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南海成因机制研究 精选

已有 7146 次阅读 2023-4-28 17:14 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流

南海成因机制研究

梁光河

梁光河.南海中央海盆高精度地震勘探揭示的大陆漂移过程[J].地学前缘,2022,29(04):293-306. DOI:10.13745/j.esf.sf.2022.6.10.

 LIANG Guanghe. Continental drift process revealed by high precision seismic survey in the central basin of the South China Sea. Earth Science Frontiers, 2022,29(04):293-306.

摘要: 南海的形成和演化得到了广泛研究,前人提出了超过5种成因模式,当前流行是海底扩张模式,但它难以合理解释南海洋壳上的洋中脊跳跃和南海中央海盆上的大陆残片。本文首先基于南海中央海盆中的两条高精度地震勘探剖面,在深入剖析洋壳的分层结构基础上,对这两条地震勘探剖面进行了新的构造地质解释。然后通过伸展构造的形成过程,发展了地幔上涌和陆壳重力滑移双驱动大陆漂移模型,最后深入研究了南海的形成和演化过程,结果说明,南海的形成是一种构造挤出+主动漂移模式。构造挤出是印度-欧亚碰撞造成的欧亚东南缘微陆块大规模被动挤出,而主动漂移是微陆块在被挤出后发生了主动裂解漂移。南海中央海盆上残留的地震反射特征,是微陆块主动漂移后造成的海底被扩张现象。并进一步恢复了南海演化过程中周边陆块的运动演化历史。所提出的新模式能够合理解释南海的洋中脊跳跃现象及大陆残片的成因机制。新大陆漂移模型为板块运动提供了一个新的动力模式。

关键词:南海中央海盆,南海成因,高精度地震勘探,动力机制,大陆漂移


1 前言

南海的形成,特别是南海中央海盆的形成和构造演化是地学界长期关注的一个重要大地构造问题,虽然大洋的形成在大西洋裂解过程中得到了很好研究,但南海的形成和大西洋形成显著不同,使得问题更加复杂化。关于南海的成因机制目前国内外至少存在5种演化模式[1-3]。包括:(1)构造挤出模式[4,5];(2)海底扩张模式[6,7];(3)俯冲拖拽模式[8,9];(4)地幔柱模式[10,11];5)陆缘扩张模式[12-14]

以上任何一个演化模式都不能完全合理地解释南海的成因,也不能确定哪种动力机制对南海形成起到关键作用[1]。目前研究较多的流行模式主要有两个:一个是海底扩张模式。但该模式存在两个关键问题没有得到合理解释:(1)南海中央海盆地目前至少鉴别出来3条洋中脊(MOR),从北往南分别是30-28.5 Ma33-23.6 Ma23.6-15 Ma期间活动的洋中脊[2],也就是说南海的海底扩张存在明显的洋中脊跳跃现象[15,16]。但对于洋中脊为什么会发生跳跃并没有给出很好解释,洋脊跃迁的机制和过程仍然不清晰[15]。(2)南海中央海盆的洋壳和洋中脊附近发现古老(约110Ma)花岗岩和变沉积岩[17],实际上全球各大洋中大陆残片广泛分布[18],这是海底扩张难以合理解释的。另一个是构造挤出模式:认为印度和欧亚板块的碰撞在导致青藏高原的隆升的同时,同时引起了印支板块向SE向长距离滑移,促使加里曼丹陆块南移,引起南海的扩张[4,19]。该模式也存在两个问题:(1)最近的研究表明,南海的扩张呈“剪刀式”由东向西扩张[20],意味着东部扩展在先,如果按照挤出模式,应该西部扩展在先。(2)构造挤出模型只能模拟出印支地块和华南等地块的挤出构造运动,不能模拟出南海的打开和扩张运动。即便印支地块的挤出对南海的打开有很重要的促进作用,但也不能否认其他模式的存在。

南海的研究中还存在几个关键科学问题没有得到很好回答,包括:(1)为什么会出现洋中脊跳跃?其动力机制是什么?(2)南海中央海盆中发现的大陆残片是如何形成的?过去大多数研究无视南海洋壳上发现的大陆残片。(3)根据传统的海底扩张模式,大洋壳内部应该比较均匀,但南海大洋壳区域高精度地震勘探探测到了复杂的结构,这些复杂反射结构是如何形成的?针对这些问题,本文基于最新获得的两条高精度地震勘探剖面,从大洋壳的分层结构解剖入手,对它们进行了新的构造地质解释。用一个新的大陆漂移模型合理地回答了这些关键科学问题。

