晚古生代泛大陆聚合过程中板块碰撞的运动学分析

李江海， 李维波， 王洪浩，张华添 毛翔

1) 造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京大学地球与空间科学学院，北京, 100871;2) 北京大学石油与天然气研究中心，北京, 100871

内容提要：本文基于古板块再造方法，通过收集和筛选全球晚古生代古地磁数据，恢复再造泛大陆的构造格局及其聚合过程。晚古生代，全球板块的运动轨迹表明，全球板块整体以顺时针旋转的方式运动，聚合形成泛大陆。通过分析单个板块的运动学特征以及不同板块间的相对运动，表明在泛大陆聚合过程中，至少出现四种碰撞方式：① 追尾式碰撞：不同板块在同向运动过程中，板块运动速度存在差异，如前方板块速度慢于后方板块，则会造成其间洋盆逐渐收敛—关闭，如莱茵洋(海西造山带)、索伦洋(索伦山造山带)等。 ② 侧向式碰撞：两个板块运动轨迹大角度交叉，发生侧向碰撞，如波罗的板块向北运动过程中与向东北运动的西伯利亚板块碰撞，造成乌拉尔洋盆闭合，形成狭长的造山带。③ 错车式碰撞：两个板块，同向或者相向交错运动，在其侧翼发生走滑—斜向式聚合。如塔里木和华北板块转动方向相反，在侧翼斜向对接，以洋盆属性不明和走滑断层系发育为特征。④ 拥堵式碰撞：多个大板块之间汇聚区域的小陆块和地体发生多边汇聚，广泛出现岛弧增生和残余洋盆，如中亚造山带。

在全球古板块再造研究中，普遍通过古地磁方法并结合地幔柱制约来恢复古板块位置(Collins ，2003；Torsvik et al.，2008, 2012；Zorin et al.，2009; Domeier et al., 2012; Angiolini, 2013；Smethurst et al.，1998；Golonka et al.，2003)。而在区域构造研究中，大多数侧重对造山带构造格局及俯冲碰撞造山过程的研究(李锦轶，2004；杨巍然等，2012；许志琴等，2012；翟明国, 2012; Görz et al.，2010; Long Xiaoping et al., 2012； Zhou Jianbo et al., 2013；Xiao Wenjiao et al., 2012, 2013)，即板块边界上相对的运动及其地质演化过程。然而，对于同一板块不同板块边界之间的构造关系，以及板块运动轨迹与板块边界上的相对运动两者之间的关系，缺乏系统的研究。与此相关的问题还有，板块运动过程中，板块之间的洋盆是如何关闭的(不仅仅是板块之间的相对运动)？板块运动轨迹与俯冲带发育的关系是什么？俯冲带如何随着时间发生迁移？板块两侧的扩张洋盆和收敛洋盆是否在时间上相对应？陆块之间不具备开阔大洋条件下，如何发生汇聚碰撞和造山？多板块之间的洋盆如何关闭形成造山带(如中亚造山带)？

泛大陆为晚古生代形成的超级大陆，对于地球演化具有重要影响，本文选择其聚合过程开展运动学研究，在全球构造格局和板块构造演化的背景下，重点依据全球古地磁数据的古板块再造研究(Torsvik，1996)和区域上重要碰撞造山带的运动分析(Collins，2003；Abrajevitch et al.，2007；Levashova et al.，2007)，将地史上不同板块的运动轨迹和板块边界上相对运动结合起来，对上述问题进行尝试性的探讨。

1 古地磁数据的筛选及板块再造方法

本文在全球古地磁数据库(GPMDB 4.6)(Pisarevsky，2005)的基础上，补充了2004年之后发表的古生代古地磁数据，并根据V90判据[① 采样地层的年代得到精确地确定，且假设磁化年龄等于实际的岩石年龄；② 足够数量的独立采样点和独立定向的样品；③ 正确的退磁技术和记录；④ 野外检验来限定磁化年龄；⑤ 构造控制以及与相关克拉通或板块的一致性；⑥ 地磁极性倒转的存在；⑦ 与较晚时期的古极点没有相似性。](Van der Voo，1990)，筛选品质因子Q≥3的古地磁数据。对非洲板块、南美板块、北美板块、波罗的板块、西伯利亚板块、澳大利亚板块、哈萨克斯坦板块、塔里木陆块、准噶尔各岛弧和地体、华北陆块、阿穆尔陆块以及扬子陆块志留纪—二叠纪之间的古磁数据的筛选结果可见附表。

