孙云鹏

1.“大不整合”与埃迪卡拉系–寒武系不整合

在全球诸多板块上，前寒武纪地层与显生宙地层之间并不连续，而是被一个巨大的沉积间断—“大不整合”（The Great Unconformity）所分隔（图1）。“大不整合”不仅是一次全球尺度的地层间断事件，还分隔了地球环境和生物圈面貌差异明显的前寒武纪和显生宙，因此其形成过程及影响长期以来都是相关领域的研究热点（Peters and Gaines, 2012）。近年来的地层学与锆石热年代学研究表明， “大不整合”的形成在不同板块并不是等时的，而是由前寒武纪的一系列剥蚀过程叠加在一起所形成的复合界面。这些剥蚀过程分别发生在成冰纪之前、成冰纪以及埃迪卡拉纪–寒武纪之间这三个不同时期（Flowers et al., 2020；图2）。其中成冰纪之前与成冰纪时期的剥蚀过程被认为代表了大不整合的主体部分，而持续时间相对较短的埃迪卡拉系–寒武系不整合则标志着大不整合的结束（Sun et al., 2022）。大不整合的成因目前还存在很大的争议，近年来有关大不整合的研究主要集中于对大不整合主体部分成因的探讨，两类代表性的观点分别认为大不整合主幕的形成与Rodinia超大陆的旋回（Flowers et al., 2020），或者成冰纪时全球冰川的剥蚀作用有关（Keller et al., 2019）。

图1 美国科罗拉多州Needle Mountains地区的大不整合 (Keller et al., 2019)。

事实上，除了大不整合主幕的成因悬而未决，标志着大不整结束的埃迪卡拉系–寒武系不整合的成因目前也存在很大的争议。前人通过对美国新墨西哥州与得克萨斯州地区样品的热年代学研究认为这一不整合与Rodinia超大陆的最终裂解有关（Reade et al., 2020），而Sturrock等 (2021)通过对加拿大地区的热年代学研究，提出劳伦板块下的地幔柱活动以及相关的裂谷事件最终造成了埃迪卡拉系–寒武系不整合的形成。对于那些在埃迪卡拉纪参与了冈瓦纳大陆拼合的板块，前人的研究则认为这一不整合的形成与冈瓦纳超大陆形成时的构造活动有关，包括泛非造山运动（喀拉哈里克拉通，Flowers et al., 2020），板块碰撞（欧龙布鲁克板块与印度板块，Sun et al., 2020），俯冲所造成的板块抬升（塔里木板块，Ma et al., 2022）等。而通过综合全球埃迪卡拉系–寒武系地层数条剖面的数据，Shahkarami等（2020）认为区域构造事件叠加在全球海平面变化之上最终造成了埃迪卡拉系–寒武系不整合的形成。但是不同的区域性构造事件如何，在全球范围内形成如此一致的剥蚀过程则仍未有明确的解释。

图2 大不整合发育模式、海平面变化以及华北板块碎屑锆石U-Pb年龄核密度估计图。

紫色、绿色以及黄色区域分别代表成冰系之下、成冰系以及埃迪卡拉系–寒武系不整合。海平面变化曲线引自Van der Meer et al. (2017)。 

2. 华北板块上的大不整合

 “大不整合”在我国华北板块发育良好，近年来的研究表明，它由古元古界或拉伸系到埃迪卡拉系之间和埃迪卡拉系到寒武系下部地层之间的两个不整合组成，且其发育模式与劳伦板块以及我国西北地区欧龙布鲁克微板块的“大不整合”具有一致性，其中埃迪卡拉系地层之下的不整合代表了“大不整合”的主体部分，而寒武系与埃迪卡拉系地层间的不整合则代表了“大不整合”形成的最后一个阶段（Sun et al., 2022；图3）。埃迪卡拉系–寒武系不整合在华北板块的周缘地区广泛发育（图3，4），为我们探究其成因提供了理想的研究对象。

图3 华北板块前寒武纪–寒武纪早期地层不整合对比及古地理图。

灰色、卡其色、紫色、蓝色和绿色分别代表埃迪卡拉-寒武系不整合、古老地层和基底、埃迪卡拉纪地层、早寒武世地层和中寒武世地层。

图4 华北板块南缘地质图与华北板块周缘地区埃迪卡拉纪晚期–寒武纪早期地层。

地层柱状图代表性剖面位置：华北板块南缘—罗圈村剖面，华北板块西缘—苏峪口剖面，华北板块东南缘—马店剖面。 

3. 研究方法

锆石是碎屑岩地层中一种常见的副矿物，具有极强的抗风化能力和稳定性，而且相较于易侵蚀或被其他沉积岩或火山岩覆盖的岩浆活动记录，保存于碎屑岩中的锆石可以保存更多的沉积物物源区信息。21世纪以来，随着原位U-Pb同位素分析技术的兴起，碎屑锆石被广泛应用于沉积盆地的物源分析工作，为了解源区构造活动及沉积盆地的构造背景提供了关键证据。近年来，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队对华北板块南缘埃迪卡拉纪至寒武纪早期地层开展了系统的综合地层学以及碎屑锆石年代学研究（图4,5），综合前人发表的华北板块以及其他板块之上同时期地层的碎屑锆石年龄数据，为探讨埃迪卡拉系–寒武系不整合的成因提供了新的证据。

图5 华北板块南缘埃迪卡拉纪晚期–寒武纪早期地层野外露头及化石照片。

A，古元古界北大尖组，埃迪卡拉系罗圈组以及寒武系辛集组野外露头照片。B，罗圈组冰碛岩中的坠石构造。C，北大尖组中保存的冰溜面以及上覆的罗圈组冰碛岩。D，辛集组与东坡组接触界线。E，辛集组与罗圈组接触界线。F，东坡组中的典型埃迪卡拉纪晚期化石Shaanxilithes。G辛集组中的寒武纪早期小壳化石Cambroclavus absonus。 