2 地质背景

南海位于印度-澳大利亚、欧亚和太平洋三大板块汇聚的中心,四周又存在三种大陆边缘类型,即南北两侧的张裂型边缘、西侧的剪切型边缘和东侧的俯冲型边缘[1]。南海经历了中生代东亚陆缘的大规模地块拼合、构造挤压和大规模走滑伸展。又经历了新生代大陆拉张破裂、海底扩张及俯冲和碰撞过程。其大地构造位置十分特殊,被认为是进行边缘海构造演化的天然实验室。

南海地形地貌上呈向东开口的喇叭状,北起华南沿海,东邻印支地块,南到加里曼丹和巴拉望岛,东抵菲律宾,是一个东北-西南走向的半封闭海。其洋-陆边界以南和以北均为减薄的大陆地壳[21],它们构成了一对近乎共轭的被动大陆边缘[22]。南海洋盆可分为东部次海盆和西南次海盆。区域上最老地层为中元古界,古生代、中生代及新生代地层广泛分布。石油勘探结果表明南海区域分布约30个新生代沉积盆地[23],这些盆地主要包括莺歌海、琼东南、珠江口、万安、文莱沙巴、巴拉望等盆地。沿北部边缘海分布的盆地,新生代早期多为陆相沉积,晚期转变为海相沉积,说明新生代早期该区域为陆内裂谷环境,新生代晚期南海才打开与太平洋相连。这些盆地基底为前中生代地层或变质岩。断裂构造方向多变,东部以南北向构造为主,中部主要以北东向构造为主,西部则以近南北向构造为主。南海新生代火成岩广泛分布,尤其是陆坡和深海盆地[7]。,

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图1 南海及周缘地区大地构造背景(改自[2]

BBWB代表北部湾盆地;LP 代表雷州半岛;MOR 代表洋中脊;NPCT 代表北巴拉望微陆块;PRMB 代表珠江口盆地;SSC 代表黄岩海山链;SWTB 代表台西南盆地。

Fig.1 Tectonic background of the South China Sea and its surrounding areas (modified from [2])

在南海洋盆内能够识别出较为清晰的磁异常条带[16,22,24]。海底磁异常条带表明海底扩张时间介于早渐新世到中中新世之间,并在约23 Ma 发生过一次洋中脊跃迁。洋中脊跳跃在海底扩张过程中很常见[25-27]。目前确认在南海至少发生过两次洋中脊跃迁[2],形成了3条洋中脊(如图1中①、②、③号MOR)。南海东部次海盆比西南次海盆更早进入海底扩张阶段,东部次海盆的海底扩张时间为~33-15 Ma [28,29]。南海存在洋中脊跳跃,说明南海洋壳年龄并不符合传统的海底扩张模式给出的年龄分布特征,即洋壳年龄从洋中脊向两侧对称线性增加。从图1中南海区域火山岩年龄特征的宏观趋势看,从北往南年龄逐渐变年轻,由珠江口盆地北部区域的>33Ma,到珠江口盆地南部区域的<23.8 Ma,再到号洋中脊南侧的14 Ma,再往南到号洋中脊上的3.4-3.5 Ma,最南到礼乐滩区域的0.4-0.5 Ma。这个火成岩年龄特征可简化为(33 Ma, 23.8 Ma, 14 Ma, 3.5 Ma, 0.5 Ma)。

3 地震勘探资料来源

南海的形成和演化必然会在南海中央海盆的洋壳中留下证据,这些证据主要由地震勘探所所揭露。本研究地震勘探资料来源于南海中央海盆区域的两条相互平行的高精度地震勘探剖面,分别是N3N4剖面,方向为NW-SE(图2)。这两条剖面开始于北部大陆边缘的斜坡区,穿过大洋中央盆地的北坡,终止于中央海盆中部的洋中脊区域。这些地震勘探数据是2004年国家海洋局第二海洋研究所在国家海洋工程调查期间采集的[7]。采集参数为480道检波器记录,拖缆长度为6237.5 m,记录长度12 s,采样间隔2 ms,炮间距为37.5 m。地震资料处理主要为常规处理流程,如振幅补偿、静校正、预测反褶积、多次波衰减、速度分析、剩余静校正和频率滤波等,最后进行有限差分偏移。