古地磁视极移曲线是认识板块运动的有效途径之一，其形态变化反映板块对接前的平移、旋转运动以及对接后板块间的地壳缩短和相对旋转等因素，因此，可用以分析板块的古大地构造环境(余辉龙等, 2002)。本文采用“球面样条法”(Spherical Spline Method)(Buss and Fillmore, 2001；Jupp and Kent, 1987；Torsvik et al., 1990；Torsvik et al., 1992)，选择Q值为加权值，以300为样条的参数，对各个板块的视极移曲线进行拟合，选取摩尔维德投影方式，对古板块位置进行恢复。

通过板块的视极移曲线并选取合适的参考点，可以计算古板块在某个特定古地理位置时的纬向漂移速率(实际的漂移速率肯定比纬向漂移速率大)和旋转速率(Torsvik et al., 1992)。计算获得的北美板块、非洲板块、波罗的板块、西伯利亚板块、华北和塔里木陆块志留纪—二叠纪期间的纬向漂移速率以及旋转速率如图5、6、7所示。通过相关板块运动学对比和分析，可获得泛大陆聚合过程中板块碰撞的运动学特征。

2 晚古生代的泛大陆聚合构造背景

晚古生代泛大陆聚合期间存在的洋盆包括：乌拉尔洋(西伯利亚板块、波罗的板块、哈萨克斯坦板块之间)、莱茵洋(劳俄板块与冈瓦纳大陆之间)、古亚洲洋(西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块、华北陆块和阿穆尔陆块之间)、蒙古—鄂霍茨克洋(西伯利亚板块、阿穆尔陆块和华北陆块之间)、索伦洋(阿穆尔陆块和华北陆块之间)、突厥洋—天山洋(波罗的板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块之间)(Biske et al., 2010)、秦岭洋(华北陆块和扬子陆块之间)、古特提斯洋(劳亚大陆、塔里木陆块、华北陆块和冈瓦纳大陆之间)。这些洋盆交织出现于不同板块和陆块之间，并随着板块的运动而发生洋盆规模的扩张或缩小(图1)。古亚洲洋晚古生代以持续闭合为特点。亚皮特斯洋、通奎斯特洋、莱茵洋、古特提斯洋、新特提斯洋洋盆依次具有此消彼长演化更迭特点(Cocks et al.，2006；Nance et al.，2010; Metcalfe，2011)。古特提斯洋盆向北俯冲，新特提斯洋盆张开，两者构造演化此消彼长，并以基默里大陆相隔(图1)。古亚洲洋与古特提斯洋也具有此消彼长的构造演化关系，其间以塔里木、华北等多个陆块相隔。随着上述洋盆陆续关闭，石炭纪—二叠纪形成的主要造山带包括：中亚造山带(Abrajevitch et al.，2007；Yakubchuk，2004)，乌拉尔造山带(Levashova et al.，2007)、华力西—阿巴拉契亚造山带(Collins，2003)秦岭—大别造山带(王清晨等，1989)、天山—突厥造山带(李锦轶，2004)、索伦山造山带(孙德有等，2000)、泰梅尔造山带(Torsvik et al.，2002)。它们主要出现于劳亚大陆及其周围，造成泛大陆的最终拼合。

华力西—阿巴拉契亚造山带由大量地体组成，属于增生型造山带，发育于波罗的板块与劳伦板块之间(Kalvoda et al，2010)，拼合时间晚于加里东造山带。晚石炭世，劳俄古陆、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块聚合，乌拉尔洋盆闭合，乌拉尔造山带形成，古特提斯洋盆形成并向北俯冲(Scotese, 1997)。泛大陆的聚合，形成于劳伦大陆、波罗的板块、西伯利亚板块、冈瓦纳大陆等持续向北纬地区的运动过程中。其中，西伯利亚板块在晚古生代还持续地发生顺时针转动(Smethurst et al., 1998)。可以推测，它们之间的多个洋盆(乌拉尔洋、莱茵洋等)，在石炭纪—二叠纪闭合于板块向北运动导致洋盆相对缩短的过程中。

图 1 泥盆纪(约390Ma)全球古板块构造格局演化图 (摩尔维德式投影；图中箭头指示板块运动趋势；古地磁数据据全球古地磁数据库GPMDB；Scotese, 1997；方大钧等, 2001；黄宝春等, 2008；造山带据Golonka , 2011；Scotese, 2002)Fig. 1 Tectonic framework of global plates in Devonian (390Ma) (Mollweide projection；the arrows indicate the movement trend of different plates and blocks； paleomagnetic data are from GPMDB, Sxotese, 1997; Fang Dajun et al., 2001; Huang Baochun et al., 2008；Orogenic belts modified after Golonka , 2011；Scotese, 2002 )

