古地理(palaeogeography)指的是“ 过去地质时代(包含人类历史时期)地球表面的自然地理” (地球科学大辞典, 2006)。古地理学在早期的发展中主要考量的是古地理环境, 而莱伊尔(1830)的地质学原理中倡导的“ 均变论” 学说, 成为古地理学的研究原则。古地理学是研究地质历史时期自然环境的形成和发展演变的学科, 主要研究内容是重建地质时期的地理环境面貌, 包括古海洋、古陆地、古气候、古生物以及古自然地理区带的分布与格局, 体现的是建造的理念, 亦即传统的古地理学主要考虑的是地表环境的建造。随着古地理学应用的不断发展, 先后衍生出构造古地理学、岩相古地理学、生物古地理学、古地貌学等(冯增昭, 2009)。沉积古地理和岩相古地理学探讨的是大的构造格架下的物质及其空间变化, 如大洋和大陆的划分及沉积体系的变化。构造古地理指的是大的构造动力学背景下的古环境的变迁, 但没有运动的概念。生物、地貌— 古土壤古地理强调的是地表剥蚀时的气候环境, 但很少有同时期的造山、隆升时的古地理响应的信息, 也没有物质搬运方向和沉积物来源的信息。

古地理学在大陆漂移、板块构造研究领域有重要的贡献。随着地球科学多方法、多学科的交叉, 古地理学的发展中也融入了新的方法, 如沉积古地理学中也加入了同时间不同类型盆地的划分, 以及物源环境的变化等, 特别是近年来对于克拉通型盆地、前陆盆地、裂谷盆地的研究等。然而相对来说, 其仍然是地质历史时期“ 地表环境” 而不是“ 地表过程” 的研究。并没有将地表环境与构造过程、地表变化与深部过程有机地结合起来。以往的研究中板块构造对于沉积和岩相古地理的约束仅限于在已有的板块构造框架下的探讨和研究, 然而现今研究地表过程, 还需要了解地球深部的活动, 即地幔活动的过程与地表环境和地表构造特征及性质的关系。国际上开展了大量地幔活动与地表构造相关联的研究, 表明深层地幔活动可能与地表的隆升有关(Flament, 2014; Flament et al., 2014), 如构造地貌的形成等。

传统的古地理学强调的是稳态, 强调不整合即为全球性的。例如, 关于早古生代的古地理格局, 对于加里东运动是全球事件还是只在西欧— 北美发育的认识, 一直存在争议。其中最大的误解是泥盆纪与其下部沉积层间的不整合, 在中国认为其是槽— 台假说基础上的产物。实际上对加拿大东部的Newfoundland等地区的研究表明, 加里东事件是不同板块的拼贴过程(增生造山), 并不是传统所理解的在地槽关闭时的构造隆升, 形成了老红砂岩等(Johnson and Harley, 2015)。

另一个无法解决的问题是从大陆边缘到大陆内部的差异性等。海陆转换、建造与改造, 并没有强调改造过程中的古地理响应以及其影响, 并没有强调同一时间的海平面变化的差异性。古生物区系— 种群的古地理(生物古地理)强调了海陆变迁, 但不完全与构造古地理相关联。生物古地理可以解决海洋环境的沉积— 相序— 格局的变化, 但在大陆环境却无能为力。

传统的古地理学关注的主体是沉积建造, 涉及到沉积古地理、生物古地理和古地貌古地理等。构造古地理的研究和成图(小比例尺、概略性的古地理图)同样是以沉积建造为依据, 把板块构造的特征和分类加入其中, 从而进一步划分了被动陆缘、活动陆缘以及浅海相、深海相等古地理沉积单元。目前进一步的发展是以盆地类型为依据编制构造古地理图, 但对于大陆上的研究却较少。即使是与板块构造有关, 也只是更多强调了板块(陆)漂移时的沉积特征, 而没有聚合后以及初始再裂开时的古地理格局。