这两条地震勘探剖面的细节可通过分段放大显示,图2分别给出了剖面N4N3中的一段(即N4-3N3-2),它们都位于南海中央东部次海盆。这两条剖面都是时间域剖面,双程旅行时大约对应5-10 s,深度大约为海底之下15 km左右。从总体上看,上部沉积岩和下部洋壳内反射信号清晰,分辨率较高,是大洋地震勘探中少有的优质勘探结果,这对更深入地进行地质解释十分有利。

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a 是剖面位置图; b 是N4-3地震勘探剖面;c是N3-2地震勘探剖面.

图2 南海两条反射波地震勘探剖面(改自[7]

Fig.2 Two seismic profiles in South China SeaModified from [7]),a is the profile position map; b is the N4-3 seismic exploration profile; c is the N3-2 seismic exploration profile.

4地震资料的地质解释

4.1 大洋的分层结构

要对南海海盆洋壳区域的地震勘探剖面进行更详细的地质解释,需要首先了解全球大洋洋壳的分层结构、岩石物性(速度和密度)特征。

有关洋壳各结构层深度、密度和厚度的数据大部分是从地震折射波法探测取得的,洋壳各结构层的划分也主要由地震纵波的速度值而定[30]。正常洋壳的厚度为5-10 km,大致可分为3个结构层。(1)层1沉积岩层,是洋壳中厚度变化最剧烈的结构层,主要有深海钙质、硅质软泥、红黏土等未固结软沉积物组成,不同区域厚度变化很大。(2)层2玄武岩层,主要由拉斑玄武岩(喷出岩)和辉绿岩(侵入岩)组成。该层可进一步分为层2A和层2B。层2A是以枕状和席状熔岩出现的玄武岩层,而层2B是层2A下部的辉绿岩岩床和岩墙。(3)层3大洋壳层,层3的厚度较大(近5 km)、分布广泛而稳定,它构成了大洋地壳的主体。其纵波速度值和厚度在世界大洋不同地区表现出明显的稳定性。鉴于深海钻探尚未达到层3,关于层3的岩石性质还存在争议,一类意见认为是蛇纹石化橄榄岩或蛇纹岩;另一类则认为它是由辉长岩等镁铁质火成岩及其变质产物组成。虽然这两种看法都可以解释层3的纵波速度值,但层3的泊松比0.27低于蛇纹岩的泊松比0.38,而接近于镁铁质岩石的泊松比,所以层3是由辉长岩等镁铁质岩石组成的说法得到较多的支持。一般认为层3主要由辉长岩和角闪岩组成,也不排斥其中可能含有一些橄榄岩类(经蛇纹石化)。层3面之下便是超镁铁质岩石组成的上地幔(橄榄岩或榴辉岩)。

3的岩石物性也可以通过近年大洋核杂岩(Oceanic Core Complex)的研究进行推断。大洋核杂岩和拆离断层是洋中脊区域发育的重要构造。近期在大洋钻探和勘探中,在靠近洋中脊区域发现了很多大洋核杂岩[31-34]。它们和伸展构造的形成及大洋的裂解密切相关。例如大西洋洋中脊区域和菲律宾的帕里西维拉海脊区域都发现很多大洋岩浆变质核杂岩(主要包括辉长岩、玄武岩、蛇纹石化橄榄岩等)[35]

目前通过大洋核杂岩和蛇绿岩套的综合研究认为层3主体为辉长岩层。事实上,Dietz[36]1961强调大洋壳层3和上地幔仅仅在岩相学上不同,但它们的化学性质是相同的,莫霍界面是一个相变界面。他建议将大洋壳层3视为最上层地幔(uppermost mantle)或外地幔(exomantle)。由此可以推论,大洋上的真实莫霍面并不在洋壳和上地幔之间,而是在洋壳之上。也就是说大洋中的莫霍面应该在硅铝层和硅镁层之间。这进一步说明,在大陆漂移理论框架中,硅铝质的大陆板块(主要指陆壳)是漂移在黏性的硅镁质洋底上的。这说明大陆漂移理论框架是正确的。

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图3 大洋地壳分层物性特征(改自[37]

Fig.3 Physical characteristics of ocean crust stratification (modified from [37])