图 2 石炭纪(约330Ma)全球古板块构造格局演化图 (俯冲带据 Scotese, 2002;岩浆岩省据 Kravchinsky，2012；断裂带据De Boorder, 2012;图例参照图1)Fig. 2 Tectonic framework of global plates in Carboniferous(330Ma) (Subduction belt modified after Scotese, 2002；LIPs modified after Kravchinsky，2012；fault zones modified after De Boorder, 2012. Legend refers to figure 1)

图 3 泛大陆260 Ma构造格局图 Fig. 3 Tectonic framework of Pangea at 260Ma古地磁数据据全球古地磁数据库GPMDB；Scotese，1997；朱日祥等，1998；方大钧等，2001；黄宝春等，2008；易治宇等，2012；李朋武等，2012等。裂谷系和热点据Nikishin et al.，2002；Courtillot et al., 2003；Kuzmin et al., 2010；造山带据Golonka, 2011， Scotese，2002；上地幔低速带据 Torsvik et al., 20081—准噶尔；2—塔里木陆块；3—柴达木地体；4—昆仑地体；5—阿穆尔陆块；6—华北陆块；7—扬子陆块；8—加里曼丹板块；9—印支板块；10—马来西亚陆块；11—伊朗板块；12—土耳其板块；A—西伯利亚地幔柱(250±1Ma)；B—塔里木地幔柱(280Ma±10Ma)；C—峨眉山地幔柱(259±3Ma)Paleomagnetic data are from GPMDB; Scotese, 1997; Zhu Rixiang et al., 1998; Fang Dajun et al., 2001; Huang Baochun et al., 2008; Yi Zhiyu et al., 2012; Li Pengwu et al., 2012；Rifts and mantle plumes modified after Nikishin et al.，2002, Courtillot et al., 2003 and Kuzmin et al., 2010; Orogenic belts modified after Golonka, 2011 and Scotese, 2002; Low Shear Wave Velocity Provinces modified after Torsvik et al., 20081—Junggar;2—Tarim block; 3—Qaidam terrane; 4—Kunlun terrane; 5—Amuria block; 6—North China block; 7—Yangtze Block; 8—Kalimantan plate; 9—Indo-plate; 10—Malaysia block; 11—Iranian plate; 12—Turkey plates; A—Siberian mantle plume (250 ± 1Ma); B—Tarim mantle plume (280Ma ± 10Ma); C—Emeishan mantle plume (259 ± 3Ma)

石炭纪—二叠纪古亚洲洋盆(蒙古—鄂霍茨克洋)持续收缩关闭，古特提斯洋开始向北俯冲，基默里陆块群开始从冈瓦纳大陆北缘裂解，其南侧的新特提斯洋开始扩张(图1)(Scotese, 1997；Torsvik et al., 2002；王鸿祯等，2006)。塔里木、华北、扬子、中蒙古等陆块群处于古亚洲洋和古特提斯洋之间。泛大陆外围被泛大洋环绕，两者之间出现规模巨大的俯冲带(Torsvik et al., 2002)。泛大陆330Ma 开始逐渐聚合形成，晚二叠世(约250Ma)规模达到最大，东缘出现新的洋壳。泛大陆聚合过程中，全球所有板块并未同时聚合，一些大陆以裂谷分隔，分布在泛大陆的边缘(Torsvik et al.,2002)。

3 板块运动与俯冲带发育、洋盆收敛的关系

本文制作了晚古生代(泥盆纪、石炭纪、二叠纪)全球板块不同时间节点的古板块造山带再造图及其运动轨迹图(图1～4)，提供了不同板块的漂移轨迹，并考虑了它们在空间上运动的相容和谐和关系。在恢复古板块位置的基础上，增加了同期板块运动边界、古洋盆等构造制约，展示某个时间点全球的构造格局特征。通过分析单个板块、陆块的运动轨迹、以及不同板块、陆块之间的相对运动，可以获得同一板块前缘和后侧的洋盆发育特点，并分析它们之间洋盆关闭的碰撞运动方式。

