潘吉亚超大陆（Pangea）是距离人类最近的超大陆，存在于晚石炭世至三叠纪期间，由北侧劳亚大陆与南侧冈瓦纳大陆拼合形成。在此期间，地球环境经历了剧烈变化，表现为由冰室向温室地球转变，并发生了广泛的大陆干旱化。潘吉亚超大陆拼合期间大陆演化与晚古生代气候变化之间的相互关系，包括全球变冷和干旱化，仍然是一个未解之谜。以往研究多集中于欧洲海西造山带，认为大陆碰撞造山带对二叠纪的气候环境具有重要影响。华北北缘晚石炭世—二叠纪地层记录了古亚洲洋增生造山过程和由湿润向干旱环境的变化过程，提供了研究潘吉亚超大陆聚合与古气候环境变化关系的新窗口。 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室宋东方研究员、Mitchell Ross研究员、万博研究员和敖松坚研究员，联合中国科学院新疆生态与地理研究所肖文交院士和毛启贵研究员，确定了记录华北地区古环境变化的二叠纪—早三叠世沉积物的物源和大地构造背景，在此基础上估算了华北北缘晚古生代岩浆弧古海拔高度，以约束潘吉亚超大陆东北缘大陆汇聚拼合过程的构造-气候关系。
图1 华北北缘二叠系地层柱状图，自下而上为指示湿润气候的含煤沉积、厚层砾岩沉积、指示干旱气候的大陆红层沉积
野外地质观测表明，华北北缘二叠系地层自下而上为指示湿润气候环境的含煤沉积、厚层砾岩沉积和指示干旱气候的大陆红层沉积，表明干旱化发生于厚层砾岩沉积之后（图1）。这与前人在鄂尔多斯盆地的观测一致，即华北煤层普遍在中二叠世不整合面之上的地层消失，表明造山带构造抬升可能是导致干旱化的重要驱动机制。碎屑锆石物源分析表明，沉积物来源于早前寒武纪古老基底及其上的晚古生代(4.1-2.6亿年前)大陆岩浆弧，缺乏索伦缝合带及其北侧古生代新生弧物质的物源输入。这些沉积物物源特征结合褶皱逆冲等挤压变形，被解释为沉积于古亚洲洋俯冲作用形成的华北北缘安第斯型弧背前陆盆地。
图2 华北北缘二叠纪造山带地壳厚度，显示与晚白垩世内华达高原及现今安第斯造山带Altiplano高原的地壳厚度相当
通过对华北北缘二叠纪岩浆岩数据筛选，利用全岩La/Yb比值估算地壳厚度平均值为58 ± 11 km（图2），由此推算的古海拔高度为3.8 ± 0.7 km；该高度与晚白垩世北美科迪勒拉造山带内华达高原及现今南美安第斯造山带Altiplano高原的海拔高度相当。综合以上研究结果，表明华北北缘在二叠纪期间存在一个类似现今南美西部安第斯高原的造山带，该造山带的隆起阻挡了来自东北方向即古亚洲洋的水汽输送，是引发华北二叠纪干旱化的重要构造驱动机制（图3）。
图3 华北北缘二叠纪安第斯型造山高原驱动干旱化示意图（图a-b红色箭头代表古风向，图c箭头代表水汽传输方向）
研究成果发表于国际学术期刊CEE(宋东方，Mitchell Ross N，肖文交，毛启贵，万博，敖松坚. Andean-type orogenic plateau as a trigger for aridification in the arcs of northeast Pangaea. Communications Earth & Environment, 2023, 4: 306. DOI: 10.1038/s43247-023-00976-2)。研究受国家自然科学基金项目（41888101，42222210），中国科学院先导专项（XDB26020301）和青促会项目（2021062）共同资助。 