洋壳中没有类似大陆地壳中上地壳和下地壳之间的显著分界面,而是呈现渐变过渡关系,从枕状熔岩到席状岩墙群,再到辉长岩,直至上地幔的橄榄岩,它们之间都有过渡层(图3)。从密度结构看,沉积层和下伏基岩存在显著密度差,差异可达0.5 g/cm3左右。而在大洋上地壳和下地壳之间(层2B和层3之间)并没有显著的密度变化(差异大约在0.1 g/cm3左右)。图3是大洋地壳蛇绿岩的典型序列及密度分层特征,注意深海沉积物不是蛇绿岩的组成部分[37]

4.2 地震资料的地质解释结果

根据大洋地壳的岩性分层特征,我们对图2的两条高精度地震勘探剖面进行了地质解释。图4N4-3的地质解释,图4a中沉积岩和下伏的火山岩基底为一近水平的强反射波,莫霍面(Moho)在剖面上清晰可辨。火山岩基底之下存在上地壳反射(UCR)和下地壳反射(LCR[7]。图4b为我们依据大洋地壳分层结构特征给出的地质新解释。其中上地壳反射主要由辉绿岩内部的脆性断裂或岩席形成;而下地壳反射是由不同期次的辉长岩岩浆侵入面和剪切拆离面所形成,地质解释剖面中给出了从沉积岩、玄武岩、辉绿岩、辉长岩和橄榄岩的详细解释结果,并区分了层1、层2A、层2B、层3和上地幔。图5N3-2的地质解释,其反射特征和解释结果与N4-3类似。在南海的类似地震勘探剖面的研究说明,该区域大洋地壳厚度变化较大,大约为3.7-8.4 km[38]。具体在这两条地震勘探剖面上,大洋壳厚度可以通过地震波双程旅行时进行估算,双程时间为2 s对应的洋壳厚度大约为6 km左右。

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a 是N4-3地震勘探剖面的简单地质解释[7];b是N4-3最新地质解释剖面.

图4 南海N4-3地震勘探剖面的地质解释

Fig. 4 Geological interpretation of the N4-3 seismic exploration section in the South China Sea. a is a simple geological interpretation of the N4-3 seismic exploration section[7]; b is the latest geological interpretation section N4-3.

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a是N3-2地震勘探剖面;b是N3-2最新地质解释剖面.

图5 南海N3-2地震勘探剖面的地质解释

Fig.5 Geological interpretation of the N3-2 seismic exploration profile in the South China Sea. a is the seismic exploration profile of N3-2; b is the latest geological interpretation of N3-2.

5 讨论

5.1 伸展构造与大陆漂移

最新的研究说明,大陆漂移的动力机制是多个连续的地幔上涌形成的伸展构造和陆壳重力滑移形成[39]。图6给出了大陆漂移模式形成的过程。图6a说明由于地幔热上涌形成伸展构造,首先使得大陆地壳发生拉伸减薄形成一系列正断层。地幔上涌在地壳下部的莫霍面造斜,在倾斜的莫霍面上因重力作用使得陆壳发生重力滑脱而移动,处于中心的上涌地幔在洋中脊处喷发出玄武岩,而玄武岩之下是辉长岩的侵入(图6b)。已经移动的地块必然会在后面发生降压,降压会诱发下面固态地幔进一步发生熔融,熔融的上地幔因体积膨胀进一步上涌,上涌的地幔再进一步造斜从而推动地块进一步移动,这是一个连锁的莫霍面造斜和重力滑脱过程。大陆漂移过程存在一种反馈机制,大陆板块漂移后形成后部的降压环境,降压环境形成反馈,降压使得深部地幔发生熔融上涌,形成新的斜坡,斜坡又使得大陆在自重作用下滑移。这个过程也会使得减薄的陆壳碎片残留在大洋壳上(图6c),也可能由于上涌高度不同,形成多个洋中脊。这说明大陆板块是主动水平运动,而大洋板块并不会主动水平运动,大陆板块的水平运动伴生着大洋壳的垂直运动(地幔上涌)。

大陆板块重力滑脱过程与滑坡原理一样,会在滑坡基底的上端(即地地幔上涌的高点附近),形成牵引裂缝(断裂带),这些裂缝就是平行洋中脊的断裂系统。由于地幔上涌形成在软塑性程度较高的洋中脊区域,因此这种牵引断裂带规模就会比普通的滑坡体造成牵引裂缝规模大很多,因为普通的滑坡体处在刚性程度更高的基底上。深部岩浆沿这些断裂带侵入,形成与洋中脊近乎平行的磁异常条带。