图 4 泛大陆晚古生代聚合过程中不同板块和陆块运动轨迹示意图Fig. 4 Drift path of different plates and blocks during the assembly process of Pangea in Late Paleozoic摩尔维德式投影；Kaz代表哈萨克斯坦板块，T代表塔里木陆块；图中箭头指示板块运动趋势，标有不同数值的板块形态指示其当时的位置，虚线圆圈指示板块汇聚中心。数据来源GPMDB，黄宝春，2008；朱日祥，1998；易治宇，2011；李朋武，2012；方大钧，2001； Lawver et al，2002； Scotese，2001；Collins，2003等Mollweide projection, Kaz represents Kazakhstan Plate, T represents Tarim Block. The arrows indicate the movement trend of plates and blocks, The plate morphology with different values indicate paleolocation and time. Dashed circle indicates the convergence center of plates. Data are from GPMDB4.6,Scotese, 1997; Zhu Rixiang et al., 1998; Fang Dajun et al., 2001; Huang Baochun et al., 2008; Yi Zhiyu et al., 2012; Li Pengwu, 2012; Lawver et al., 2002; Collins, 2003

晚古生代板块轨迹(图4)：420～260Ma期间，非洲板块中心位置由南纬50°左右向北移动到南纬10°左右；北美板块中心位置，由南纬20°左右向北移动到北纬10°左右。西伯利亚板块中心在早志留世(440Ma)在北纬10°左右位置，之后一直向北移动，晚石炭世到早二叠世(300Ma)移动到北纬75°，之后向南移动，250Ma左右移动到北纬60°左右位置。在440～250Ma期间，波罗地板块中心位置由南纬50°左右向北运动到南纬10°左右；在380～260Ma期间，澳大利亚板中心位置由南纬5°左右向南运动到南极附近。440～250Ma期间，扬子陆块一直在赤道附近移动，纬度变化较小。在380～340Ma期间，华北陆块则体现为由北纬15°左右向赤道移动，到340～260Ma期间，又由赤道向北移动。综上所述，在泛大陆聚合过程中，南美板块、西伯利亚板块、波罗的板块、澳大利亚板块、塔里木陆块、华北陆块等在古生代的运动轨迹总体上具有顺时针旋转的趋势，多个板块呈顺时针的漩涡式运动聚合。且在上述聚合过程中，板块的汇聚中心在现在的中亚地区。板块运动起点与终点之间的洋盆是持续变化的，其最终对接板块与起点板块位置无必然的对应关系。

3.1 俯冲带位置迁移与板块运动轨迹

板块运动的前缘为俯冲带发育的有利位置，如西伯利亚南缘早古生代开始出现俯冲带，波罗的板块东缘晚泥盆世开始出现俯冲带等(图1、图2)。俯冲带的长期发育，记录了长期运动的板块前缘与洋壳之间相对缩短作用的产物，具有明确的运动指示意义，它的方位大致垂直板块运动轨迹，类似弓—箭几何关系。

晚古生代期间，西伯利亚板块大幅度地由北半球低纬地区向高纬地区运动，并发生大幅度的顺针旋转(图4)。随着西伯利亚现今北缘泰梅尔洋盆的扩张(Görz et al.， 2010), 在西伯利亚板块运动的前缘(即现今其南侧)，当时为宽阔的古亚洲洋盆，并发育向西伯利亚板块(向北)俯冲的俯冲带，即图瓦—蒙古岛弧。随着西伯利亚板块运动，图瓦—蒙古俯冲带持续后撤，并随着西伯利亚板块的顺时针旋转，旋转超过120°(图4)。晚古生代西伯利亚发生约6000km的北向漂移和长期的顺时针旋转，造成西伯利亚板块运动的前缘(现今南缘)，长期发生与古亚洲洋壳俯冲相关的地壳增生和拼贴作用，并形成宽阔的中亚造山带(晚中生代鄂霍茨克洋盆最终关闭)。

与西伯利亚板块南缘(现今位置)相对应，其北缘—东北缘从文德纪到三叠纪为被动陆缘盆地(Khudoley et al.，2003)，代表当时的西伯利亚板块运动后缘的扩张洋盆。直到侏罗纪被东北亚地区左旋走滑斜冲构造带叠加。志留纪—泥盆纪，西伯利亚相对波罗的板块顺时针转动, 古亚洲洋盆向西伯利亚板块之下俯冲，形成阿勒泰和乌拉尔岛弧。因此，西伯利亚板块南缘的古生代俯冲带方位变化，及其运动迁移具有风车状顺时针旋转和持续后撤的特点。

在晚古生代泛大陆形成期间，劳俄板块向北漂移，自转并不明显(Zemtsov，2007)，在其运动前方的乌拉尔洋内，形成向劳俄板块之下俯冲的俯冲带，向西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块聚敛(Buslov et al., 2004)。

