中国内蒙古晚古生代阿穆善组碳酸盐岩平台的演化及其构造-古地理意义

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Evolution and tectonic–palaeogeographic implications of the Late Paleozoic Amushan Formation carbonate platform in Inner Mongolia, China

　　

张丽阳|孙远林|徐蓓|沈冰

中国河北省地质大学战略关键矿产资源重点实验室，石家庄052161

摘要

碳酸盐平台为重建海洋盆地演化和区域构造-古地理环境提供了关键依据。在中亚东部造山带（CAOB），阿穆山组（Amushan Formation）发育了一系列晚石炭世至早二叠世的碳酸盐平台。尽管对其地层、微相和化石组合进行了研究，但由于缺乏高分辨率的年代数据，这些平台的控制因素和演化历史仍不明确。为解决这一问题，我们对中国内蒙古乌日木沁碳酸盐平台（West Ujimqin Carbonate Platform, WUCP）郝勒图高勒（Haoletugaole）和米杭高桥高勒（Mihangaoqiaogaolu）剖面的碳酸盐进行了生物地层学、沉积学和元素-同位素地球化学研究。郝勒图高勒的萨克马利亚期（Sakmarian）碳酸盐中的 fusulinid 和锥形牙石数据表明沉积速率相对较低（约15米/百万年），而米杭高桥高勒的格兹列期（Gzhelian）碳酸盐的黄铁矿硫同位素结合一维扩散-对流-反应模型显示沉积速率较高（约140-160米/百万年）。这种差异突显了碳酸盐积累在时间和空间上的显著差异。将这些结果与构造沉降分析相结合表明，WUCP 是一个在倾斜断块上形成的复合构造平台，具有两阶段的演化历史。在格兹列期，层厚、相和沉降的显著变化主要由构造活动控制；而在萨克马利亚期，广泛的碳酸盐沉积和中等沉积速率则主要受海平面波动影响。该平台的发展很可能与赫根山洋（Hegenshan Ocean）向南俯冲有关。这些结果完善了中亚东部造山带晚古生代的古地理重建，并为晚古生代冰期的构造-环境耦合提供了新的见解。此外，阿穆山组的复合构造碳酸盐平台可能成为油气勘探的潜在目标。

引言

碳酸盐平台是地球沉积记录的重要组成部分，有助于了解区域构造-古地理环境、海洋盆地演化、资源勘探以及沉积时的古环境条件（Bosence, 2005; Chow et al., 2013; Basilone, 2021）。碳酸盐平台的发展主要受三个相互关联的因素影响：（1）构造活动，（2）相对海平面波动，（3）环境条件（Andrieu et al., 2016; Koeshidayatullah et al., 2016）。构造过程通过抬升、沉降和活跃断层作用产生沉积空间，常常掩盖了全球海平面变化，导致局部层厚变化（Rosales et al., 1994; Wilson et al., 2000; Arosi and Wilson, 2015）。数千年到一百万年时间尺度上的海平面波动可能塑造碳酸盐沉积的沉积空间，影响平台的形态和沉积模式（Dorobek, 2008）。同时，海水温度、盐度和生产力等环境因素直接影响驱动碳酸盐生成的生物成分，从而影响平台的组成和结构（Schlager, 2005）。因此，这些因素的相互作用决定了平台的演化，理解这一点对于重建过去的海洋环境和阐明碳酸盐平台的演化动态至关重要（Wilson et al., 2000; Basilone, 2021）。

在晚石炭世至早二叠世期间，内蒙古中亚东部造山带（CAOB）发育了一系列碳酸盐平台，以本巴图组（Benbatu Formation）和阿穆山组（Amushan Formation）为代表（图1b；内蒙古自治区地质矿产局，1991年，1996年）。这些平台保存了沉积学、古地理和古环境条件的关键证据，对于重建CAOB的演化历史和构造-古地理框架至关重要。尽管之前的研究已经考察了这些平台的地层序列、微相和化石组合（Han et al., 1979; Guo et al., 2003; Tian et al., 2011; Zhang and Zhang, 2016; Yan et al., 2019, Yan et al., 2020; Niu et al., 2024; Ding et al., 2025），但其演化过程和控制因素仍不明确。这一限制主要源于年代地层控制的不足，因为可靠的放射性年龄数据和高分辨率的生物地层数据较为稀缺（Zhang and Zhang, 2016; Tian et al., 2019; Yan et al., 2019; Wang et al., 2021）。因此，对这些碳酸盐平台的沉积速率和沉降历史的估计仍然不确定，限制了对其构造演化历史的重建。