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a—地幔上涌形成伸展构造;b—地幔上涌造成重力滑移; c—陆块重力滑移后在后面降压造成地幔熔融再次上涌和重力再次滑移。

图6地幔上涌形成伸展构造和重力滑脱过程示意图

Fig.6 Schematic diagram of extensional structure and gravity slip formed by mantle upwelling. a - Mantle upwelling causes extensional structure; b - Mantle upwelling causes gravity slip; c- After the continental block gravity slip, the depressurization behind it caused mantle melting upwelling and gravity slip again

上述连续重力滑移造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移。大陆板块之所以能够克服巨大阻力向前滑移,很重要的一个原因是大陆板块迎冲在大洋板块上,很多含水矿物进入俯冲带,无论陆壳还是洋壳在含水情况下熔融温度下降数百度,因此俯冲进入下地壳区域就会发生部分熔融,形成软弱带,大陆漂移类似大陆板块不断陷入软泥的过程(图7)。这个新的大陆漂移动力模型说明,大陆板块漂移之后,可能在大洋上散落大陆残片,也可能留下火山岛链(火山爆发)和断裂带等漂移尾迹。在大陆裂解中心区域,地幔上涌能量很大,上升到更高的位置而成为洋中脊,而在特殊情况下,比如降压熔融程度更大情况下,也可能产生更充足的岩浆,岩浆上涌更高产生更大规模的伸展构造,形成海底高耸的海山和洋脊(显示为洋中脊特征),即发生洋中脊跳跃现象。

这个模式也说明,俯冲带深部发生部分熔融后,会产生重力分异作用,重物质下沉造成深源地震,而轻物质上升造成陆壳增生。

这个模式说明大洋中的莫霍面在硅铝层和硅镁层之间,这挑战了现今关于大洋Moho面的认识,实际上魏格纳的大陆漂移说也认为硅铝质的大陆板块漂移在粘性的硅镁质洋壳上。以南美洲大陆为例,即便现在的海底扩张和板块构造说,也认为太平洋洋壳俯冲在南美洲大陆板块下面,而洋壳又出现在南美洲大陆东侧的大西洋,这也可以看作是大陆板块漂移在大洋之上,只是驱动力存在争议。从密度差异看,大陆地壳密度2.7 g/cm3,而洋壳密度2.9-3.0 g/cm3,也符合基本浮力原理。事实上,俯冲带很多地球物理证据,大西洋被动大陆边缘也非常多地震勘探证据。这与本文的新大陆漂移模型并不矛盾,但的确需要更多更深入研究。本文只是希望我们能够换一个角度思考问题,也许可以回答过去很多难以合理解释的问题。

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图7地幔上涌和重力滑移双驱动新大陆漂移模型示意图

Fig.7 Schematic diagram of the new continent drift model, demonstrating the process is driven by mantle upwelling and gravitational slip

5.2 欧亚东南缘新生代构造演化

根据新的大陆漂移模型,可以合理解释南海的成因机制。地球上相邻大陆板块之间发生漂移是相互影响的,跳出南海看南海才能宏观上正确理解南海的形成和演化过程。

大陆板块会在热力驱动下通过地幔上涌和重力滑移自己发生漂移运动,并留下明显的尾迹。通过大陆漂移后留下的尾迹可以追踪陆块的来源(图8)。从南海及周边的陆块地形地貌特征也能看出,南海及周边可以划分为“挤出区”和漂移区两个大的区域,挤出区主要包括印支地块和华南等陆块,它们是是被印度欧亚碰撞过程中推挤出去的。漂移区主要包括滇缅马、加里曼丹、菲律宾等诸多破碎陆块,它们不但被挤出,而且还发生了主动漂移(注:滇缅马古板块包括当前的马来西亚和印度尼西亚等区域)。现今的南沙和加里曼丹、菲律宾、中国台湾省等陆块就是在印度-欧亚碰撞过程中从华南裂解并发生大规模漂移,撕出了南海海盆。