3.2 晚古生代洋盆性质与闭合作用

晚古生代泛大陆聚合过程，主要涉及古亚洲洋、古特提斯洋和泛大洋的构造演化，以及其间多个小洋盆的张开—闭合过程，如莱茵洋、乌拉尔洋、突厥洋、准噶尔洋、索伦洋、秦岭洋等。总体上，它们可以划分为复杂洋盆和简单洋盆两类：1)复杂洋盆，具有漫长的地质演化历史，可达数亿年之久，处于多个板块和陆块之间，演化过程复杂，常涉及次级洋盆的张开和关闭，最终关闭过程漫长且复杂，并可能有残留洋盆出现，涉及多个板块和陆块作用。如古亚洲洋形成于新元古代，洋内发育多个陆块和岛弧，直到侏罗纪才最终关闭；2)简单洋盆，主要发育于两个板块或陆块之间，张开—闭合历史较短，如莱茵洋、索伦洋、秦岭洋等。

晚石炭世，西伯利亚板块西北缘出现南阿纽伊洋，西伯利亚板块西南缘与哈萨克斯坦板块之间为乌拉尔洋，波罗的板块侧向上碰撞西伯利亚板块，造成乌拉尔洋盆关闭，南阿纽伊洋持续到二叠纪。乌拉尔洋盆晚古生代长期为西伯利亚板块与波罗的板块之间的侧向间隔的洋盆，两侧边界可能以转换断层边界为特征，随着波罗的板块由南半球跨越赤道向北半球中纬地区的运动，并伴随着顺时针旋转，在波罗的板块当时的南侧出现亚匹特斯洋盆扩张，在当时北侧则出现乌拉尔洋盆向波罗的板块之下的俯冲的现象。石炭纪，西伯利亚板块相对波罗的板块顺时针转动，塔里木陆块相对波罗的板块反时针转动，形成哈萨克斯坦山弯，南乌拉尔造山带构造活动静止(Görz et al.， 2010)。突厥洋—天山洋处于波罗的板块与塔里木陆块北缘之间，随着这两个板块向北运动并且发生顺时针运动，洋盆以扩张为主，塔里木陆块后缘的南天山洋扩张，随着塔里木陆块运动而持续扩张，到古生代末期开始收敛和俯冲。早奥陶世(480Ma)，塔里木板块由向南运动转为向北运动, 指示强烈的板块聚合事件。早泥盆世—早二叠世期间，塔里木板块发生顺时针旋转67°(朱日祥等，1998)，对应于天山洋盆的关闭—碰撞造山事件(Chen Chuming et al.，1999)。

综上所述，泛大陆聚合过程中，洋盆的历史并非威尔逊旋回所概括的那样简单，洋盆初始发育也可以来源于早期洋盆的继承和圈闭，洋盆也可以不闭合和未碰撞造山。板块运动可能是决定洋盆发育的重要原因，而非洋盆发育的结果。

4 典型碰撞造山带的构造运动分析

分析单个板块(北美板块、非洲板块、波罗的板块、西伯利亚板块、华北陆块、塔里木陆块)晚古生代的运动学特征以及不同板块间的相对运动，可以得出在泛大陆聚合过程中，至少出现四种碰撞造山作用：追尾式碰撞、侧向式碰撞、错车式碰撞、拥堵式碰撞。

4.1 追尾式碰撞

不同板块同向运动过程中，板块运动出现速度的差异，如前方板块速度慢于后方板块，造成其间洋盆逐渐收敛—关闭，如莱茵洋(海西造山带)、索伦洋(索伦山造山带)等(图4)，本文将这种碰撞方式称为追尾式碰撞。由于碰撞板块之间相对运动的速率较小，追尾式碰撞造山难以发生大规模的地壳缩短，更多是以陆块拼合作用为主。

图 5 北美板块、波罗的板块和非洲板块纬向漂移速率和自转角速度对比Fig. 5 Paleolatitude change, drifting velocity and rotating velocity of North America, Baltica and Africa during the assembly of Pangea in Late Paleozoic

