛非期造山运动接近于尾声，在澳大利亚和东南极等地可见到规模相对较大的岩浆事件，冈瓦纳东缘多为岛弧环境火山岩。

（2）伴随着新元古代冰期结束，寒武纪整体处于海平面上升的时期，海侵范围增大，同时全球温度回升，寒武纪作为显生宙的开始，出现了生命的“大爆发”，小壳动物化石大量出现，代表了寒武纪早期生物矿化质及量的变化或骨骼动物爆发性辐射，多赋存于早期的页岩沉积中。三叶虫演化速度较快，可在全球范围形成对比，古杯类多见于早—中寒武世，晚寒武世趋于灭绝。寒武纪气候带梯度不高，干旱气候带广泛分布，下—中寒武统多蒸发盐岩。

（3）寒武纪，由于温度及海平面的上升，全球多为陆表海环境，碳酸盐岩沉积占主要地位。劳伦古陆具环带沉积特征，碳酸盐岩普遍发育于环带外侧。冈瓦纳超大陆则多集中于北部。西伯利亚板块早—中寒武世主要以巨厚的膏盐岩沉积为主，晚期仅为几百米厚的碳酸盐岩沉积，其整体处于被动陆缘沉积的构造背景，这促进了该板块中储层和盖层的发育。波罗的板块所处纬度偏高，主体为砂岩、页岩沉积。冈瓦纳超大陆南部亦如此，主要为砂岩沉积，东部边缘多火山活动，在中部的西侧边缘地区碳酸盐岩沉积和砂岩沉积物中一般有较好的油气和烃源岩。寒武纪烃源岩主要为下寒武统富有机质地层的黑色页岩沉积，中寒武统多具有大套膏盐层的分布，可以构成良好的生储盖组合，有利于油气的保存。

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