越来越多的研究说明仅仅通过一个动力模式来研究南海的形成和演化史片面的[1]。由此我们提出南海形成的“挤出+漂移”模式。这个模式有两个动力源,一个是被动,一个是主动。挤出是被动的,其动力是印度大陆北漂与欧亚碰撞,遇到塔里木克拉通、鄂尔多斯克拉通和四川盆地克拉通后被迫挤出。漂移是主动,被挤出裂解后的微陆块主动漂移,动力机制是新大陆漂移模式,即在热上涌动力驱动下主动漂移运动。

印度大陆最早于新生代初期开始与欧亚大陆碰撞[40],陆-陆软碰撞作用率先引起软流圈向东-东南侧向流动,以致整个华南和华东大陆边缘岩石圈都处于伸展的状态[41,42]2017IODP 367/368航次在南海北部陆缘洋陆过渡带的外缘隆起处发现了基底绿片岩相糜棱岩[43]。岩石学和地球物理证据表明,南海被动陆缘在晚白垩世以后经历了多期伸展,并伴有明显的陆壳减薄。在这种强烈的伸展背景下,南海陆缘最终在早渐新世破裂。南海陆缘基底在扩张前至少经历了两个伸展阶段: 第一阶段发生在早白垩世;第二次发生在早新生代,为被动裂谷作用;多次伸展事件共同导致南海陆缘减薄。

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图8 新大陆漂移世界观和南海“挤出+漂移”模式

Fig.8 The "extrusion + drift" model of South China Sea

栾锡武和张亮[1]2009)的研究说明,南海的形成属于非火山型陆缘的海底被动拉张(图9),并将其演化过程总结为以下4个阶段:(1)伸展阶段,以高角度铲状断层及典型半地堑盆地为特征。(2)减薄阶段,以刚性块体下发育共轭拆离断层使岩石圈强烈减薄,由均匀伸展过渡到局部伸展为特征。(3)地幔抬升阶段,拆离断层穿透脆性地壳到达地幔。(4)海底扩张阶段。这个模式完全符合大陆漂移模型。注意图9中主要构造运动都发生在莫霍面之上,因此南海的形成完全可以看作是在地幔上涌作用下陆壳沿莫霍面的重力滑移作用的结果,是南沙和加里曼丹漂移造成的海底被拉张过程

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图9 南海形成的陆缘海底拉张过程(改自[1]

Fig.9 The Spreading process of the Continental margin of the South China Sea(modified from [1])

由此我们梳理出南海的形成过程,在新生代初期,包括海南岛、南沙、加里曼丹等陆块都拼贴在欧亚东南缘(图10a)。首先欧亚东南缘在印度欧亚碰撞和欧亚整体东漂的过程中,陆缘区域在前期伸展构造背景基础上,地幔发生减压熔融,伸展构造进一步发展,发生大规模陆缘裂解形成微陆块(图10b),之后它们发生主动漂移,然后这些陆块撕开南海形成洋盆,最后整体左旋转向北漂移对南海产生挤压,南海停止扩张(图10c)。这与南海最新研究成果完全吻合,南海是‘板缘破裂’机制,不是大西洋型‘板内破裂’模式。即南海的形成是“挤--挤”模式,完全不同于大西洋的“拉--拉”模式[20]

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a—华南大陆边缘及古南海65 Ma时期的状态; b—35 Ma时期的状态;c—当前南海的状态

图10 南海陆块裂解单向拉伸漂移模式

a -- The state of south China Continental margin and paleo South China Sea during 65 Ma; b --The state of 35 Ma; c -- The current state of the South China Sea

Fig.10 One-direction continents drift model of south China Sea

根据新的大陆漂移模型,大陆漂移后,地幔上涌形成的伸展构造会残留在大洋壳上,多个伸展构造会在大洋壳上留下复杂的地震反射。由此我们进一步给出了南海裂解形成过程中,南沙和加里曼丹陆块等通过N4-3剖面的大陆漂移示意图(图11),说明大陆漂移过程是多个连续的地幔上涌形成的伸展构造和重力滑脱过程。事实上Mutter and Karson[44]1992)的研究也说明大洋壳内的这些地震反射可能来自于大规模的伸展断裂。最终,我们通过大陆漂移模式合理地解释了南海中央海盆洋壳内部反射结构特征及岩石物性组成。地震勘探剖面上探测到的多个方向的交叉反射代表微陆块漂移后留下的伸展构造痕迹,大洋上地壳反射主要由辉绿岩内部的脆性断裂或岩席形成;而下地壳反射是由不同期次的辉长岩岩浆侵入面和剪切拆离面所形成。

