早二叠世塔里木陆块的经度：来自大火成岩省的制约

傅臣建，李江海，毛 翔

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，北京 100871

1 引 言

关于塔里木陆块早二叠世的古位置重建问题，之前所能做的就是恢复其纬度，即通过板块重建（130Ma之前）唯一的定量方法——古地磁方法，来计算其纬度值.而单个古地磁数据不能给出经度值，仅能通过一些地质记录（如构造事件、古生物等）来判断板块间的相对位置.本文尝试一种新方法——“幔源法（The Plume Generation Zone（PGZ）method）［1－5］”，来定量地讨论塔里木陆块早二叠世的经度.

早二叠世塔里木陆块的特殊之处在于，分布在现今塔里木盆地中西部地区的下二叠统大规模溢流玄武岩已被确定为大火成岩省（Large Igneous Province，LIP）［6－12］.且板内环境的火成岩岩石地球化学特征、岩浆作用强烈活动中心与沉积剥蚀区的一致性、巨量大陆溢流玄武岩短时间内的喷发、二叠纪基性岩墙群的发育、岩墙作用之后的酸性岩浆侵入、盆内高镁的超镁铁质岩与超基性岩（与核幔边界D″层有关）、高钽（Ta）的侵入岩与塔北玄武岩等众多证据支持早二叠世塔里木之下存在一源自核幔边界的地幔柱［10］.

幔源法理论［1－5］建立了地幔柱的核幔边界源头（地球深部）与大火成岩省（地表）的关系来确定板块的经度.恢复全球300Ma以来所有大火成岩省的喷发点，发现它们全部落在核幔边界地震波低速带的边缘，暗示大火成岩省的源头——地幔柱生成带（PGZ）活跃于低速带边缘.核幔边界低速带由两大LLSVPs（Large Low Shear Velocity Provinces；分别位于现今非洲、太平洋板块之下）和单独分布、规模较小的 LSVPs（Low Shear Velocity Provinces）组成（图1），相对热而致密.不仅大火成岩省具有上述分布特征，金伯利岩［4］和现今仍活跃中的幔源热点［13］也具有同样的分布特征，暗示了核幔边界低速带至少固定了3亿年（甚至很可能达到5.4亿年［4］），即使有略微变动，与板块漂移的速率相比也可忽略不计［3，13－14］，这就为古板块重建提供了一个绝对参考系.

泛大陆（Pangea）的绝对位置（经、纬度）已通过各种参考系的互补和校正而得到了确定，而那些离散分布于泛大陆主体之外的陆块仍得不到定量的经度制约［15］，如中国的大小陆块.二叠纪华南板块不属于泛大陆，其经度无定量约束［3，16－17］，幔源法给出一个结果：峨眉山大火成岩省（约258Ma）经古地磁制约纬度约4°N，若其源自核幔边界，唯一可能的位置是太平洋LLSVP的西边缘，沿4°N平移限制其经度约140°E［3］.同样，早二叠世塔里木陆块的经度也未定量确定［16－17］，故本文利用幔源法并基于塔里木大火成岩省源自核幔边界的假设，来讨论其喷发时的古位置（初始喷发年龄约290Ma［8，12，18－19］），最终获得的重建结果暗示了假设的合理性.

2 地质背景

大地构造上，塔里木陆块在二叠纪与哈萨克斯坦汇聚［20］，且海洋腕足类的共同出现也证明它们在早二叠世相邻［17］，更有学者提出两者至少在石炭纪就已经开始汇聚［21－22］.根据地质年代学证据，早二叠世是塔里木与哈萨克斯坦之间B型俯冲结束而向A型俯冲造山作用发展的过渡阶段［23］.古地磁证据也证明，塔里木、西伯利亚、波罗的三陆块汇聚，导致夹于三者中间的哈萨克斯坦东南边缘的一处中泥盆世为直线型的岛弧经石炭－二叠纪后被挤压成“U”型，该过程从石炭纪早期甚至泥盆纪末就已经开始［22，24］.且晚石炭世，哈萨克斯坦与波罗的也已碰撞［25］.

