古地磁与古地理

6.3.1古地磁和古纬度、古地理

古环境是了解世界生物群的演化和发展的基础。这一结论中，古纬度很大程度上控制了气候以及沉积和侵蚀的特征，成为最重要的一个因素。而古地磁研究为古纬度的确定奠定了基础，而且根据古地磁资料与所有地质资料的综合分析，可估计陆块大小及海陆分布状况，并因此得出对综合环境的圆满解释，其他一些因素便可由这一综合环境确定。实际上，古生物学与古地磁学研究彼此补充，其中古地磁方法为更精确地恢复不同区域的位置提供了方便，而古生物学方法提出的化石分布特征则指示了不同区域之间的相互关系。例如两块大陆可能彼此靠近，但由于在大陆之间存在着海堤，生存于这两块大陆上的生物群就迥然不同，目前在太平洋中就观察到这种情形。除此之外，化石资料通常可供作古地磁定位的精确检验，古地磁资料又可用以指示这些区域是否为相邻区域，进而判断来自上述某区域的化石资料是否可疑。有关这类综合研究的例子很多，古生物学家通常将化石分布标到复原的古地磁图上来做这项工作。

地球上海陆分布的影响实际会改变不同区域的气候带分布，两极存在的冰体也是对气候的一个重要影响因素(Tarling，1978)。与其他星体大气圈的对比发现，目前冰体的移动可能导致形成一个低压极地而非目前地球上的高压极地。地质历史时期冰体几次消失，例如，侏罗纪—白垩纪发生了一次冰体消融，这期间，尽管仍存在基本的纬度变化影响，但当时世界气候可能与有冰体存在的今日世界显著不同。显然，许多这类分析是推断性的，但在主要大陆块体分布图上标出海陆形式、补充分析气候变化的特征，可能会导致对过去和现在气候控制因素的进一步理解。

6.3.2古地磁与古大陆再造

根据地心轴向偶极子理论，在一定的地质时间里，地球磁极应有其确定的位置，并且各个大陆所测定出的地质时期极移曲线也是一条确定形状的连线。在正常情况下，倘若一个地区受到构造活动的作用，必然会改变岩石正常的剩余磁化强度的数值和方向，进而给出不同的古地磁极位置和古纬度。自然，按照类似的道理推论，古地磁测定出的这些变化应是地壳运动的结果，因此，可以依据古地磁极位置、古纬度以及各种类型的古地磁极移动曲线来确定各个大陆之间、大陆内部块体之间的相对位置和相对运动方向与速率。事实上，全球的古地磁学数据表明，不同大陆上相同地质时代岩石的剩余磁性所测得的古地磁极位置具有明显的差异，就是各个大陆之间发生过相对运动的证据。

古大陆再造 ( reconstruction) 指对大区或全球古大陆在地史时期位置复原的研究。根据古地磁和其 他依据将古大陆的位置和方位表示在图上，称为古大陆再造底图( basemap) 。古大陆再造是全球构造研究的重要内容，古地理系列图是对地球板块构造演化史的重现，它们以 “时间切片”( Time Slices) 的形式描绘了现今各个大陆或地块在不同地质历史时期的相对位置和海陆关系。可靠的古地磁数据可以提供两个方面的资料: 第一，用来确定大陆或地块的古纬度和古方位; 第二，如果两个大陆 ( 或地块) 的极移曲线都比较完善，则可以利用极移曲线的拟合确定大陆 ( 或地块) 之间的相对位置。以约250Ma 泛大陆的再造为例，如果利用极移曲线拟合确定了其他大陆 ( 或地块) 相对于北美大陆的位置，然后根据北美大陆某一参考点的古纬度和古方位，就很容易恢复泛大陆在行星地球上的位置。把地球近似看作一个旋转的扁球体，决定气候和地质环境的主要因素是纬度和海陆格局，这两个方面都可以从古地磁研究中获得直接的证据。所以，许多古地磁学者一直致力于各个大陆和地块的极移曲线建设。