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a—N4-3剖面地质解释图; b—陆块在该剖面漂移的初期状态;c—陆块在该剖面漂移的中期状态。

图11 陆块通过N4-3剖面的大陆漂移过程示意图

a -- The state of south China Continental margin and paleo South China Sea during 65 Ma; b --The state of 35 Ma; c -- The current state of the South China Sea

Fig11 Schematic diagram of continental drift through n4-3 profile a-- Geological interpretation map of N4-3 section; b-- The initial state of b-block drift in this section area; c -- Intermediate state of continental drift in this section area.

这个新的大陆漂移成因机制可以合理解释南海的大陆残片和洋脊跳跃现象。在南海洋壳发现的古大陆残片,应该是南沙、加里曼丹和菲律宾等陆块在主动漂移过程中的撒落下来的残片。传统海底扩张观点认为当洋脊区岩浆供应改变或者张力集中区变化时候,洋脊会发生跳跃,但相对均匀的海底扩张为什么会发生岩浆供应改变和张力集中区变化,还没有得到很好理论解释。而本文给出的模型却能对此给出很好的解释,那就是在大陆漂移过程中,由于受到的阻力等因素变化,使得漂移陆块后面降压程度不一,因此地幔发生降压熔融的程度也不一样。当地幔上涌到更高处(甚至发生海底火山喷发),便形成了大洋中的水下海山,显示为洋中脊特征。

张训华等[45]1997)的研究说明,南海海盆的形成是单向拉张的结果,南海海盆中的磁条带应是海盆形成过程中不同时期岩浆沿断裂多次侵入所造成的,而与海底扩张无关。张训华等[46]2014)的研究说明,中生代以来的大地构造演化、构造运动及新生代欧亚板块、太平洋板块和印度板块的相互作用导致中国海陆各块体的演化是形成西高东低地势及五级阶梯地貌的主要原因。并对块体构造学说的宏观演化过程进行了详细阐述。

这个成因模式能够得到其他地球物理证据的支持,黎雨晗等[47]2020)通过一条横跨南海的近南北向重磁震综合地球物理勘探剖面,说明自晚白垩世以来南海经历了大陆裂解和单边漂移,原拼贴在华南大陆的中沙地块和礼乐-北巴拉望地块发生了裂解和漂移。礼乐-北巴拉望地块携带中沙地块首先裂离了华南大陆,中沙地块位于礼乐-北巴拉望地块漂移的尾部,在漂移拉伸作用下,中沙地块逐渐减薄。从早渐新世开始,在礼乐-北巴拉望地块向南漂移过程中,将中沙地块遗撒在南海之中,形成了大陆残片。

这个成因模式也得到了地球化学的支持,徐义刚等[48]2002)对南海北缘新生代玄武岩中幔源包体的研究,发现橄榄岩的微量元素组成指示南海北缘地幔具有大陆裂谷型地幔特征。认为南海的形成是岩石圈自北向南主动伸展扩张的结果。这和大陆主动漂移的结果一致。从南海中央海盆区域内从北往南火成岩年龄逐渐变年轻(33 Ma, 23.8 Ma, 14 Ma, 3.5 Ma, 0.5 Ma)也支持本文提出的大陆单向裂解漂移模式。

事实上,如果以华南固定不动为参照系,那么南海的形成就是单向拉张形成的,如果以南海洋中脊不动为参照系,那么南海就是标准的双向拉张(类似海底扩张)形成的。南海新生代构造演化细节需要对南海周边所有陆块的新生代运动统一考虑才能得到更为合理的恢复。这里需要特别说明的是,南海之所以与众不同是因为前期受到印度欧亚碰撞发生欧亚东南缘的挤出形成初始裂解,裂解后微陆块发生单向漂移,这种单向漂移广泛存在,比如印度大陆就是从遥远的冈瓦纳大陆裂解后单向北漂到达当前位置的。

5.3 南海构造演化与印度欧亚碰撞

早古近纪以来,南海的扩张与太平洋板块并没有直接关系,而与加里曼丹微陆块的向南漂移有关[22]。古地磁研究说明,菲律宾和菲律宾海板块是在新生代晚期才到达当前位置的,南海发生海底扩张期间,它们还在赤道附近[24]。孙金龙等[49]2014)的研究说明,南海东部在晚中新世以来板块汇聚具有东部主动,西部被动的特征。这也说明南海西部是被动挤出,东部的菲律宾和中国台湾省等等陆块的运动是主动漂移运动。