区域地质上，巴楚是塔里木盆内出露超基性、基性及酸性侵入岩岩墙最多的地区，代表这一地区强烈的岩浆作用，很可能是整个塔里木大火成岩省的岩浆作用中心，同时沉积记录也表明了这一点［26］.若根据巴楚地区中二叠世抬升剥蚀范围（38.7°N—40°N，78.5°E—80.5°E）［26］判断大火成岩省的喷发中心，利用幔源法重建古位置的误差应约为2°（纬、经度）.前人研究建议，重建大火成岩省喷发中心的误差至少约5°［3］.故本文的重建误差设为5°.

3 塔里木陆块早二叠世的经度

3.1 塔里木大火成岩省与LLSVPs

在讨论经度之前，我们首先用古地磁数据（表1）来限制塔里木陆块早二叠世（目前没有年龄精确到290Ma的数据）的纬度.表1数据中a、b、f采样岩性包含火山岩，d完全采自玄武岩，故数据a、b、d、f计算出的古纬度更能代表塔里木大火成岩省喷发时的纬度.结果表明，其早二叠世纬度在22.2°N—29.6°N之间（统一到参考点39°N，80°E），考虑到95%置信误差（A95）则为17.6°N—33.6°N（表1）.且早二叠世可认为未受到真极移影响［27］.

表1 塔里木陆块下二叠统古地磁数据Table 1 Lower Permian paleomagnetic data of the Tarim Block，NW China

核幔边界低速带已由多个地震波速度异常模型［33－41］获得，这里首先选择 Torsvik等［1－4，13－14］惯用的SMEAN模型［35］－1%波速等值线（图1）进行塔里木大火成岩省290Ma经度的讨论.

理论上，根据单个古地磁极重建的塔里木可以在任何经度位置上.参考点（39°N，80°E）早二叠世纬度范围（17.6°N—33.6°N）与SMEAN模型－1%等值线有5处相交或相切的位置（图1），即若塔里木大火成岩省源自核幔边界，其喷发位置有这5种可能性.但290Ma泛大陆主体部分（包括北美、格陵兰、波罗的、南美、非洲等陆块）已被确定处于非洲LLSVP之 上［3，14－15］，故 排 除 当 时 塔 里 木 处 在 非 洲LLSVP边缘之上的3种可能性（图1）.

图1 290Ma泛大陆背景下塔里木陆块的纬度范围限定及经度选择塔里木陆块内粉色线圈定现今残留大火成岩省范围，黑点为参考点（现今39°N，80°E）；2条白虚线限定参考点纬度范围（17.6°N—33.6°N）；据Global Hybrid参考系［15］重建290Ma泛大陆；2750km深横波速度异常自SMEAN模型［35］，粗红线为－1%波速等值线；低速带部分用间隔为0.1的等值线显示－2.5至0的dVS（%）值；其余陆块未作重建；Mollweide投影.使用GMT［42］软件制图.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］.

剩下与太平洋LLSVP相关的2种可能性，考虑到与现今位置的距离以及现今板块的运动速率，塔里木大火成岩省喷发时最可能处于太平洋LLSVP的西边缘之上（图1）.该位置与现今位置的大圆距离（球面上最短点间距）约7780km（以39°N，80°E为参考点，下同），这段距离至少需要2.7cm／a的平均速率才能让塔里木陆块从早二叠世运移到现今位置.若塔里木大火成岩省源自太平洋LLSVP的东边缘（图1），其与现今位置的大圆距离在11200～11950km之间，需至少3.9～4.2cm／a的平均速率.似乎这些速率值都在现今正常板块漂移速率范围（最大板块扩张速率约为15.4cm／a，位于现今31.02°S，111.92°W［43］）内，但板块不可能总是沿着大圆圆弧漂移，实际过程复杂多变，所以如果早二叠世塔里木陆块位于太平洋LLSVP边缘之上，其漂移到现今位置所需的实际平均速率要大得多.再 尝 试 Torsvik 等［4，13－14］常 用 的 CASTLE［33］和KUO［34］模型，早二叠世的塔里木同样最可能与太平洋LLSVP西边缘相关.将290Ma的塔里木大火成岩省置于太平洋LLSVP西边缘（SMEAN－1%等值线），得到其经度约158°E（图1）.