板块构造的核心内容是从海底扩张、大陆漂移到板块俯冲— 碰撞。前二者涉及从大陆裂解到块体(板块)漂移的问题, 很大程度上需要用古地磁、古地理、地球化学等资料去分析和对比。板块的俯冲以及其后可能的碰撞作用是地球上留下最多痕迹的构造现象, 特别是初始俯冲的块体边界特征(Bird, 2003), 也是多年来中外地质学家持之以恒研究的主要问题(Mueller and Phillips, 1991; Conrad and Lithgow-Bertelloni, 2002; Mü ller et al., 2016)。不同时期有不同的古地理格局和特征, 亦即不同地质过程形成了不同的地表过程。国际上, 从岩石学、地球化学以及地球物理学方面对俯冲带以及碰撞带的恢复取得了大量的研究成果(Doglioni et al., 2007; Unsworth, 2009; Gerya, 2011; Gurnis et al., 2012; Hall, 2012)。特别是在蛇绿岩的类型划分、成因机理以及从大洋拉张到俯冲过程的沉积学等方面取得了一系列的认识。然而现有的古地理研究结果并没有清楚地表达初始裂谷、裂解中消失的大陆的格局、板块俯冲和碰撞过程以及碰撞后的大陆环境的古地理特征。另外, 对于板块俯冲和碰撞过程的研究, 目前总体上把大陆边缘造山作用过程分为俯冲、碰撞、造山和造山后的垮塌(伸展)4个阶段(van der Haeghe, 2012)。对于板块的俯冲作用所导致的陆缘变形和陆内变形的研究已有开展(Govers and Wortel, 2005), 但是相关的陆内和陆缘古地理学的研究相对缺乏。

近20年来, 中国地质学家相应地提出了一些发展和提升古地理学的建议(冯增昭, 2003; 马宗晋等, 2006; 蒋维红等, 2007; 郑秀娟等, 2013; 陈洪德等, 2017)。如何有效地适应多圈层相互作用和互惠基础上的古地理学研究, 如大氧化事件、古大陆裂解的周期性以及不同地区的气候响应, 同位素年代学的发展为之提供了可能。现今同位素年代学的发展, 促进了物源分析与年代格架、山体隆升与剥露、地表过程、环境变迁等的精细年代学研究(McDougall and Harrison, 1999; Mineralogical Society of America, 2017; Reiners et al., 2018), 为古地理的形成提供了精细的时间格架。需要重新思考古地理的研究范围以及涉及到的构造— 环境— 物质的相互作用。因此, 作者首次提出年代古地理学的概念, 并且给出了近年来在古地理格局研究中, 应用新的以同位素年代为主线的研究实例。

年代古地理学研究和探讨的是多元背景下的地表过程, 是构造— 环境(气候)— 物质相互作用、相互耦合的产物。如何真正检验上述三者的相互作用, 必须有时间为主线的对比和联系, 才能成为可能, 古地理学也才能真正地具有动态而非静态(固定论)的研究意义, 也才能使不同尺度条件下的构造应变(改造)和山体隆升或块体隆升的时间、速率, 与环境和气候的变化、沉积物的变化和改造、搬运、沉降的时间和速率相互结合, 实现古地理格局的动态化, 并与能源开发和利用、古大陆的重建、地球演化的时间和速率(EarthRate)相适应, 而不是单纯地以沉积— 古生物— 沉积相为主要依据的古地理学研究。

传统的古地理学研究虽然提供了可利用的信息, 特别是大陆和大洋或海洋的信息, 但掩盖了对过程的理解, 掩盖了气候的变化。地质上常用到的“ 穿时” 是不科学的概念。环境变迁、气候变迁, 古生物区系、赤道的变化, 所有这些的理论依据是精细时间约束下的多种深部、浅部、物质、运动和力的相互作用、相互耦合, 在现有的精细测年基础上将成为可能。而且在宜居地球研究中, 更多强调陆内过程、陆缘物质的来源变化、环境指标的变化以及海— 陆的相互作用、多圈层的相互作用。因此年代古地理学是连接深部、浅部、多圈层相互作用的很好的一门学科, 是动态的地质演化过程与表生过程相互结合的产物。

