高彪 陈吉涛
1. 冈瓦纳东北缘古地理之争
“沧海桑田”和“时过境迁”这些成语表明古人很早已注意到事物是变化着的！地球在其近46亿年的演化进程中其海洋、大陆、山川、湖泊等面貌更是变换万千。作为人类唯一的赖以生存家园，了解地球地理格局变迁既是探索自然的好奇心驱使，也是利用地球自然资源所需要。
冈瓦纳大陆从新元古代开始拼合形成，至白垩纪完全解体，其主体板块（如印度板块、澳大利亚板块、南极洲板块等）的古地理位置已有较统一的认识，但其边缘的小地块在古地理重建过程中存在较大争议（Gao et al., 2022）。
晚古生代时期，保山地块、腾冲地块、拉萨地块、南羌塘地块和中缅马苏地块位于冈瓦纳大陆东北缘，并保存有晚古生代大冰期冰川活动的记录。这些地块以往统称为基梅里（Cimmerian）大陆，但近些年有学者认为应该摒弃这个术语。目前，针对这些地块在古生代时期的古地理位置开展了大量研究，取得了很多认识。然而已有的古地理模式存在认识不一致，尽管同样基于碎屑锆石物源分析这一研究方法（图1）。争议的主要内容是以上这些地块相对于印度和澳大利亚的位置及这些地块之间的位置关系。
此外，尽管东冈瓦纳地区（如印度，澳大利亚和南极洲大陆）晚古生代冰川记录（冰川沉积，冰川擦痕及古流向）研究较为广泛。然而对于冈瓦纳东北缘的这些地块上的冰川物质从何处而来这一问题关注较少，值得开展深入研究。恢复这些地块的古地理位置便是首要任务。
图1 冈瓦纳东北缘古生代不同样式的古地理模式
2. 潜在的物源区特征
基于已重建的东冈瓦纳古地理格架（Blakey, 2008），其北缘的古生代碎屑沉积岩的潜在物源区包括阿拉伯-努比亚地区、印度、澳大利亚及南极洲板块（图2）。构造环境方面，东冈瓦纳北缘在古生代为被动大陆边缘环境。另外，东冈瓦纳区域存在四个主要的造山带，它们分别是东非造山带（Eastern Africa Orogen）、东高止造山带（Eastern Ghats Belt）、平贾拉造山带（Pinjarra Orogen）和阿尔巴尼-弗雷泽造山带（Albany-Fraser Orogen），在平面上大致呈现自西向东的分布样式。因此，东冈瓦纳北缘古地理位置不同的地块与各潜在物源区距离不同，从而其碎屑物源组成受古地理位置的影响。基于已有碎屑锆石年龄数据，冈瓦纳东北区域古生代碎屑沉积岩主要由五个主要的年龄峰构成：600-500 Ma, 870-700 Ma, 1000-900 Ma, 1300-1100 Ma和2.6-2.4 Ga（Gehrels et al., 2011; Zhu et al., 2011）。通常这些年龄峰是判断其构造亲属性的依据。
图2 东冈瓦纳古地理格局及主要造山带（修改自Axelsson et al. (2020)，Olierook et al. (2019)和Spencer et al. (2012)）
3. 重建东冈瓦纳大陆古地理的方法
碎屑锆石U-Pb定年及锆石Hf同位素作为可靠的物源指标被广泛应用于古地理重建中。随着锆石测年技术的发展，大量的碎屑锆石年龄数据被报道。因此，我们收集整理现有的保山地块、腾冲地块、拉萨地块、南羌塘地块、中缅马苏地块及东冈瓦纳地区古生代碎屑锆石U-Pb年龄与Hf同位素数据（图3）。碎屑锆石收集过程遵循以下原则：首先，所有锆石年龄数据来源于沉积岩或变沉积岩；其次，锆石样品地层年龄限定在寒武纪至早二叠世之间，不受中特提斯洋（Meso-Tethyan Ocean）开启的影响；此外，只有年龄协和度在90%至110%之间的数据被采用。另一方面，我们梳理东冈瓦纳范围内主要构造带的构造热事件时间、期次及对应锆石εHf(t)值范围，作为碎屑锆石物源对比的基础。
为了更精细地揭示各地不同时间的碎屑物源组成特征，我们进一步将同一地块的碎屑锆石U-Pb年龄数据依据地层年龄划分成不同子集（例如寒武纪、奥陶纪、泥盆纪等子集）。此外，收集于晚古生代冰川沉积地层的碎屑锆石数据也单独作为一个子集。每个锆石年龄子集数据使用由Arizona Laserchron Center（www.alc.org）的Excel宏程序绘制标准化概率曲线。锆石Hf同位素数据相比U-Pb年龄数据较少，为更为直观了解其分布特征，使用Matlab软件以2dKDE（two-dimensional Kernel Density Estimation）方法展示，程序脚本文件来源于Spencer et al. (2020)。
