全球古地理重建模型的构建方法、比较与知识发现

侯章帅，樊隽轩，张琳娜，沈树忠

1.中国科学院南京地质古生物研究所，南京210008；2.中国科学技术大学，合肥230026；3.南京大学地球科学与工程学院，南京210023

关键字：深时数字地球；古地理；重建模型；古气候；应用

古地理（Paleogeography）这一名词首先出现在一篇名为“The Paleogeography of the North-American Continent”的论文中（Hunt，1873），含义为根据古生物化石研究地质历史时期的地理环境变迁。随着地质学各个领域的发展，近200年来涌现了多种古地理重建方法，这些方法基础数据的侧重点各有不同，如沉积物的分布特征、动植物化石群的组合、古气候信号、古地磁测量、海底的磁异常和断裂带的分析等。由于处理的数据量和应用的技术不同，古地理学可能是目前最复杂的地球科学学科之一（Meinhold and Şengör，2019）。

古地理学探索深时地球表面各种地理特征之间的关系，如深海盆地、浅海、滨岸带、河流系统、湖泊和山区等。重建的结果往往需要恢复到以板块构造为基础的地质历史时期的海陆位置之上，这会很大程度地影响对深时海洋环流模式、海洋化学条件、气候、生物演化以及矿产资源的形成和分布等诸多问题的认识（Müller et al.，2013；Goddéris et al.， 2014； Butterworth et al.， 2016；TorsvikandCocks，2016；Bruneetal.，2017；I’Anson et al.，2018）。因此，古地理研究对于更好地了解地球的演变、生命的演化以及探索自然资源的分布规律至关重要。

从大陆漂移到板块构造再到地幔对流，从固定论到活动论，古地理学研究正跨入深时数字建模的阶段。自20世纪70年代以来，一系列不同时间段的全球（Ziegler et al.,1977；Scotese and McKerrow,1990；Golonka and Ford,2000；Stampfli and Borel,2002；Gurnis et al.，2012；Seton et al.,2012； Müller et al.,2016； Merdith et al.,2017；Young et al.,2019） 或区域 （Belasky et al.,2002；Metcalfe,2002， 2013； Cocks and Torsvik,2006；Scotese and Schettino,2017；Blakey and Ranney,2018）的古地理重建模型逐渐涌现（图1）。这些模型将现有的地学数据恢复到其深时古地理位置（古板块、古经度和古纬度）。通过重建过去的全球海陆格局、地形差异，可以更好地了解地球在整个地质时期的演变。全球古地理模型的构建涉及到地球科学不同领域的许多概念，如古生物学，沉积学，地球物理学的地震层析成像、重力异常、古地磁，地球化学的测年、源汇分析和大数据汇编等，相应的重建结果必须与各学科的基础证据一致，实现自洽性。此外，重建模型的时间跨度应当足够长（一般跨越数十到数百个百万年）以探讨重大地质事件的规律，如超大陆旋回、大气CO2浓度的波动、气候的冷暖交替等（Mitchell et al.,2012；Meer et al.,2014；Li et al.,2019；Macdonald et al.,2019）。

近年来，数字化古地理模型的建立与研究极大的促进了地质学领域的重要发现（如俯冲带的时空分布及其对板块运动的驱动作用）（Ulvrova et al.,2019）。然而，目前中国科学家在这方面参与较少。本文首先介绍古地理重建模型的一般化构建方法，然后对比目前几种主流的古地理模型，并简要介绍一些基于数字化古地理模型的知识发现，以期为国内地球科学家提供一个初步的认识和参考，并服务于由中国科学家发起和引导的深时数字地球（Deep-time Digital Earth,DDE）国际大科学计划（Wang et al.,2019）。

图1 全球古地理重建模型的派系与沿革历史（Scotese，2017①据Scotese2017年在伦敦地质学会举办的“Plate Tectonics at 50”会议上的报告修改。）Fig.1 History of global paleogeographic reconstruction models(from Scotese,2017)

1 全球古地理重建模型的构建

全球古地理包括地质历史上板块的位置、边界、板块的运动过程以及地表特征的重建。数字化的古地理重建模型不仅指数字化的重建图，还包括数字化、易修改、可重现、时间连续等特征。数字重建模型由刻画板块形状的多边形文件和表征其随时间变化的运动特征的旋转文件（由一系列随时间变化的板块相对运动的欧拉旋转极组成的格式化纯文本文件）组成（Müller et al.,2019），这两种重要的基础构件代表了板块运动的重建与复原，但仍欠缺对地表形态的描述，如古高程、地形起伏、河流系统、盆地演变等。恢复古陆或地块在深时的全球位置往往是古地理重建的首要环节，古地磁、古生物、沉积物分布、地幔柱、海洋地球物理等资料提供重要的依据。