研究和理解古地理格局的变化时间、速率与古海平面、海洋环境与大陆的相关性, 洋— 陆相互作用的沉积和环境变化特征, 是宜居地球研究所面临的重要科学问题。另外, (1)由于精细的古大陆再造, 古地理研究曾在大西洋拉开的两侧对比中起到了重要的作用; (2)古陆(超大陆)聚合的特征对于古大陆裂解后的块体的对比有利; (3)板块漂移、汇聚如存在的大量的裂解时的砾石层或裂谷沉积组合, 精细的探讨裂解时的古地理特征将成为可能。

综合来说, 古大陆再造、大陆内部构造的复原、沉积过程的复原, 消失的大陆的发现, 大陆边缘和大洋的边界的发现, 山体抬升的时间演化、古环境的约束, 均离不开时间— 空间— 物质— 运动— 力学过程的相互作用, 因而年代古地理学的研究将成为可能, 而且势在必行。

中国东部边缘晚三叠世— 白垩纪的古地理变化(Wang et al., 2018), 具有从古亚洲构造格局到古太平洋构造域的转换, 相应地形成了不同空间发育的陆相盆地、火山活动。这些陆相沉积在区域对比时, 存在着相互不一致的特征。实际上, 从大陆边缘到大陆内部的变化, 并不是穿时, 而是从边缘到内部层圈状旋转、应力传递中的沉积— 岩浆活动响应。陆相的古地理特征有时候不具有可对比性, 而只有在精细的年代格架下才有可能(图4)。因此, 只有陆内构造特征的识别, 才能有效地分析地层的“ 穿时” — — 实际上并不是穿时, 而是气候— 环境对构造格局变化的响应。

图4

Fig.4

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图4 中国东部中生代中晚期盆地形成与区域构造演化的关系及古地理格局(引自Wang et al., 2018)(上图为燕山一带盆地从东到西由老到新的演化趋势, 火山作用与构造变形具有相同的变化趋势。下图为从中国东部边缘到鄂尔多斯地块西缘的变形和岩浆作用的时间— 空间变化。图中: D-构造变形, V-火山活动, G-花岗岩侵入体)Fig.4 Diagrams showing relationships of the middle-late Mesozoic basins and regional tectonic evolution in eastern China, as well the palaeogeography(from Wang et al., 2018)(Upper: The tendency of the basin formation is from older to younger from east to west in the Yanshan tectonic belt, eastern China; meanwhile, the volcanism and the deformation have similar tendency from east to west. Lower: Time-space changes and evolution of the magmatism and tectonic strain are from eastern margin of eastern China to western margin of the Ordos Basin. In the figure, D-deformation, V-volcanism, G-granitic pluton)

在扬子西缘的二叠纪古地理、古构造研究中, 发现二叠纪— 白垩纪期间的挤压作用改变了二叠纪及之前的地层序列与岩层产状。传统的古地理图中, 这一地区为中— 晚二叠世的海洋环境, 也包括松潘— 甘孜一带。然而详细的年代— 构造— 沉积分析后, 发现并非如此, 而是从东向西、从南到北存在着海平面之下复杂的裂谷系统形成的海— 陆— 海的沉积环境(Wang et al., 2014)(图5)。

图5

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图5 扬子块体西缘及松潘— 甘孜一带中晚二叠世海平面之下的构造格架及火山岩分布特征(上图为二叠纪火山岩(峨眉山玄武岩)及裂谷分布, 裂谷初始形成及大量火山岩喷发过程。下图为从东到西的地表沉积— 火山活动— 构造格架, 修改自Wang et al., 2014)Fig.5 Diagrams showing Middle-Late Permian palaeogeographic framework on the western margin of the Yangtze plate and Songpan-Garze Terrane(Upper: Permian volcanic eruptions(Emeishan basalt)and distributions of the rift system, together with the profile showing the initial rifting sedimentation and huge volcanic eruptions. Lower: volcanic-tectonic-sedimentation environment from west to east in the Yangtze plate, modified from Wang et al., 2014))