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图12 南海大地构造演化过程示意图

Fig.12 Schematic diagram of tectonic evolution in the South China Sea

由此我们梳理出更详细的“挤出+漂移”过程,如图12所示,欧亚东缘在中生代造山运动之后已经发育伸展构造,产生了一系列北东方向的先存断裂和裂谷盆地。在新生代初期(65Ma),目前分布在南海周边的陆块(包括日本三岛、菲律宾、中国台湾省、南沙、加里曼丹和滇缅马)都拼贴在欧亚东南缘[50],它们之间可能被前中生代裂谷盆地所间隔。此时印度和欧亚发生软碰撞,陆地还没有接触,但印度陆块的北漂已经通过上地壳对欧亚大陆施加了压力,使得这些陆块之间的脆性上地壳发生初始破裂,产生裂解,这个过程对应神狐运动。在45-40 Ma 期间,印度和欧亚发生硬碰撞。南海和东海进一步裂开,边缘海盆地主要沉积物以陆相为主,东海盆地北部先裂开,因此主要为海相沉积。伴随着印度大陆的俯冲进入欧亚大陆下部,青藏高原大规模隆升,因重力势能推动华南前缘地壳流大规模挤出,使得裂解的陆块发生漂移,南海东部先裂开,这个过程对应琼珠运动。

南海为什么从东向西打开?推测其总体应该是受到同一构造运动系统力的影响,打开初期阶段是陆缘裂解,在该阶段它们是同步的,只是裂解后的陆块漂移阶段发生了变化,东部漂移速度快一些,西部漂移慢一些,造成的结果是东部先打开形成洋壳早,而西部相对打开晚形成洋壳也晚一些。打开初期阶段的同步裂解能够从沉积盆地构造演化史得到确认,比如东海盆地、珠江口盆地和北部湾盆地都是新生代初期开始大规模裂解[50]

40-24 Ma期间,印度碰撞造山后青藏高原陆块组合显著缩短,裂解的陆块大规模发生漂移,在33 Ma拉出南海初始洋壳,特别是在24 Ma左右,青藏高原在地壳流作用下发生重力垮塌,聚集的地壳流大规模挤出,南海被快速撕裂拉开,南海东海初步形成,在此期间南海北部边缘海盆地都是海相沉积,这个过程对应南海运动。在24-0Ma期间,裂解漂移的加里曼丹和菲律宾等陆块16 Ma遇到南部澳大利亚大陆北漂的影响,大规模左旋转向,南海停止扩张,形成目前的南海格局。这个过程是南海和东海改造调整期。也就是说南海的这些构造运动都是印度大陆北漂和欧亚东漂发起的,南海周边的所有陆块都参与了这些运动过程。构造运动是幕式,运动强度是随时间变化的。

6 结论

(1)     南海形成的动力机制是挤出+漂移模式。挤出模式一方面提供了初始动力;另一方面把陆块挤碎,成为多个碎块。后期超出挤出直接作用力范围的时候,各个破碎微陆块都是自己漂移的。印度大陆的漂移是主动的,它碰撞挤压欧亚板块发生了欧亚东南缘微陆块的大规模被动挤出,挤出过程中发生了微陆块裂解,这个裂解相当于一个挤碎过程,碎裂的微陆块也会与一般陆块一样发生主动大陆漂移。

(2)     新生代伴随着青藏高原隆升后,欧亚东部陆缘断块发生地幔上涌和伸展构造,使得大陆边缘破碎陆块发生了漂移。南海是由南沙和加里曼丹等微陆块主动向南漂移撕开的。本文提出的新大陆漂移模式很好地解释了南海上发生的洋中脊跳跃和大陆残片问题。

(3)     南海中央海盆大洋壳区域高精度地震勘探中,探测到的多个方向的交叉反射代表微陆块漂移后留下的伸展构造痕迹,大洋上地壳反射主要由辉绿岩内部的脆性断裂或岩席形成;而下地壳反射是由不同期次的辉长岩岩浆侵入面和剪切拆离面所形成。

致谢:感谢审稿专家对本文提出的宝贵审稿意见!使本文增色甚多。

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