1.1 古地磁学的应用

古地磁是重建深时板块位置的唯一定量工具，通过对古地磁场的重建可以获得板块的古纬度、方向和旋转等信息。地磁场源于自转影响下地球核幔间可导电物质的交换，其中的物质均受到一定程度的磁化作用，记录地磁场的相关信息。地球磁场通常用磁倾角、磁偏角和磁场强度来表述。磁倾角与地表纬度位置相关，赤道地区为0，两极地区近于90°，这一规律对于古地理重建具有重要意义（Torsvik et al.,2016）。地磁南北极与地理南北极不同，现代地磁轴与地理轴之间有11.5°的交角。观测结果表明地质历史时期地磁轴一直绕地理轴做周期性旋转，且磁场方向经常倒转，这也是磁性年代学和地磁场轴向偶极子假说的前提（Geocentric Axial Dipole,GAD；Domeier et al.,2012； Huang et al.,2018； Torsvik and Cocks,2019）。

理想情况下，岩石中的铁磁性物质在形成之初受地磁场的作用记录了当时古地磁场的磁性信息，岩石中保存的磁倾角和磁偏角随其所在位置不同而发生改变。假设深时古地磁场的方向保持南北向不变（地磁场轴向偶极子假说），在之后的板块运动过程中，岩石随板块漂移，其相应地保存了不同时间的地磁极信息（图2）。但需要注意的是地质历史中某些时间段（如晚古生代—早中生代）地磁场具有非常明显的非偶极性（即某些时段地磁极轴不穿过地心，甚至表现为弯曲的状态；Voo and Torsvik,2001；Domeier et al.,2011；Domeier et al.,2012）。以运动的大陆为参考点，获得岩石中保存的古地磁极随时间的变化，并可视化这些古地磁极的运动路径，这就是视极移路径的重建原理（Apparent Polar Wander,APW；Torsvik and Cocks,2004,2016,2019）。如果某两个块体在一段时间内的视极移路径重合，则说明它们在该时间段内作为一个整体进行运动；从相似的视极移路径到显示一定的差异性，则表明两者在某个时间点开始进行不同方向和角度的离散漂移。

利用古地磁信息可以确定地块的古纬度以及地块随时间的旋转运动，但古经度位置难以确定。频繁倒转的古地磁极难以确定南北半球的归属。例如，Cocks和Torsvik（2002）在重建早古生代（500～400 Ma）的全球板块位置时，通过视极移路径定义了主要地体的位置（如波罗的海和劳伦），然而对于华北、华南和滇缅泰马等缺乏完整的视极移路径的地块则将其表述为面向北方或南方。

1.2 古生物学的应用

图2 大陆漂移与视极移路径的关系（据Torsvik et al.,2012修改）Fig.2 The relationship between continental drift and apparent polar wander path(from Torsvik et al.,2012)

定性的古生物学方法对于指示古地理环境和地块相对位置有重要作用（Cao et al.，2017）。现代动、植物区系的形成主要是由气候和纬度的不同所引起的，但也与生物群能否穿过主要的陆地（对海洋生物而言）和海洋（对陆生植物和动物而言）阻隔有关。古地理研究，尤其是古生代的古地理重建更依赖古生物区系的证据（基于海底磁异常条带的证据只存在于200 Ma以来，更古老的洋壳均已俯冲无法保存在大洋中）。

同一纬度的两个地块，如果彼此之间的距离很近，它们的底栖生物类型很可能具有一定的相似性。然而，如果这两个地块相互分离，原来相似的底栖生物的幼体往往不能穿过两个块体之间新形成的大洋（1000 km宽度的大洋就可能造成地理隔离）（Cocks and Torsvik,2002），它们的底栖生物类型会在相对独立的两个地理环境内各自演化，形成不同的生物组合，进而演变为两个不同的动物区系（根据不同的属种差异划分为省、区等）（Cecca,2014）。同样的，如果拥有不同底栖生物类型的两个地体不断靠近，在一段时间之后两者便可能会融合为同一个动物区系。但是，块体是否发生碰撞并不能仅仅根据生物区系的融合来定义，需要更多的证据。此外，深时的一些古陆（如冈瓦那、劳亚、盘古等）面积太大跨越多个纬度带，其南北边缘可能会发育差异显著的底栖生物类群，从而反映古气候带的变化。

多门类化石在特定地质时间内的分布特征和生态习性可以反映古地理特征。但是，在使用任何古生物开展古地理研究之前，必须正确评估其生存时代和个体生态。营浮游、远洋或游泳生活的生物（在早古生代，以笔石为代表，另外包括少数的三叶虫、头足类、几丁虫、疑源类和牙形刺等）的分布受洋流和温度的控制，这些生物往往扩散速度快，其化石记录对评估地块间亲缘性的重要程度相对较弱（Cocks and Verniers,1998）。相反，营底栖生活的动物，其生活环境受限于海底并受温度的控制，如腕足动物，大多数的三叶虫、双壳类、腹足动物和大多数介形类等，在古地理重建中，规模较大的底栖生物群（如有铰腕足类、底栖有孔虫、珊瑚等）通常扮演重要的角色（Shen et al.,2013；Zhang et al.,2019）。