另外, 松潘— 甘孜南北的前三叠纪地层和基底岩石具有很好的可对比性, 并且与扬子地块上的二叠纪地层及玄武岩等具有可对比性。很显然其是在裂谷基础上的产物, 并不是残留海, 也不是弧后的拉张, 更不是大洋。该研究同样用到了大量的碎屑物的年代学分析(图5)。

台湾东部地区的沉积古地理、变质作用对于大地构造环境的约束具有重要的意义。前人认为台湾东部的玉里带和大南澳之间是一条缝合带, 并且认为东侧是与日本相连的(Yui et al., 2012)。然而详细的沉积岩分析以及大量碎屑锆石年代学分析发现大南澳和玉里带沉积物的物源相似, 并且具有晚侏罗世到早白垩世连续沉积的特征, 而且与福建沿海的长乐— 南澳走滑断裂带东侧的变质岩层的原岩有相关性(图6)。这与台湾海峡西南侧的钻井资料有相似的特征, 也就是说从福建沿海向东到台湾东部地区具有大陆边缘连续的沉积过程(图6)。

图6

Fig.6

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图6 福建— 广东沿海一带— 台湾东部中生代构造-沉积分布及沉积— 变质— 构造演化图引自(Wang et al., 2017)(上图为台湾海峡及邻域陆上和台湾一带构造— 岩石分布图, 下图为地层— 变质作用及构造叠加柱状图)Fig.6 Distribution diagram of Mesozoic tectonic-sedimentation and magmatism evolution along Fujian-Guangdong to Taiwan(after Wang et al., 2017)(Upper: Tectonic-petrologic distribution of the Taiwan Strait, Taiwan and connected mainland. Lower: profiles of strata-metamorphism and overprinted structures)

中国西北北山柳园一带古生代晚期有人认为是缝合带(Mao et al., 2012), 有人认为是造山后垮蹋(Zhang et al., 2011)。沿此带发育有巨厚的二叠纪玄武岩, 以及具有侵入关系的辉长岩等。详细的沉积岩的岩石学特征、年代学研究发现(Wang et al., 2017), 其南北两侧的沉积序列虽然变形作用很强, 但具有完好的对称性, 亦即沉积序列由粗到细, 由砾岩、含砾粗砂岩到粉砂岩到泥岩、泥灰岩。同时碎屑年代测定表明南北两侧的年龄完全一致, 并没有差异性: 时间一致, 物源相同。进一步的研究发现, 其南北两侧的奥陶纪— 志留纪的岩浆岩(即前人把此当作是二叠纪的弧岩浆岩)特征、形成时间完全一致。因此这是在造山带基础上再次裂开形成的裂谷产物(图7, 图8)。

图7

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	图7 中国西北部北山一带二叠纪构造— 火山— 沉积分布(Wang et al., 2017)Fig.7 Diagram showing the Permian tectonic-volcanic-sedimentation distribution in Beishan, northwestern China(Wang et al., 2017)

图8

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	图8 中国西北部北山一带二叠纪沉积作用、火山活动和侵入岩形成关系柱状图(Wang et al., 2017)Fig.8 Diagram showing relations of sedimentation, volcanism and gabbro intrusions of the Permian in Beishan, northwestern China(Wang et al., 2017)