内蒙古的晚古生代碳酸盐平台对于理解中亚东部造山带的构造演化也至关重要。过去几十年中，地质年代学、地球化学和古地磁学被用来研究CAOB的生长、俯冲和闭合历史（Sengor et al., 1993; Jahn, 2004; Xiao et al., 2003, Xiao et al., 2009; Windley et al., 2007; Xu et al., 2013; Eizenh?fer et al., 2014; Safonova et al., 2017; Zhou et al., 2018）。然而，CAOB的最终闭合时间和位置仍有争议。目前的模型提出了两种可能性：（a）中-晚泥盆世闭合，这一观点得到了两个中古生代造山带和上覆晚泥盆世不整合面的证据支持（Tang, 1990; Xu et al., 2013, Xu et al., 2015; Zhao et al., 2013, Wang et al., 2013; Shao et al., 2014）；（b）晚二叠世-中三叠世闭合，这一观点得到了晚古生代俯冲-弧系统和晚二叠世之前的生物地理分化的证据支持（Xiao et al., 2003, Xiao et al., 2015; Song et al., 2015; Liu et al., 2017, Liu et al., 2021a, Liu et al., 2021b）。这些观点之间的关键争论在于晚古生代的构造环境是持续的俯冲还是碰撞后的板内环境。中亚东部造山带的这种配置不仅在盘古大陆的组装中起到了核心作用（Xiao et al., 2015; Song et al., 2024），还影响了晚古生代冰期的全球气候波动（Shen et al., 2024; Ding et al., 2025）。因此，确定CAOB中碳酸盐平台的控制因素和演化历史对于解决长期存在的构造争论和改善晚古生代地球系统的重建也至关重要。

在这项研究中，我们调查了内蒙古中亚东部造山带（CAOB）西乌日木沁碳酸盐平台（WUCP）的阿穆山组碳酸盐，整合了生物地层学、相分析以及元素和同位素地球化学。我们的结果表明，WUCP 是一个在倾斜断块上形成的复合构造平台，其沉积受到构造活动和相对海平面波动的影响。基于这些发现，我们提出了WUCP在格兹列期-萨克马利亚期的两阶段演化模型，并讨论了其对中亚东部造山带的构造-古地理意义。这项研究首次定量评估了WUCP的演化和沉积控制因素，为晚古生代碳酸盐平台发展与区域构造之间的相互作用提供了新的见解。

章节摘录

地质背景

研究区域位于中亚东部造山带（CAOB），该区域由古亚洲洋（Paleo-Asian Ocean）的最终闭合形成（图1a）。该地区的主要地质单元包括北部的兴安地块（South Mongolia microcontinent）、南部的华北克拉通（North China Craton）和中央的锡林浩特地块（Xilinhot Block）（图1b；Song et al., 2015; Zhang et al., 2022; Wang et al., 2021; Tan et al., 2024）。在这些地块之间，存在两条晚古生代的蛇绿岩带

地层

WUCP 的野外工作在内蒙古郝勒图高勒（Haoletugaole）和米杭高桥高勒（Mihangaoqiaogaolu）地区的两个代表性阿穆山组露头进行（图1c）。

郝勒图高勒地区的参考剖面由 Han et al.（1979）和 Wang et al.（2021）报道。我们选择了约50米的剖面进行分析（图3）。研究剖面（起点：44°20′56″N, 117°39′52″E）可以分为两部分，包括

岩相分析

在郝勒图高勒剖面识别出四种岩相，并将其分为两组（图5和表1）。剖面的下部以硅质碎屑-碳酸盐沉积物为主，包括钙质砂岩、砾岩和硅质碎屑骨粒岩（图3；LF1–3）。骨粒的存在表明沉积环境为循环良好的浅海环境；大量陆源物质（石英颗粒）表明

WUCP 阿穆山组碳酸盐的年龄和沉积速率

阿穆山组的年龄主要通过 fusulinid 和锥形牙石的生物地层学来确定。先前的研究表明，阿穆山组下石灰岩段中的 Triticites 带和中和上石灰岩段中的 Pseudoschwagerina 带分别对应于最晚的石炭世和早二叠世（图2；Jin et al., 1999; Wang and Jin, 2000; Zhu and Ren, 2017）。在 WUCP，组合特征和物种水平

结论

• 1.
  WUCP 中阿穆山组的沉积速率在萨克马利亚期的郝勒图高勒剖面约为15米/百万年，在格兹列期的米杭高桥高勒剖面约为140-160米/百万年。
• 2.
  WUCP 是一个在倾斜断块上形成的复合构造平台，其演化在格兹列期受构造活动控制，在萨克马利亚期受海平面波动控制。
• 3.
  倾斜断块的发展记录了一次与向南俯冲相关的晚古生代裂谷事件

CRediT 作者贡献声明

张丽阳：方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。孙远林：监督、撰写——审阅与编辑。徐蓓：监督、撰写——审阅与编辑。沈冰：调查、资金获取、撰写——审阅与编辑。

Wang et al., 2020

Wilson and Hall, 2010

Yin et al., 2016

Zhang, 2023

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究。

致谢

我们感谢陈青丽、孟宁、崔一欣、秦淑健和王丽娜在野外地质调查中的支持，感谢袁志伟和马浩然在锥形牙石和黄铁矿硫同位素分析中的帮助。我们非常感谢匿名审稿人的建设性评论。本工作得到了中国国家重点基础研究（2017YFC0601302）和河北省战略关键矿产资源重点实验室启动基金（HGU-SCMR2460）的资助。