4．埃迪卡拉系–寒武系不整合的成因

此次研究发现，华北板块南缘埃迪卡拉纪–早寒武纪地层的碎屑锆石组成普遍以中元古代早期及更古老时期的锆石为主，缺乏同沉积时期的碎屑锆石记录（图6）。物源分析表明，这些锆石来自于华北板块内部。前人发表的数据显示华北板块西缘和东南缘埃迪卡拉纪–寒武纪地层的碎屑锆石年龄谱也具有这种缺乏同沉积时期锆石的特征（图6），表明华北板块在这一时期整体处于缺乏火山活动的岩浆活动的平静期。

图6 华北板块埃迪卡拉纪晚期–寒武纪早期地层碎屑锆石U-Pb年龄核密度估计图。蓝色区域代表埃迪卡拉系–寒武系不整合。 

已有研究表明，除了伴随明显岩浆活动的造山运动之外，克拉通也可以在非造山期发生显著的抬升过程，从而造成相对海平面的下降以及剥蚀作用的发生（Miall, 2016）。例如非洲大陆的南非高原，虽然没有发生显著的造山运动，但是其自白垩纪以来已经累计抬升超过1000米。这一类非造山抬升往往发生在特定的构造背景之下，并且伴随着与抬升活动相关的非造山岩浆活动。以南非高原为例，虽然关于其抬升的准确时间和机制目前仍存在广泛的争议，但现有的观点认为，这种明显的海拔上升与西冈瓦纳大陆的裂解、非洲下部的地幔柱活动、以及广泛的金伯利岩岩浆活动所造成的岩石圈浮力变化有关（Stanley et al., 2021）。前人报道了在南非高原周围邻近盆地沉积物中白垩纪时期的碎屑锆石，这些锆石被认为来自于与冈瓦纳大陆裂解有关的非造山岩浆活动（Philander and Rozendaal, 2015）。而与南非高原相比，古地理重建表明，华北板块在埃迪卡拉纪–寒武纪时期是一个孤立的块体（Zhao et al., 2018；图7），岩浆岩、地幔柱活动以及同沉积地层中碎屑锆石记录缺乏均表明构造抬升模式并不适用于华北板块。

如前文所述，埃迪卡拉系–寒武系不整合并不只局限于华北板块，在全球许多板块上均记录有这一期不整合事件（图7）。事实上，在许多该时期尚未参与冈瓦纳超大陆拼合的板块之上，都存在这种缺失同沉积时期锆石的现象，例如劳伦板块、西伯利亚板块以及波罗的板块（图7）。通常来讲，构造平静地区的地层学资料可以反映全球海平面的变化，而地层序列中不整合的存在则往往被作为全球海平面下降的重要指标（Haq et al., 1987）。因此，考虑到埃迪卡拉系–寒武系不整合在全球多个板块上的广泛分布以及沉积地层的碎屑锆石记录中缺乏同时期的岩浆活动，我们认为，埃迪卡拉系–寒武系不整合形成的主导因素是全球海平面下降，而非区域构造活动。这一观点也与前人根据Sr同位素数据恢复的全球海平面变化曲线一致（Van der Meer et al., 2017；图2）。值得注意的是，这种同沉积时期锆石缺失的现象往往只发生在埃迪卡拉纪–寒武纪时期独立于冈瓦纳超大陆的块体。对于那些与冈瓦纳超大陆关系更为密切的板块或在该时期发生其他明显区域构造活动的地区，其同时期地层的碎屑锆石年龄谱以及埃迪卡拉系–寒武系不整合的表现形式则存在很大的不同（图7），我们的研究结果并不排除构造作用对这些地区埃迪卡拉系-寒武系不整合的影响。

图7 埃迪卡拉系–寒武系不整合全球分布以及相关地层碎屑锆石U-Pb年龄核密度估计图。

A中紫色代表发育埃迪卡拉系–寒武系不整合的板块，B中蓝色区域代表600–500 Ma的时间范围。

5．全球海平面变化与超大陆旋回

长周期全球海平面的变化取决于洋盆体积以及海水总量的变化。对显生宙全球海平面变化的研究表明，洋壳生产率、海洋面积以及动力地形是控制长周期全球海平面变化的主要因素（图8）。在超大陆聚合期间，较低的洋中脊扩张速率导致的全球平均海底年龄增加是造成百万年级尺度海平面下降的主要因素（Conrad, 2013；图8）。埃迪卡拉纪晚期是冈瓦纳超大陆发生最终聚合的阶段，该时期全球海平面的下降可能与埃迪卡拉纪–寒武纪早期冈瓦纳超大陆的汇聚有关（图2）。

图8 超大陆旋回与海平面变化的关系（Conrad, 2013）。

超大陆拼合期间洋中脊活动的减弱，板块碰撞作用导致的陆壳面积收缩以及洋壳俯冲所造成的地幔水化都会导致全球海平面的下降。

相关研究成果近期发表在国际知名地学期刊《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters）上。

论文信息：Yunpeng Sun, Qing Ouyang, Xianguo Lang, Ke Pang, Chengxi Wu, Zhe Chen, Chuanming Zhou*. 2023. Global sea-level fall triggered Ediacaran–Cambrian unconformity in North China craton. Earth and Planetary Science Letters, 622: 118411.  https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118411.

本文作者是中国科学院南京地质古生物研究所博士研究生。Email: ypsun@nigpas.ac.cn。

参考文献

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