但是，根据第2部分大地构造背景，158°E是否正确，取决于当时哈萨克斯坦的规模.哈萨克斯坦早二叠世的确切规模虽仍未确定，但即便其规模比现今大，也不可能有超过10000km的跨度（图1中塔里木与波罗的距离），所以，上述经度结果158°E不能与前人的地质结论相吻合.

3.2 塔里木大火成岩省与LSVP

通过上述推理可以断定：塔里木大火成岩不可能与SMEAN模型－1%等值线圈定的两大LLSVPs相关.因此就有两种可能性：（1）塔里木大火成岩省并非源自核幔边界；（2）塔里木大火成岩省源自核幔边界，但现今的波速异常模型尚未能分辨出其核幔边界低速带位置.

前人研究表明，西伯利亚大火成岩省与SMEAN模型的－1%波速等值线也没有关联，而其下存在一个单独分布的、比LLSVPs规模小的LSVP［13］.观察SMEAN模型的2850～2450km深处横波速度异常（图1，2）可以发现：在非洲LLSVP的东侧附近有一处dVS≈－0.4%的LSVP（20°N，60°E），规模比其北边的与西伯利亚大火成岩省相关的LSVP（dVS＝－0.5%［1］）要小，正好处在塔里木（参考点39°N，80°E）早二叠世可能所处纬度（17.6°N—33.6°N）范围内，且没有被290Ma泛大陆所覆盖.将塔里木（39°N，80°E，该点位于巴楚地区）放在该LSVP之上（图1），与上述前人的地质结论完全没有冲突.若塔里木大火成岩省来自核幔边界，该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模型其它深度波速异常

不仅2750km深处的横波速度异常（图1，2）指示（20°N，60°E）之下存在LSVP，2850～2450km深度都显示290Ma塔里木应位于该低速带之上（图2）.核幔边界低速带通常至少有500km的海拔（以核幔边界为水平面）［44－45］，因此若2800km 深度的低速带固定了3亿年［3，13－14］，2850～2450km 深度3亿年来也不应有所变动，由这几个深度的现今低速异常分布仍具有很好的上下对应关系（图2）即可看出.似乎当时的塔里木之下存在一低速高温柱状体.

3.3.2 与其它地震波速异常模型的对比

虽然各种地震波速（包括横波和纵波）异常模型［33－41］所用的原始数据库和计算方法有所不同，但都在（20°N，60°E）区域之下的2900～2000km深度范围有明显的低速柱状体的存在（图3）.图3从2800km深度水平切片和20°N纵向剖面综合展示了最新模型成果，并与本文塔里木290Ma重建进行对比.每个模型都显示，在非洲LLSVP和太平洋LLSVP之间存在唯一一处明显的横向尺度超过1000km，海拔超过500km（以其底部深度为水平面）的LSVP，且 本 文 给 出 的60°E位 置（图3和图1）都合理地与该LSVP相对应.个别模型（SAW24B16［36］和 TX2011［37］）中，塔里木大火成岩省没有对应2800km深水平切片低速带边缘，但从剖面上就可以理解：该低速带在2800km深处范围很小，而在2000～2700km深度出现明显大范围的低速带.其余模型在2800km深度水平切片和20°N纵向剖面上与290Ma的塔里木都合理匹配.

图2 早二叠世塔里木大火成岩省的唯一可能幔源（20°N，60°E）底图是2850至2450km深度的SMEAN横波速度异常模型［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］.