1.3 岩石学的应用

基于古地磁与古生物的板块位置的重建还应当受沉积记录（如冰川沉积、蒸发岩、煤等）和构造运动（如大洋的关闭、造山运动等）的约束。半定量或定性的岩石记录（如受纬度控制和气候敏感的岩石类型的分布）（Ziegler et al.,1985；Golonka,2007b；Boucot et al.,2009） 在解释古地理时表现出了很大的作用。相较于古地磁，岩石学数据更为可靠和稳定（构造运动带来的高温、高压环境可能会使得岩石中的古地磁信息改变或消磁后获得新的古地磁信息）。

从Wegener（1966）的原始工作开始，冰川沉积物在确定古大陆的位置方面一直扮演着重要的角色。地质历史中，除个别全球性大冰期外（如雪球地球，Hoffman et al.,1998），冰川沉积物一般形成于高纬度地区。虽然冰川活动的原位沉积现象（如蛇形丘、鼓丘等）很少保存下来，但岩石中记录了大量的冰川擦痕，如前寒武纪的若干次冰川事件（Hoffman and Li,2009），晚奥陶世北非发现的冰川沉积物（Ghienne et al.,2007），澳大利亚及其他地区发现的中石炭世—早二叠世的冰川擦 痕 （Jones and Fielding， 2004； Montañez and Poulsen,2013；Chen et al.,2018）等。除此之外，很多冰碛岩以及冰山携带的落石在各年代的岩石中也有发现。但在古地理重建时，必须确定这些特征沉积物是否原位保存。例如，洋流可将冰山及其携带的沉积物质搬运到很远的距离（Boucot et al.,2013）。

除上述对气候和纬度敏感的沉积物之外，具有年代信息的岩性数据在反映古环境方面也具有重要价值。传统的区域性岩相古地理图通常是基于此类信息解释和编制的。自20世纪70、80年代以来，涌现了一系列的岩性和古环境沉积记录数据 库 （Ziegler et al.， 1985； Rees et al.,2002；Kiessling et al.,2003；Boucot et al.,2013）。大规模数据库的助力可以精细地重建地质时期全球的岩相分布和地表特征。

1.4 海洋地球物理的应用

自20世纪60年代以来，海洋地球物理勘探的快速发展（Dietz,1961；Vine and Matthews,1963）不仅促进了板块构造学说的发展，也为古地理重建提供了新的工具。海底磁异常条带以及海底扩张和洋中脊的运动，是解读中生代至新生代大陆和地块位置的重要工具。

二战后的海底军备竞赛激起了海洋探测的热潮，科学家们分析了多航次的磁异常报告后注意到贯穿洋底的磁异常条带现象，并认识到这些磁异常条带近似对称地分布于洋中脊两侧。新的洋底在洋中脊两侧对称生成，其中的岩浆冷却形成洋壳时，磁性矿物得到与地球磁场一致的磁性。在侏罗纪以来（200 Ma以前形成的洋壳已全部俯冲消失在大洋中）的全球板块构造重建中，磁异常条带是一个重要的重建工具，控制了旋转文件中板块之间的相对运动。

基于海底磁异常条带和断裂带的识别，建立全球海底扩张等时线（Müller et al.,2008）是中、新生代以来全球古地理重建的一种重要方法。对于保留了扩张系统（如洋中脊、裂谷）两个侧面的区域，有限阶段旋转（一段时间内某个板块相对于另一个板块的绝对旋转运动，用时间、旋转极的经纬度位置和旋转角度来表达）的计算和海底扩展等时线（根据海底磁异常条带计算的洋壳等时线）的构建相对简单；但当仅保留了扩张系统的单个侧面（例如，俯冲作用导致洋中脊的某一侧洋壳完全消失）时，通常计算半阶段旋转（单一侧面的相邻等时线之间的阶段旋转），并将其翻倍（即假设该扩张是对称的）以产生完整的阶段旋转；当扩张系统的两侧均已被俯冲消失时，只能依赖陆上的地质记录（如大断裂、地体边界、活动的和消失的岩浆弧等）来重建消失的海底等时线（Matthews et al.,2016；Müller et al.,2016；Young et al.,2019）。

1.5 地幔柱方法

地幔对流导致地幔内热的物质上涌形成地幔柱，通常假设地幔柱在一定时间内的位置不变（Wilson，1963）。由地幔柱引发的热点跟随板块运动不断迁移，形成一系列的热点轨迹，即海山和火山的链状分布，因此移动的热点轨迹反映了其所在板块的运动（Müller et al.,1993）。基于全球四条主要的热点轨迹（Hawaiian、Louisville、Tristan和Réunion），定义了130百万年以来的板块的绝对运动，这也就是所谓的全球移动热点参考体系（Steinberger et al.,2004；Torsvik and Cocks,2016）。