利用古地磁数据建立古地理再造图，首先确定某个地质历史时期相对稳定的古陆块体边界及其中心参考点，再确定各个块体当时的方位、古经度和古纬度; 然后按照古经度、古纬度和古方位将陆块进行位移复原; 最后用地图投影的方法绘制出古地理再造图。

具体分 3 个步骤:

1) 从地质研究角度判定各个古陆块的界线，进行必要的分离和拼合。

2) 依据古地磁资料确定各个大陆原来的位置，需要用到 3 个参数: 古经度、古纬度和古方位，这 3 个参数是以地块中心参考点进行测量的，其他点则根据与中心参考点的相对关系进行计算。

3) 古大陆位置的复原，这一过程主要涉及有限旋转与欧拉定律，以及相应的地图投影。其中关键点是关于欧拉极的求解和旋转。一般来说，可以依据对板块运动的实际观察结果来求得欧拉极。

旋转操作即是根据各个陆块的现代坐标去计算其过去的坐标位置，计算过程中先采用地心坐标系 ( 空间笛卡儿坐标，记为 A( Ax，Ay，Az) ) ，再将计算结果转换成大地坐标系( 经纬度坐标，记为 A ( B，L) ) ，最后进行地图投影。两种坐标系的转换关系如下:

岩相古地理学

设点A的坐标为A(A_x，A_y，A_z)，旋转后的坐标为A'(A'_x，A'_y，A'_z)，A'可用两个3×3矩阵R相乘得到:A'=R×A

其中R的值由欧拉极坐标E(E_x，E_y，E_z)和旋转角Ω求得。

6.3.3古地磁与中国主要大陆的形成演化

黄宝春等(2008)在汇总前人工作的基础上，对迄今发表的有关扬子地块、华北地块和塔里木地块的古地磁数据进行了分析。从收集到的194个、117个和44个古地磁数据，根据国际通用古地磁数据可靠性判据，分别筛选出数据可靠性指数Q≥3的古地磁极数据87个、58个和37个。建立了华北地台、扬子地块与塔里木地块的视极移曲线(表6.3;图6.7)。

表6.3 华北地台、扬子地台及塔里木地块显生宙古地磁极位置

注:N—参加统计的古地磁极数量;λ_P/φ_P—古地磁极位置的纬度和经度;Q，E，K，J，T，P，C，D，S，O及分别代表第四纪、古近纪、白垩纪、侏罗纪、三叠纪、二叠纪、石炭纪、泥盆纪、志留纪、奥陶纪和寒武纪，其中1，2，3分别代表早、中、晚;α₉₅(D_P/D_m)，95%置信圆锥半顶角(或95%置信椭圆半短轴/半长轴)。^*95%置信度大于16°的古地磁极位置。

(据黄宝春等，2008)

如图6.7所示，华北地块、扬子地块和塔里木地块在寒武纪、奥陶纪乃至整个古生代及早中生代，视极移曲线在形态上仍存在明显差异，且简单的旋转难以消除这些差异。相对而言，早古生代扬子地块与塔里木地块的古地磁极位置比较接近，其运动轨迹亦有一定相似性;而华北地块有自己独立的运动轨迹。晚侏罗世以来，3个地块的视极移曲线基本趋于一致，表明三大地块在运动学上已成为整体。而从古生代中期至早中生代之间，各块体的视极移曲线变化比较复杂，除了某些时段数据的不足与误差之外，更可能反映了这一时期各块体曾发生过显著的相对运动。