奥陶纪—泥盆纪期间，冈瓦纳北侧(现今北非)为被动大陆边缘，莱茵洋内发育一系列岛弧(图5)。晚古生代，俯冲增生作用造成莱茵洋盆的关闭和构造反转。在约370Ma，劳伦板块、波罗地板块和阿瓦隆尼亚地体右旋—斜向碰撞形成劳俄大陆，并且莱茵洋盆向北俯冲，开始收缩，直到关闭(约280Ma)，形成泛大陆(Nance et al. ，2010；Murphy et al.，2010)。通奎斯特洋盆、莱茵洋盆先后关闭，形成华力西—阿巴拉契亚造山带。冈瓦纳与劳俄大陆石炭纪期间碰撞(华力西—Alleghanian 造山作用)，形成泛大陆(Bozkurt et al., 2008)。冈瓦纳被动陆缘石炭纪向北俯冲于阿瓦隆尼亚增生拼合的地体之下，形成周缘前陆盆地和褶皱冲断带(Johnston et al., 2010)。莱茵洋盆闭合期间(晚泥盆世—二叠纪)，沿着华力西造山带发生大规模右旋剪切，与劳俄大陆(劳伦和波罗的板块组成)顺时针旋转相关(Visser et al.，1998；Shelley and Bossiere , 2000)。两者碰撞后，二叠纪持续向北运动。莱茵洋与亚匹特斯洋、通奎斯特洋互为消长。

在石炭纪末，莱茵洋盆向北俯冲关闭，形成于劳俄大陆和冈瓦纳大陆(非洲代表)持续北向漂移期间。冈瓦纳大陆石炭纪北向漂移持续提速(Torsvik et al.，2010)，达到6cm/a，其北向漂移速率快于波罗的板块(图5)，造成追尾式板块碰撞。冈瓦纳大陆在碰撞后，二叠纪初又减速。劳伦大陆志留纪—石炭纪发生大幅度顺时针旋转、冈瓦纳大陆发生大幅度反时针旋转，两者追尾并斜向碰撞形成华力西造山带(Shelley et al.，2000)。

冈瓦纳大陆在泥盆纪—早石炭世期间，处于南半球的高纬地区，并且发生大幅度顺时针旋转，并且运动方向由向南漂移，转变为向北漂移。在晚古生代冈瓦纳大陆向北运动过程中，在其西南缘出现Terra Australia造山带(Murphy et al.，2010)，记录了太平洋板块对冈瓦纳大陆的俯冲作用。

在晚古生代，华北陆块北缘与阿穆尔陆块之间出现索伦洋，两个陆块持续在向北运动过程中，华北陆块与阿穆尔陆块发生追尾式碰撞，造成两者之间的索伦洋盆相向俯冲，发生洋盆关闭和陆块碰撞。

4.2 侧向式碰撞

两个板块运动轨迹大角度交叉，则会发生侧向碰撞，如在晚泥盆世—早二叠世，波罗的板块向北运动过程中与相对静止的哈萨克斯坦板块和向东北运动的西伯利亚板块先后发生侧向碰撞。中泥盆世，波罗的板块东缘开始出现萨克马尔(Sakmarian)岛弧—弧后盆地。到晚石炭世—早二叠世，乌拉尔洋斜向关闭(Windley et al., 2007)，此处发育前陆冲断带(Nikishin et al.，1996；朱伟林，2012)，且南段的碰撞造山早于北段(中二叠世)。乌拉尔碰撞山脉狭长，并伴随有左旋走滑剪切变形(Metelkina et al. 2005)。侧向碰撞具有不可预见性和偶然性。晚古生代期间，西伯利亚与波罗的板块之间的洋盆发育显示复杂的关系。

塔里木陆块与哈萨克斯坦板块碰撞，也具有侧向式碰撞特点，岛弧杂岩带大幅度弯曲形成马蹄形构造。乌拉尔造山带截切中亚造山带，造成不同造山带空间格局的截然变化，乌拉尔造山带明显不协调于中亚造山带弧形构造系，也支持波罗的板块侧向碰撞的解释。西伯利亚板块早古生代转动并不明显, 到石炭纪—二叠纪，西伯利亚板块开始顺时针旋转(Smethurst et al., 1998)，推测与波罗的板块由南向北运动的侧向碰撞造成的干扰相关(图6)。波罗的板块对西伯利亚板块南缘俯冲带的发育影响不大，也支持侧向碰撞的解释。

西伯利亚板块晚古生代大幅度旋转，开始于它与波罗的板块之间在北极区的点碰撞(Golonka et al.，2003)，支点的形成造成大幅度旋转，也是乌拉尔喇叭口洋盆闭合的主要方式。处于华力西和乌拉尔两条海西期造山带的滨里海地区，受构造改造最弱，保留了古生代克拉通边缘盆地的原型，成为重要的油气盆地。

4.3 错车式碰撞

错车式碰撞是指，两个板块或陆块，以同向或者相向交错运动，在其侧翼发生走滑—斜向式聚合。错车式碰撞发生于相关板块和陆块非主导的板块边界上，如板块或陆块侧翼，明显具有造山带构造属性模糊的特点和碰撞造山作用偶然的性质，缺乏高峰期造山运动。如塔里木陆块和华北陆块之间古生代末—早中生代的碰撞汇聚(图4)。