大火成岩省（Large Igneous Province,LIP）是上地幔熔化的结果，过去300百万年形成的大火成岩省喷发点和金伯利岩的报道都位于核幔边界慢1%的剪切波速度（Vs）轮廓线之上（Burke and Torsvik,2004；Torsvik et al.,2010a），该轮廓线勾画出了位于非洲和太平洋之下的核幔边界上的两个大低速剪切波速度省（large low shear-wave velocity provinces,LLSVPs）（Garnero and McNamara,2008）。产生大火成岩省和主要热点火山的地幔柱大多位于这两个低速剪切波速度省的极窄边缘上，从而可以定义地幔柱生成区（Plume Generation Zone,PGZ） 的位置（Burke et al.,2008；Torsvik et al.,2008c）。

300百万年以来地幔柱生成区的稳定位置指示一种新型的重建古地理方法。该方法利用地表和地幔深部过程之间的基本联系确定板块的古经度。例如，根据古地磁和生物面貌证据（二叠纪华南发育独特的华夏植物群，与盘古超大陆主体的差异巨大），学者认为华南板块在晚二叠世位于远离盘古超大陆的赤道地区，但其距盘古大陆的距离一直没有很好的限制，因此在之前的全球古地理重建中被赋予了完全不同的古经度位置（如Scotese and McKerrow,1990；Golonka and Ford,2000；Blakey,2003）。258百万年在华南板块上发生的峨眉山大火成岩省提供解决争议的线索。其古地磁数据显示古纬度位置为南纬4°，如果峨眉山大火成岩省形成于地幔柱生成区之上，就会有几种可能的古经度位置（晚二叠世南纬4°线与地幔柱生成区的交点），其中盘古大陆占据了2个交点，只剩下与太平洋之下的地幔柱生成区有关的位置（图3）。鉴于对后续板块运动速度的限制（板块在地史时期中的绝对运动速度一般小于15厘米/年），东经134°（太平洋下地幔柱生成区的西部边缘）是一种可行的解释（Torsvik et al.,2008c）。

1.6 地表古高程重建

全球古地理重建模型不仅包含前述的对大陆、地块位置和运动特征的确定，还要恢复深时地表特征的演变。全球板块构造框架（Scotese and McKerrow,1990；Golonka,2007a；Seton et al.,2012；Matthews et al.,2016；Müller et al.,2016；Young et al.,2019）建立后，往往需要重建深时地表特征的高程信息（Paleodigital Elevation Models,PaleoDEM；Scotese and Wright,2018）并绘制包含高山、低地、浅海和深海盆地等环境分布的全球古地理图。

图3 晚二叠世（258 Ma）华南板块的古经度重建（据Torsvik and Cocks，2016修改）Fig.3 Paleomagnetic reconstruction of the South China Plate in the Late Permian(258 Ma,from Torsvik and Cocks,2016)

数字古高程的建立通常分几个步骤完成，首先是绘制反映各时代沉积环境的岩相图。例如，厚层的纯灰岩序列可能代表温暖的浅海环境；由安山岩和花岗闪长岩组成的地层可能代表曾经的大陆火山弧或安第斯型造山带的产物。Scotese和Schettino（2017）总结了与沉积环境对应的岩相和岩石类型，这些典型沉积物的出现可用来恢复相应的沉积环境，并对应一定的高程关系（表1）。岩相只能用于绘制岩石记录相对完整的古地理环境，但许多地方的岩石记录不完整，如已被侵蚀、受构造作用破坏或被年轻的地层所覆盖。因此通常需要根据区域的构造历史反演，推断构造作用发生前的古环境和古地理特征。通过类似的方式，基于洋壳下沉的深度与时间的关系（Stein and Stein,1992），可以获取地质历史时期海底水深的信息。

表1 用于古数字高程重建的地质记录（Scotese and Schettino，2017）Table 1 Geological information used for reconstructions of PaleoDEM(Scotese and Schettino,2017)

绘制完各个时间段的古地理图并获得相对地形和水深后，下一步的工作是对这些信息进行数字化表达。通常根据各个时代重建的岩相和古环境信息对现代数字高程信息进行修改（Scotese and Schettino,2017；Scotese and Wright,2018），并根据全球板块构造模型恢复到当时的古地理位置，获得古数字高程模型。基于每个时代的独特的重建数字高程模型获得古海平面的位置，进而检验地质历史时期海平面重建的结果（Miller et al.,2005；Haq and Schutter,2008），并可以作为古气候模拟的输入条件（Baatsen et al.,2016）。

除上述各种构建全球古地理重建模型的方法外，还有一些对重建模型的校正方法，如真极移路径（true polar wander,TPW）（Torsvik et al.,2002；SteinbergerandTorsvik,2008）、俯冲板片（subduction slabs）（Meer et al.,2009,2018；Butterworth et al.,2014）、岩石圈净旋转 （net lithosphere rotation）（Evans,2003；Funiciello et al.,2008；Torsvik et al.,2010b）等，限于文章篇幅此处不做赘述。