华北中奥陶世— 中石炭世(O₂-C₂)平行不整合代表着彼时华北克拉通的演化特征: 没有沉积, 还是与周边构造相关联, 或者是发育与北美相似的冰盖覆盖?对此并没有清楚的认识。不同地区细致的铝土矿层的锆石U-Pb年龄测定表明, 平行不整合的形成具有不同的时间, 剥蚀深度不同, 由此可以约束华北古陆的边缘和范围, 特别是从东到西、从南到北的海陆环境变化的时间, 这对于华北南部早石炭世的海相沉积生油等环境具有重要的意义。另外, 陆上不同地带出现有泥盆纪的沉积, 同样需要精细地研究。在洛阳一带铝土矿层出现大量的440~445 Ma的沉积碎屑锆石, 上部覆盖有315~320 Ma的铝土层沉积(Wang et al., 2010), 表明中间可能有过沉积或者有过长期的覆盖, 而不是隆升。同样对于找油具有指导意义。还有几个问题没有解决: (1)不同地区是否曾经有过志留— 泥盆系沉积?(2)是近水平的古陆, 还是有巨大的厚度差异性(凹凸差异性大)的古陆?(3)与周边构造改造的关系; 与其他地区或者华北边缘的对比。而实际上, 细致的分析可以有效地建立华北在石炭纪的周边陆架或深水的特征, 从而进一步分析华北克拉通在奥陶纪以及石炭纪的古陆边界。

除此之外, 沉积— 物源— 造山相关联的研究可以进一步约束局部地区沉积作用的形成时间与造山的时间, 如青藏高原及大巴山等地的山体剥露、气候变迁, 而这些的主线即为精细的年代学约束。另外, 局部隆升对环境的改变, 如山体抬升— 剥蚀— 气候的相关性同样可以解决局部地区的气候和环境的变化。如天山、秦岭、太行山等地的年代学研究与环境的关系(张元元等, 2021)。

年代古地理学是优于传统的构造古地理学和沉积古地理学的, 原因在于传统的研究相对来说没有变化, 是相对稳态的, 也没有气候环境的变量在其中, 更没有差异性的信息。因此在用到大陆内部时、用到油气资源分析时存在很大的不确定性。地理学是研究地表过程的学科, 深部过程与气候和环境变化相结合的综合分析将成为可能, 而且现有的高精度的测年、成分和环境分析手段(王训练和吴怀春, 2016), 将进一步提升古地理学的深入研究。然而所有这一切只有在精细的同位素年代学条件下, 才能真正地研究古地理变化的机理、古地理变化和演化的速率, 而不是传统的以地质年代划分的古地理研究。把地球上的大陆、大洋演化, 特别是古大陆或者陆内的演化与大洋演化有机结合, 从而发现地球演化过程中的构造— 环境— 物质在特定的动力学环境下的水平运动、垂直运动等的四维变化, 大陆和大洋的转换, 以及同一地球动力学条件下大陆不同部位的演化特征。Gplate的应用(刘少峰和王成善, 2016)将会更加促进年代古地理学的研究, 从而真正意义上做到发现地球多圈层相互作用的规律、宜居地球的环境和条件的变化规律。

另外, 年代古地理学的研究将进一步约束古地理格局变化的速率, 而不单单是洋— 盆或大陆边缘沉降速率, 也将找寻消失的大陆, 划分真正的大陆边界, 为大陆重建提供有精细时间约束的古地理格局。

在深入理解和应用古地理学的基础上, 结合高精度的同位素年代学方法, 将构造— 环境— 物质相关联, 在认识大陆内部、大陆边缘的古地理格局的基础上, 提出建立一个新的学科— 年代古地理学。该学科强调研究方法和研究理念从传统古地理的“ 表生环境” 发展到表生过程的研究, 即地表环境、构造环境、物质和气候相结合, 研究构造— 环境— 物质相互作用的过程, 实现多圈层相互作用基础上的古地理学的发展和进步。随着新的年代学手段的不断发展, 在精细的构造、环境、物质迁移等研究基础上, 建立表生过程将成为可能。

致谢 适逢西北大学创建120周年, 利用《古地理学报》给予的机会, 借此文表示祝贺。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)