图3 各种地震层析成像模型与本文重建的290Ma塔里木陆块位置对比6个横波［36－41］和2个纵波［39，41］波速异常模型的平面图位于2800km深度；剖面位于20°N纬线，显示下地幔（670～2900km深度）异常，低速带以间隔为0.1的等值线显示－1.0至－0.4（仅HMSL-P06模型至－0.2）的dV（%）值.通过古地磁数据［47］来限定哈萨克斯坦二叠纪位于约30°N，其板块大小是根据现今已知的构造缝合带和古生物资料划分［17］的一个近似三角形区域.地震数据自美国地震学研究联合会（IRIS）网站（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与上述结果一致，如MITP08纵波异常模型［46］.根据不同横波模型和纵波模型得出的相同结果，本文认为（20°N，60°E）之下的LSVP是存在的，此结论不依赖于某个特定模型.

4 与前人古板块重建的比较

Golonka［48］的显生宙全球古地理重建图中第14图幅（296～285Ma），纬度上，本文与其塔里木重建一致.而对于泛大陆主体，纬度和经度都有5°以上的差别，因为与本文参考的泛大陆重建［15］相比，Golonka［48］未进行100Ma之前的真极移校正.Blakey［49］的显生宙全球古地理图中的晚石炭世（310～300Ma）幅，塔里木的纬度以及其与哈萨克斯坦的相对位置与本文的重建无矛盾，且中二叠世（270～260Ma）图幅的塔里木较晚石炭世图幅向北漂移了几个纬度.Cocks和Torsvik［50］也给出了约300Ma塔里木陆块古位置，与本文结果相比，其纬度高大约4°，但也在本文计算出的早二叠世（17.6°N—33.6°N）范围（参考点39°N，80°E）内，所以无冲突；其经度无定量制约，但其塔里木和哈萨克斯坦相对的边缘仍为被动陆缘，与地质年代学证据得出的结论“塔里木与哈萨克斯坦至晚泥盆世－石炭纪早期就已发生陆陆碰撞［23］”不符，而该地质年代学结论与本文的重建相符.

经度上，上述前人的塔里木重建皆无定量制约，仅考虑了与哈萨克斯坦的相对位置，这一点与本文的重建无矛盾.在泛大陆的绝对位置已确定［15］的基础上，前人的早二叠世塔里木位置［48－50］都与20°N，60°E的LSVP邻近，加之众多事实支持塔里木大火成岩省的地幔柱成因，该LSVP很可能就是其幔源，而且在古纬度制约下合理的重建经度范围内（考虑到当时哈萨克斯坦的规模）找不到任何其它核幔边界低速带的存在（图1—3）.

5 结 论

（1）在塔里木大火成岩省源自核幔边界且其下地幔柱是径直延伸的假设之下，本文利用古地磁和幔源法，首次获得了塔里木大火成岩省的喷发位置约为20°N，60°E.经前人的地质结论验证，该方法应用于塔里木陆块早二叠世（约290Ma）绝对位置的重建是有效而合理的.即使抛开假设和幔源法，仅基于古地磁与地质资料，当时塔里木与20°N，60°E下核幔边界低速带的空间相关性，结合前人的地幔柱成因证据，暗示大火成岩省与该低速带密切相关，即其很可能源自核幔边界.

（2）290Ma塔里木重建位置与当时波罗的（泛大陆的东北部）之间有大约20°的经向距离（20°N线上），且这一空间距离和现今划分的哈萨克斯坦块体范围很接近，这样也就定量地制约了早二叠世哈萨克斯坦的经度范围.

（3）基于本文对塔里木陆块绝对位置的重建和前人对华南板块、西伯利亚大火成岩省的位置恢复，如果塔里木、峨眉山和西伯利亚大火成岩省都源自核幔边界，三者便喷发于不同的低速带边缘，即它们皆非同一幔源.而塔里木、西伯利亚大火成岩省的幔源可能皆为非洲LLSVP的分支.

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