2 现有的古地理重建模型的比较

近半个世纪涌现了大量定量或定性的全球古地理重建模型，几种主流的全球模型见表2，但还有很多优秀的全球古地理重建模型（McElhinny et al.,2003；Smithetal.,2004），限于本文的篇幅并未论及。

表2 全球古地理模型对比表Table 2 Comparison of global paleogeographic reconstruction models

2.1 PaleoMap模型

PaleoMap项目重建的全球古地理模型是最具有国际声誉的。早在20世纪70年代，Scotese就开始借助计算机，依据古地磁和岩石记录等数据进行全球古地理重建（Scotese and Baker,1975），并引发了后续一系列基于古地磁学（Voo and Torsvik,2001）、岩石地层指标（Ziegler et al.,1985；Boucot et al.,2013）、古生物地理学（Cocks and Fortey,1982；Cocks and Verniers,1998）及古气候（Rees et al.,2002）等学科的古地理重建方法。

PaleoMap模型以5～10 Ma的时间间隔重建了750 Ma以来的全球古地理图，并可以开放获取。相关重建资料都可以通过PaleoMap网站（http://www.scotese.com/）联系获取（非开放下载），包括数十张高精度的全球古地理重建图和3张预测的未来地理图（+50 Ma，+100 Ma和+250 Ma）。此外，Scotese开发了多个版本的古地理图以适配不同的重建软件 （如ArcGIS和GPlates）（Scotese and Moore,2013；Scotese,2016），并制作和公布了相应的模拟动画 （https://youtube.com/user/cscotese/）。除了全球古地理重建图外，PaleoMap模型还包括一系列的深时全球板块构造重建图、古气候带重建图、古温度重建图、古降雨量重建图、海水古盐度和氧含量重建图、古上涌流重建图等。通过古高程信息的重建（PaleoDEM）反映地表特征是PaleoMap模型独有的一大特点。

需要注意的是，由Ronald Blakey制作的Deep Time Maps系列全球古地理图（Blakey,2003；Blakey and Ranney,2018）的基础模型也是源于PaleoMap，其古地理特征通过Photoshop软件采用现代地形纹理进行描绘，色彩渲染美观，是学术界广泛使用的古地理图之一，但现已商业化，需要购买使用（http://deeptimemaps.com/）。

2.2 PLATES模型

PLATES项目（http://ig.utexas.edu/marine-andtectonics/plates-project/）是由德克萨斯大学奥斯汀分校地球物理研究所的研究团队开发的，其主要目标是：（1）对过去和现在的板块运动进行建模，构建高精度的全球、区域板块运动；（2）建立综合性数据库，应用地理、地球物理和岩石资料进行板块建模；（3）开发计算机软件，用于处理数据、重建板块位置和展示板块模型等；（4）基于板块重建模型讨论全球或区域的地质现象，发掘地质规律。该项目在Sclater，Scotese和Lawver的领导下建立了第一个全球海底磁异常条带和等时线数据库，并提供了一系列PowerPoint格式的重建图和重建模拟及相关的支撑资料（如数据格式描述文档、数据转换软件、板块边界、大火成岩省数据库、蛇绿岩数据库、磁异常条带数据库、旋转文件等），可开放获取。

PLATES模型使用Rothwell公司开发的Paleo-GIS软件（https://www.paleogis.com/）重建了750 Ma以来的全球古地理演变模型，并将其成果表示为10 Ma间隔的全球和极地视角的古地理图（包括170 Ma以来的海底构造重建）（Dalziel,1997；Lawver et al.,2015）。值得注意的是，其早期成员之一Dietmar Müller后来成立了EarthByte项目。近年来PLATES项目不再进行全球古地理重建的更新，而是着重于南极洲、印度洋、太平洋的深时高精度区域重建。

2.3 UNIL模型

UNIL项目是在瑞士洛桑大学Gérard Stampfli教授的指导下开展的，该项目在2004～2010年间取得很大进展，重建了600 Ma以来覆盖完整地表的古地理图（包括46张古地理重建图）。2010年该重建模型全部产权出售给了Neftex石油顾问有限公司，作为其地球系统软件包的一个组件，不再为学术界所获取。但仍可从2010年之前零散发表的相关文献（Stampfli and Borel,2002；Stampfli and Borel,2004；Vérard et al.,2015）中获得，且可通过网站（https://www.unil.ch/iste/en/home/menuinst/recherche/geology-and-geodynamics-of-mountain-belts/gerard-stampfli.html）获得部分该模型的高清重建图。

UNIL模型的后续改进是Panalesis模型（Vérard,2019），该模型使用UNIL开发的方法和技术，但是重新开发了新的框架以适应未来的发展，试图通过多种模型的结合（如地球动力学模型、地层和岩相古地理模型、沉积剥蚀模型、气候模型、板块应力模型、地幔动力学模型以及地球旋转模型等）以全面重建深时的古地理面貌。