华北和塔里木陆块之间属于旋转式碰撞，它们具有方向相反的旋转运动，塔里木板块早泥盆世—早二叠世发生顺时针旋转，旋转角度约为67°(朱日祥等，1998)。自晚二叠世到早侏罗世期间, 华北板块有39°的逆时针旋转(任收麦等，2002)。晚石炭世至晚二叠世, 塔里木陆块古纬度无明显变化, 但磁偏角发生顺时针变化，表明塔里木陆块体以顺时针旋转调整它与华北等陆块之间的拼合过程(朱日祥等，1998)。两者的侧翼在二叠纪开始在走向上发生斜向错接，未形成典型意义上的碰撞造山带，以洋盆属性不明和走滑断层系发育为特征。二叠纪—侏罗纪，华北陆块相对塔里木块体向北漂移。到晚三叠世至中侏罗世，华北块体与塔里木块体已经非常接近(黄宝春，2008)。华北与塔里木两地块记录的磁偏角是在侏罗纪才比较相近(图7), 之前有较大差异(朱日祥等，1998)，晚石炭世—二叠纪两者的古纬度已经接近，说明两地块间的对接和缝合在侏罗纪以错动式完成。上述运动方式，对应于目前两者的拼合关系，塔里木陆块的东南缘以晚海西—印支期造山带拼合于华北陆块的西北缘(王鸿祯等，2006)。

华北塔里木陆块晚古生代—早中生代期间处于古亚洲洋的南缘，当时是以转换断层为界分隔的小陆块，类似现今印度—澳洲板块与阿拉伯板块之间构造关系，难以出现大规模的洋盆闭合，但可以有走滑—斜冲的构造变形带发育。

4.4 拥堵式碰撞

拥堵式碰撞指多个大板块之间汇聚区域的小陆块、岛弧地体发生多边汇聚，以广泛出现岛弧增生和残余洋盆为特征，中亚造山带属于拥堵式碰撞造山实例(Wilhem et al.，2012)，并伴随大规模的构造旋转和晚期走滑变形。

中亚造山带是世界上最大规模的古生代造山带，晚古生代处于波罗的板块、西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块、塔里木陆块、中天山—伊犁陆块、卡拉库姆陆块、阿穆尔陆块等多个古板块或陆块的交汇部位(图4)。晚古生代汇聚碰撞期间，涉及多个大洋盆，如Chara—额尔齐斯洋、斋桑—南蒙古洋、鄂霍茨克洋、乌拉尔—突厥洋、突厥—天山洋、准噶尔—巴尔喀什洋的交汇和闭合(Buslov et al.，2004)。上述洋盆在早石炭世(约330Ma)，出现于西伯利亚板块周围，多呈喇叭状，显示了西伯利亚板块顺时针的旋转趋势。

晚古生代在多个板块持续向北运动汇聚背景下，各板块运动又有差异，西伯利亚板块向南南东运动、波罗的板块向北东运动、塔里木板块向东运动、哈萨克斯坦板块向北运动(图4)。这些板块和陆块在石炭纪发生构造汇聚，在石炭纪，哈萨克斯坦板块首先与波罗的板块碰撞，二叠纪又与塔里木和西伯利亚板块碰撞(Torsvik et al.，1996)。局部地区(巴尔喀什—西准)有残余洋盆保留(Windley et al.，2007；成守德等，2010；郭召杰，2012)。早石炭世末，多岛弧间小洋盆构造格局结束，达拉布特洋盆、卡拉麦里洋盆、北天山洋盆闭合和消失。

图 6 西伯利亚板块和波罗的板块纬向漂移速率和自转角速度对比Fig. 6 Paleolatitude change, drifting velocity and rotating velocity of Siberia and Baltica during the assembly of Pangea in Late Paleozoic

在古生代末期—早中生代，随着周缘板块持续汇聚转化的走滑作用，造成中亚地区洋盆彻底消失，不同陆块之间发生构造调整(缩短或者走滑作用)(Sengör et al.，1996)，导致被动成陆或被动造山。准噶尔—巴尔喀什洋盆通过紧闭山弯两侧的双向俯冲在中石炭世—早二叠世被迫关闭。