同时，为了更为客观地评估这些地块之间的古地理关系及相较于东冈瓦纳板块的古地理关系，我们采用主成分分析（PCA: Primary component analysis）方法，计算各地块不同子集年龄数据中特征年龄组分的占比。另外，我们将古地理位置明确的特提斯喜马拉雅地块（Tethyan Himalaya Terrane）、东印度以及西澳大利亚地区作为古地理重建的参照点，对上述地块的古地理位置进行了系统研究。
现有研究表明冰川的发育或消失对于邻近沉积盆地源汇体系具有显著影响。具体来讲，就是冰川成因沉积物含有更多冰川发育区域的碎屑物质，这是由于冰川移动过程中对底部基岩的侵蚀作用以及受冰川发育而导致水系汇水区域减小两方面共同导致；相反，在无冰川发育时期碎屑物质则可以来源于更广阔的区域（Ehrmann et al., 2011; Griffis et al., 2021）。基于这一原理，通过对比各地块晚古生代冰川沉积物物源组成与其整体物源组成的偏移趋势，推断受冰川发育影响的物源偏移，进而重建冈瓦纳东北缘晚古生代时期冰川分布样式。
图3 东南亚区域构造简图及收集碎屑锆石样品位置
4. 南羌塘、拉萨、保山、中缅马苏地块在冈瓦纳大陆的位置
为更好的约束保山地块、腾冲地块、拉萨地块、南羌塘地块和中缅马苏地块在冈瓦纳东北缘的古地理位置，我们综合碎屑锆石年龄与Hf同位素特征的物源对比工作和主成分分析（PCA）图上该地块与其他地块及古地理参照点的关系，相互参考，相互验证，从而明确该地块的古地理位置及晚古生代时期冰川碎屑物质的来源，最终恢复晚古生代时期冈瓦纳东北缘的古地理面貌。
以保山地块为例，保山地块一共收集到12个碎屑锆石样品，一共740个年龄数据和268个Hf同位素数据。碎屑锆石数据进一步划分为“寒武纪”、“奥陶-志留纪”、“早泥盆世”和“早二叠世” 四个子集（图4）。其碎屑锆石年龄谱由三个主要年龄组分构成，峰值分别为ca. 550 Ma、940 Ma和2.46 Ga。同时包括两个次要年龄组分，其峰值为760 Ma和1150 Ma。结合Hf同位素特征，保山地块的古生代碎屑沉积物主要由东高止造山带（Eastern Ghats Belt）和平贾拉造山带（Pinjarra Orogen）提供，阿尔巴尼-弗雷泽造山带（Albany-Fraser Orogen）可能也贡献了一定的碎屑组分。在PCA图中，保山地块的数据点较为紧密地聚集在向量C3（1000-900 Ma）和C4（1300-1100 Ma）之间，并且与特提斯喜马拉雅地块（Tethyan Himalaya Terrane）部分重叠，表明具有古地理亲缘性。而特提斯喜马拉雅地块明确地位于印度北缘，所以保山地块也位于印度板块的北缘。同时，在PCA图上，保山地块与西澳大利亚较为邻近（图5），所以我们认为保山地块在古生代时期位于印度板块北缘靠近西澳大利亚一侧。另一方面，相对于整体物源组成特征，早二叠世冰川沉积物物源显著向C2和C3方向偏移，显示印度地区物源占比的增加，指示冰川物质来源于印度地区。
图4 保山地块碎屑锆石年龄谱与Hf同位素特征
图5 碎屑锆石主成分分析图
基于相同的研究思路，我们对其余四个地块展开分析研究。最终，结合碎屑锆石年龄数据，Hf同位素特征及PCA结果，我们认为南羌塘地块、保山地块及中缅马苏地块在古生代时期位于印度冈瓦纳北缘，而拉萨地块和中缅马苏地块的苏门答腊部分则处于澳大利亚的北侧。
此外，根据晚古生代冰川沉积的物源组成的偏移特征，在冈瓦纳东北地区识别出两个独立的冰川中心，分别位于印度板块和澳大利亚板块区域，为其北缘的地块提供冰川碎屑物质（图6）。这一研究进一步佐证了晚古生代大冰期多冰川分布中心模式。
图6 冈瓦纳东北缘晚古生代时期古地理及冰川分布
知识box
对于多维数据，主成分分析方法可以将数据投影到少量的主成分上，从而降低数据维度，并且较好保留数据的变化。此外，主成分分析还可以揭示数据变量之间的关系。文中的主成分分析使用Vermeesch et al. (2016)的R程序包“provenance”完成。
本文第一作者为中国科学院南京地质古生物研究所博士后，第二作者为中国科学院南京地质古生物研究所研究员。本文属作者认识，相关问题交流可以通过邮箱biaogao@nigpas.ac.cn与第一作者或jtchen@nigpas.ac.cn与通讯作者联系。如对文章内容感兴趣，可进一步阅读下列参考文献。
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