2.4 Golonka模型

Golonka的全球古地理重建模型侧重于岩相和古环境恢复（Golonka and Ford,2000；Golonka,2007a,b；Cao et al.,2017），包括544 Ma以来的32张全球古地理重建图，其板块划分方案和旋转文件主要基于PLATES和PaleoMap项目，但对特提斯域进行了修改和完善。

值得注意的是，Golonka重建模型的数字化文件已由Cao等（2017）发表，该模型包括了402～2 Ma期间的全球古地理动态重建（包括冰川、山区、陆地和浅海的时空演变），原始旋转文件来源于Golonka（2007a）。

2.5 GMAP模型

挪威奥斯陆大学的Torsvik团队开发了GMAP软件，用于处理古地磁数据和重建深时古陆的位置，并据此开发了一系列全球古地理重建模型（Torsvik et al.,1996,2008a； Cocks and Torsvik,2002；Torsvik and Cocks,2004,2019）（侧重于定位古陆位置和板块构造重建）。GMAP模型首次通过组合基于地幔和古地磁的绝对板块运动模型获得了全球古地理重建模型的长尺度时间联系：将120 Ma以来的移动热点绝对参考体系（Doubrovine et al.,2012）和120 Ma之前的经真极移（由于地球自转产生的地球旋转轴相对于地幔的运动）校正的古地磁绝对参考体系（Torsvik et al.,2012）结合，并假设盘古大陆解体以来南非板块的经度变化非常小，将其作为锚定板块来构建板块运动环路，从而在绝对参考体系下重建板块的相对运动。以往的绝对古经度重建只能实现在200 Ma以来，Torsvik等基于地幔层析成像和300 Ma以来大火成岩省和金伯利岩产出位置的关系提出重建古生代以来板块绝对古经度的方法（PGZ方法；Burke and Torsvik,2004；Burke et al.,2008；Torsvik et al.,2008b,2010a），从而可以在更老的时间确定板块绝对位置。

GMAP模型的相关资料都可公开获取，包括一系列板块重建的旋转文件、板块多边形文件、大火成岩省数据库、PGZ位置、微地块、热点轨迹数据库 等 （http://www.earthdynamics.org/earthmodel/）。需注意的是，GMAP的许多功能已经整合到新的板块构造重建软件GPlates中，且其大部分重建数据也均发布为GPlates兼容的格式，可方便的使用和修改，甚至据此建设自己的数据集。GMAP模型的最新发展是前侏罗纪全板块重建方面的探讨（Domeier and Torsvik,2019），虽然相关的模型数据集尚未发表，但重建古海洋的洋底构造（如洋中脊、转换断层、俯冲带等）和古陆的绝对经度位置是其中最重要的工作。

2.6 EarthByte模型

EarthByte团队 （https://www.earthbyte.org/） 由一大批板块构造、古地理重建和软件开发方面的科学家组成，团队成员大多就职于悉尼大学。自GPlates软件发布以来（Boyden et al.,2011；Müller et al.,2018），该团队开发了一系列板块重建模型，覆盖了地质历史的各个阶段。Gurnis等（2012）发表了该团队第一个板块构造重建模型，开创了连续闭合板块重建方法，以板块边界的不断变化界定各个时期板块位置，获取形状的改变，从而奠定了整个EarthByte模型的基础构建方法。该团队聚焦多个前沿的热点科学问题（如地幔对流、板块边缘变形、古气候模拟、深时碳循环模拟等），发表了大量新颖的研究成果。

Seton等（2012）发表了200 Ma以来的全球板块运动模型，以20 Ma的时间间隔绘制了古地理重建图，同时重建了海底等时线的演变。Müller等（2016）提出了230 Ma以来的连续闭合板块的全球重建模型，并分析了板块运动速度的限制以及对全球构造事件的审查。Matthews等（2016）结合之前发表的400～250 Ma（Torsvik and Cocks，2004）和 230 Ma以来 （Müller et al.，2016） 的重建结果，提出了第一个晚古生代以来的连续全球板块运动模型。Merdith等（2017）基于地质记录和古地磁数据提出了第一个新元古代（1000～520 Ma）的完整板块拓扑模型，并讨论了该全球重建模型作为古气候建模和地球动力学模型输入条件的可行性，发表了对新元古代全球俯冲作用强度和纬度分布的重新认识。Müller等（2019）发表了加入了板块变形修正的240 Ma以来的全球板块运动模型，为建立详细的板块区域变形网络提供了框架，并为盆地演化和板块—地幔模型提供了约束。Young等（2019）基于Matthews等（2016）的重建模型进行了深入探讨，通过降低整体板块运动速度的方法提出了新的410 Ma以来的全球板块重建，拟合了板块和俯冲带运动学在内的地球动力学，并重建了早古生代以来的地幔流变化。