普遍认为，哈萨克斯坦马蹄形俯冲带是西伯利亚、波罗的板块及塔里木陆块之间桥梁和纽带，是斋桑—南蒙古洋盆俯冲、乌拉尔—泰梅尔洋盆扩张和突厥洋盆俯冲共同作用的产物(Buslov et al., 2004；Görz et al, 2010；Levashova et al., 2008)。马蹄形构造形成于西伯利亚板块晚古生代大规模顺时针旋转的构造背景下。志留纪到泥盆纪，西伯利亚板块相对波罗的板块顺时针转动形成阿勒泰和乌拉尔岛弧。石炭纪，西伯利亚板块相对波罗的板块顺时针转动，塔里木陆块相对波罗的板块逆时针转动，在哈萨克斯坦形成山弯构造，南乌拉尔造山带构造活动静止，代表板块先对接位置，北段发育南阿纽伊洋盆(Görz et al., 2010； Stampfli et al., 2002)。准噶尔板块在晚古生代纬度变化不大, 处在北纬29.7°～28.3°之间, 但磁偏角变化较大，从342.4°顺时针转为59.4°(万天丰等， 2007)。

图 7 华北和塔里木陆块纬向漂移速率和自转角速度对比Fig. 7 Paleolatitude change, drifting velocity and rotating velocity of North China and Tarim during the assambly of Pangea in Late Paleozoic

马蹄形构造的形成与增生—碰撞构造(岛弧)后期构造变形相关，即与波罗的板块相对西伯利亚板块漂近、旋转造成岛弧系变形弯曲，使岛弧及其增生楔紧闭褶皱(巨幅1800旋转)或晚石炭世—中二叠世地层走滑折叠。古地磁研究表明，西伯利亚克拉通边缘顺时针旋转，导致岛弧带平面上发生大幅度旋转(180°)(Levashova et al.，2008)。

如果不考虑后期走滑，认为塔里木与西伯利亚之间未经历强烈的褶皱缩短作用，马蹄形代表其原始岛弧形态的话，马蹄形构造的现今代表为古亚洲洋西南端的“加勒比板块”，是古生代末期正在收缩的斋桑—南蒙古洋与扩张的乌拉尔洋盆之间楔入的小洋板块。乌拉尔洋盆向东北俯冲，形成向西南突出的哈萨克斯坦大洋岛弧，突厥洋向北俯冲，形成向南突出的大洋岛弧，斋桑—南蒙古洋盆向南北俯冲。为此，马蹄形构造是多板块之间构造调节作用的必然产物。

5 主要认识与结论

(1)泛大陆的形成为古生代末地球演化的重大事件，它的形成涉及了冈瓦纳大陆与劳亚大陆的聚合过程。泛大陆是板块动态演化的结果，代表了板块在此时达到了最大面积，但并不是静止状态。

(2)晚古生代期间巨型板块(劳伦板块、非洲板块、南美板块、西伯利亚板块)显示稳定而且规律的运动特点，持续向北半球汇聚，并具有顺时针转动趋势。运动板块的前缘常出现俯冲带，后缘出现扩张洋盆。而板块运动显示运动轨迹多变的特点，碰撞拼合方式复杂，与洋盆消亡不完全对应，板块之间的汇聚具有被动特点，受相关的大洋盆演化所控制，如古亚洲洋、古特提斯洋等。

(3)泛大陆聚合过程中，至少出现四种碰撞造山作用：① 追尾式碰撞：不同板块同向运动过程中，板块运动出现速度的差异，如前方板块速度慢于后方板块，则会造成其间洋盆逐渐收敛—关闭，如莱茵洋(海西造山带)、索伦洋(索伦山造山带)等。由于碰撞板块之间的相对运动的速率较小，追尾式碰撞造山难以发生大规模的地壳缩短，更多是以陆块拼合作用为主。② 侧向式碰撞：两个板块运动轨迹大角度交叉，发生侧向碰撞，如波罗的板块向北运动过程中与向东北运动的西伯利亚板块碰撞，造成乌拉尔洋盆闭合，形成狭长的乌拉尔造山带。塔里木陆块与哈萨克斯坦板块碰撞，也具有侧向式碰撞特点，岛弧杂岩带大幅度弯曲形成马蹄形构造。③ 错车式碰撞：两个板块或陆块，以同向或者相向交错运动，在其侧翼发生走滑—斜向式聚合。如塔里木和华北板块转动方向相反，在侧翼出现斜向对接，以洋盆属性不明和走滑断层系发育为特征。④ 拥堵式碰撞，多个大板块之间汇聚区域的小陆块和地体发生多边汇聚，以广泛出现岛弧增生和残余洋盆为特征，如中亚造山带。