华北地块早寒武世(图6.8A)位于南纬约17°(参考点:110°E，35°N)，若将华北地块的视极移曲线沿欧拉极(4.9°N，0.2°E)顺时针旋转133.5°，使其与固定非洲参考系下的冈瓦纳大陆早古生代视极移曲线相重叠，可得出早寒武世华北地块位于东冈瓦纳大陆(即南极洲、澳大利亚及印度联合古陆)的东缘，说明在早寒武世，华北地块可能曾与南极洲、澳大利亚古陆比较接近，也不排除华北地块曾是东冈瓦纳大陆东缘的一部分。但在中寒武世之后，华北地块和冈瓦纳大陆的古地磁视极移曲线已开始分离，表明华北地块与东冈瓦纳大陆之间存在着显著的相对运动。至中晚泥盆世，华北地块很可能已漂移至澳大利亚大陆的东北缘。中寒武世以来，华北地块与冈瓦纳大陆之间的相对运动或短暂分离与生物古地理研究结果一致。三叶虫古地理研究表明，至中奥陶世，华北地块、扬子地块和澳大利亚地块已分属不同的生物古地理大区，华北地块更接近于西伯利亚原特提斯生物古地理大区;牙形石生物古地理及碳酸盐岩沉积相研究也进一步证实，华北地块与西伯利亚地块的亲缘性高于亚澳大区。从寒武纪至中、晚奥陶世，华北地块基本上无明显的纬向位移，约作了近21°的逆时针旋转，始终处于南半球低纬度地区。从奥陶纪至晚石炭世，随着冈瓦纳大陆向南半球高纬度地区的快速漂移，华北地块已完全与冈瓦纳大陆分离，并向北漂过赤道，成为古特提斯洋中的离散块体(图6.8B)。晚石炭世，华北地块地处赤道以北的热带地区，现今山东地区(参考点:35°N，119°E)的古纬度约为北纬5.4°。晚二叠世至早三叠世，华北地块仍略向北移动并伴有少量的逆时针旋转，早三叠世至晚三叠世，华北地块发生快速北移，纬向变化可达10°左右，无明显的旋转运动。晚三叠世至中侏罗世，华北地块无明显的纬向变化，但发生了约43°的逆时针旋转，新生代华北地块不仅在取向上，且在纬度上均与现今基本一致。

图6.7 扬子地块、华北地块和塔里木地块显生宙古地磁极移曲线(据黄宝春等，2008)

扬子地块和塔里木地块现有早古生代古地磁数据均表明，两者这一时期亦位于南半球的低纬度地区，且与冈瓦纳大陆的亲缘性为大量的地质和古生物地理证据所支持。若将扬子地块的视极移曲线绕欧拉极(39.8°N，134.7°E)作逆时针方向旋转51.6°，则扬子地块中寒武世古地磁极与冈瓦纳大陆一致，由此可认为扬子地块当时位于南极洲、澳大利亚联合古陆的西缘(图6.8A)，说明寒武纪时扬子地块乃至塔里木地块很可能与西澳大利亚地块相邻或同属于冈瓦纳大陆的一部分。与当时的华北地块显著不同，扬子地块很可能直至晚泥盆世，古地磁极才与冈瓦纳大陆视极移曲线开始分离。扬子地块在泥盆纪以前，视极移曲线与冈瓦纳大陆基本保持一致。泥盆纪之后，随着澳大利亚大陆从位于北半球赤道附近开始作顺时针旋转并向南快速漂移，扬子地块开始与冈瓦纳大陆分离。至晚石炭世，两者也已完全分离(图6.8B)。总之，古生代期间，扬子地块处于赤道附近，但曾作过约77°的顺时针旋转。晚二叠世之后，扬子地块与华北地块在古纬度上的变化具有相似性，可能是由于扬子地块在北漂过程中推着华北地块同步运动的结果。但扬子地块在北漂过程中是作顺时针方向旋转。特别是从晚三叠世至中侏罗世，扬子地块约作了近30°的顺时针旋转。晚侏罗世之后，在古地磁数据的置信范围内，扬子地块与华北地块之间的相对运动已经结束，两者在运动学上已成为整体。

图6.8 现代地理坐标系下扬子地块、华北地块和塔里木地块早寒武世(A)和中石炭世(B)古地理重建(据黄宝春等，2008)

塔里木地块前中生代古地磁数据非常缺乏，但其与冈瓦纳大陆间的亲缘性很可能可以追溯至新元古代早期。塔里木地块很可能于晚奥陶世脱离冈瓦纳大陆，至中志留世已漂移到北纬低纬度地区(约14°N)并伴有约15°的顺时针旋转;至晚石炭世已漂移到北纬27°;晚石炭世至晚二叠世，塔里木地块的古纬度无显著变化。