EarthByte模型的已发表数据都可开放获取，包括一系列板块多边形文件、旋转文件、拓扑板块边界文件，及用于重建的相关支持数据（如海岸线、年龄等时线、洋中脊、洋陆边界、热点、古地磁、重力异常数据、海底磁异常数据、动力地形、海底断裂带、构造应力场、用于赋值板块ID的静态多边形文件等），所有文件可通过相关文献的补充材料或EarthByte网站（https://www.earthbyte.org/category/resources/data-models/）获得。

3 基于古地理重建模型的知识发现

数字全球古地理重建模型的出现深化和改进了学界对许多地质事件（如超大陆旋回、板块俯冲机制、构造运动的驱动力）的认识，并出现了许多新的重要发现。基于数字化的重建模型，多学科交叉与数值模拟结果激发了对深时地球演化规律的探讨，并在诸如古气候演变及其控制因素、俯冲带的形成背景与时空分布，以及盆地演化与油气勘探等方面涌现了大量的知识发现。

3.1 古气候研究

气候变暖日益得到人们的关注，重建深时古气候的演变规律对于如何面对和解决当代气候变暖问题具有重要的指示意义。大气中的二氧化碳浓度是影响地球气候的关键因素。尽管板块运动对碳循环具有重要的影响，但如何量化和证实这种机制一直是个难以解决的问题（Brune et al.,2017）。俯冲带长度与全球板块边界的火山二氧化碳脱气量成正比，Meer等（2014）通过从板块重建模型中提取各时代的俯冲带总长度，并将其作为古气候模拟的输入条件（Baatsen et al.,2016），重建了250 Ma以来的大气二氧化碳浓度曲线，这一结果与地球化学指标获得的结果较为一致，从而通过板块运动建立了固体地球与大气圈、生物圈之间的联系。

不同古地理位置的陆地及其主要物质组成反映不同的硅酸盐风化速率，这是控制大气二氧化碳浓度的关键因素（Goddéris et al.,2014）。一般认为，当大量陆地板块位于赤道附近时，全球具有较高的风化速率，对应于气候较冷的时期。最近的一项研究表明，深时低纬地区的大规模弧-陆碰撞是全球冰期的主要诱发机制（Macdonald et al.,2019）。研究认为在弧-陆碰撞中，火山弧仰冲到大陆上，形成蛇绿岩。火山弧和蛇绿岩主要由易风化的富含钙和镁的玄武岩和超镁铁质岩石组成，高效的硅酸盐风化能够吸收大量二氧化碳。热带地区化学风化效率高及仰冲期间产生的地形起伏，提高全球风化强度并促进全球降温。基于Müller等（2016）的全球板块重建模型恢复了各个时间段的热带区域蛇绿岩缝合带的长度，并对比显生宙的冰期事件，获得很好的相关性（图4）。重建获得的热带地区缝合线长度记录的主要峰值（赤道两侧20°范围内的活动缝合带总长度大于10000 m）在奥陶纪晚期、石炭纪—二叠纪和新生代，与显生宙三次主要冰期的纪录对应；且在非冰室气候的较长时期（如250～50 Ma期间），没有主要的热带缝合线长度峰值。该研究首次定量地证明了显生宙气候调节的关键机制就是赤道区域发生的弧-陆碰撞及之后引发全球风化强度加强，但与此同时的俯冲作用停止所导致的火山二氧化碳脱气减少也加快了全球的气候变冷。

3.2 俯冲带的重建

刚性板块的俯冲是行星内部与表面物质交换的基本机制，控制了地球地幔的热演化。与俯冲作用有关的火山作用、地震、造山等过程强烈地塑造了地表形态。但地质历史中的俯冲从何处开始，在哪里结束？俯冲板片的面积和进入地幔的通量如何变化，其对地表的响应又如何表达？这些问题在深时全球古地理重建模型下得到了解答。

图4 显生宙热带地区缝合线长度与大陆冰川的纬度范围对比（Macdonald et al.，2019）Fig.4 Phanerozoic suture length in the tropics compared to the latitudinal extent of continental glaciation(from Macdonald et al.,2019)

研究表明，俯冲板片在板块运动作用中表现为巨大的拉力（Meer et al.，2009，2018；Steinberger et al.,2012；Butterworth et al.,2014；Mallard et al.,2016），甚至可能是板块运动的主要驱动力，了解俯冲作用的样式与机制是揭秘板块构造作用机制的重要一环。Ulvrova等（2019）通过地幔对流数值模拟，与通过全球古地理重建模型（Müller et al.,2016）和地幔层析成像（Meer et al.,2018）中恢复的板片俯冲历史进行对比，发现地质历史时期俯冲带的开始与终止并不是随机分布的。其数值模型表明，俯冲的启动主要受岩石圈强度和大陆边缘长度的控制。强度较大的岩石圈有利于引发大陆附近的俯冲开始，而对于强度较弱的岩石圈，俯冲的开始位置则遵从随机分布。在大陆边缘形成的俯冲带往往留在原位，而在大洋内部形成的俯冲带则往往迁移并与其他大洋内部俯冲带合并，或到达大陆边缘终止。

基于不断变化的拓扑板块边界重建模型，East等（2020）提取了随时间变化的海沟收敛速率，并计算了不同时代的俯冲板块面积，结合海底年龄格网计算俯冲岩石圈的厚度，从而获得随时间变化的俯冲板片通量。该研究重建了230 Ma以来的全球俯冲板片通量（图5）。结果表明板片通量在180 Ma到130 Ma之间相较之前翻了一倍，超过了500 km3/yr，随后又朝着白垩纪—古近纪边界再次减半，这主要是由于太平洋洋盆边缘的俯冲带的驱动。130 Ma（白垩纪中期）的峰值可归因于盘古超大陆破裂后洋中脊长度增加了两倍，板块俯冲速度也同时增加，平均速度超过10 cm/yr。在短短的50个Ma期间，大约三分之一的俯冲板片通量进入了地幔，这种俯冲板片超通量现象使得地幔中物质激增，从而反馈为地幔上涌物质的增加。这一白垩纪中期事件可能是达尔文地幔超隆起事件和南非高原的动力地形隆起的起因，并伴随着大量地幔深处金伯利岩在地表的形成。该研究成果对于理解俯冲所消耗的物质随时间变化的通量非常重要，俯冲板片的超通量事件可能是超大陆裂解后大陆扩散的普遍特征。

3.3 盆地演化与油气勘探

在传统的油气勘探中，古地理被用于描绘关键层位（烃源岩、储层、盖层）的堆叠、分布与质量评价。通过对全球岩相和古地理环境的编图（Golonka and Ford,2000；Golonka,2007a），结合已知的钻井、地震、油田的古地理位置可推测潜在的油气富集区，这种油气勘探价值相较于地震剖面和钻探而言精度不高，但相当廉价、便捷，具有重要的宏观指导意义。除了对关键层位的预测，古地理模型在盆地演化方面还可以提供重要的指导（I’Anson et al.,2018）。

图5 全球俯冲板片通量随时间的演变重建Fig.5 Reconstruction of global slab volume flux in deep time

I’Anson等（2018）最近基于全球重建模型（Müller et al.,2016）中的动力地形演变重建了澳大利亚加利利盆地（the Galilee Basin）的埋藏和暴露剥蚀历史。研究发现，当地主要的烃源岩层系是二叠纪沉积的煤系地层，其在晚白垩纪达到了最大埋深（约1.5～2 km），同时处于超过100°C的地温中，在该阶段生成了大量的天然气（约45 m3/t）。但由于原太平洋板块俯冲的停止（约100 Ma前），该盆地所处区域的重力地形负荷突然降低（约95 Ma前），从而导致了一段时间的隆升和剥蚀，逸散了大量的天然气，残余气体经过后期的再次沉降保存最终构成了现今当地的天然气资源。该研究表明由俯冲作用驱动的动力地形对盆地的沉降、隆升和资源潜力的保存可产生重要影响。

4 总结与展望

古地理重建经过半个世纪的发展，已经迈入了基于模型重建的阶段，无论是区域覆盖度、时间跨度还是技术手段都有了巨大的进步，众多基于不同重建理论和方法的全球古地理重建模型为我们提供了更多的手段解读深时地球的演化。现存的主流的全球古地理重建模型主要包括Paleo-Map、 PLATES、 UNIL、 GOLONKA、 GMAP 和EarthByte等，这些模型在时间跨度、模型构成、重建方法和公开性方面有很大的区别。基于数字化古地理重建模型的许多应用已有重要理论突破，如热带地区的弧-陆碰撞调节古气候模式（Macdonald et al.,2019）、俯冲通量的激增反馈为地表高原的隆起和金伯利岩的形成（East et al.,2020）、受动力地形控制的沉积盆地的沉降与抬升与烃源岩勘探的关系（I’Anson et al..2018）等。这些基于古地理重建模型的二次开发和模拟为我们提供了大数据驱动下地球科学创新和突破的参考案例。

但是现存的各种古地理重建模型有或多或少的不足之处，如PaleoMAP模型的古地理重建图修订代价高、UNIL模型已商用，不可开放获取、GMAP和EarthByte模型缺少地表特征的重建等。随着深时数字地球（DDE）项目的不断开展，作为底层框架的深时全球古地理、古构造重建模型呈现了新的发展机遇。整合国内外顶尖资源和科研团队共同开发新一代的综合性全球古地理重建框架，服务整个大科学计划的目标和愿景，是目前的重要任务之一。未来的全球重建模型应当是涵盖完整的地质历史时期板块运动、地表特征和深部过程的四维数字模型，并可便于修改和调试，从而构建真正的深时“数字地球”。