印度板块为什么会强力北漂？ 中国科学院 梁光河 本文发表在2020年《地学前缘》第1期，原文名称：梁光河.印度大陆板块北漂的动力机制研究, 地学前缘 2020,27(1): 211-220. 摘要 ：印度大陆板块是一个活化的克拉通板块，其向北漂移并与欧亚板块碰撞过程得到了广泛研究，但其北漂的动力机制则很少被关注。传统上认为是海底扩张造成了印度大陆板块的北漂，但最新的地球物理观测结果却与此相悖。本文基于地磁场异常特征、古地磁测量和地震勘探剖面等诸多证据的系统分析研究，结果表明印度大陆板块厚度大约40 km，其北漂的动力机制与印度板块南侧深部的岩浆上涌密切相关，大陆板块的漂移是自发驱动的。通过新建立的大陆漂移模型可以合理解释印度大陆板块漂移的动力来源。并合理地解释了印度大陆板块北漂中伴随左旋的深层次动力机制。最后探讨了印度大陆板块在80 ~ 40 Ma期间异常高速漂移的根源和东非大裂谷的成因。本研究为大陆漂移模式提供了一个新的动力机制。 在传统的板块构造理论框架中，印度洋板块为全球六大板块之一，它包括印度大陆和澳大利亚大陆两个次大陆板块，其余主要以大洋岩石圈为主，主体属于大洋板块。但近期的研究发现，同属印度洋板块的印度大陆板块与澳大利亚大陆板块漂移的历史显著不同步。来自印度的古地磁证据说明，在 180 Ma 的时间里，印度大陆板块向北至少漂移了 6000 km 以上，而且伴随着高达近 60 度的逆时针旋转 ，而且在 80~40 Ma ，漂移速度显著加快。澳大利亚从南极最终破裂并形成新海底的时间为 55~53 Ma ，也就是说澳大利亚大陆大约 55~53 Ma 开始从南极洲大规模裂解北漂 ，并没有发现显著的左旋运动。这说明说印度大陆板块和澳大利亚大陆板块具有显著不同的构造运动历史，应该分别进行讨论。事实上，大陆板块和大洋板块完全不同，二者无论从物质成分还是从厚度以及形成历史都相距甚远，板块构造把它们混淆在一起作为一个板块来讨论，存在实质性问题。 青藏高原的隆升与印度大陆板块和亚欧大陆板块碰撞密切相关，近期的研究主要集中在青藏高原的隆升机制和碰撞时限上 。对于印度大陆板块为什么会强力北漂，传统上认为是印度洋的地幔对流和海底扩张造成的 ，但诸多的观测事实却并不支持这个结论，图 1 显示在印度洋中分布广泛的古老微陆块残片，这是传统的海地扩张模式难以合理解释的。而且在印度洋的磁异常图上也没有发现平行于洋中脊的磁条带特征，同样不支持海地扩张模式。这些都说明海底扩张不能提供印度大陆板块漂移的动力，但印度大陆板块又的确北漂了，而且还伴随着左旋，那么其动力机制会是什么呢？本文基于近期的地球物理观测数据说明印度大陆板块的强力北漂的动力机制，并阐述其北漂中左旋的原因。 １－马斯克林洋底高原；２－马达加斯加微陆块；３－马达加斯加洋底高原；４－莫桑比克微陆块；５－厄加勒斯微陆块；６－马里昂洋底高原；７－ Conrad 海隆；８－克洛泽洋底高原；９－ Elan Bank 微陆块； 10 －凯尔盖朗洋底高原； 11 － Broken 脊； 12 －纳多鲁列斯微陆块； 13 － Cuvier 微陆块； 14 － Exmouth 微陆块； 15 －东经九十度海岭； 16 －查戈斯－海岭； LLSVP- 超级地幔柱 图 1 印度洋盆及周缘大地构造略图 Ｆ ig.1 Tectonic sketch of Indian Ocean 1海底扩张与印度板块北漂的动力机制 1.1磁异常不支持海底扩张 众所周知，红海是一个新生代才裂开的新海洋，按照海底扩张假说，磁异常条带必定和洋中脊呈现条带状平行分布，但实际上并不是这样，在红海西部，磁异常条带几乎与洋中脊垂直，而在红海东部磁异常也并不呈条带状，而是呈现团块状与洋中脊呈似平行状（如图 2 中黑色箭头所示）。也许有人质疑说，因为红海是一个还没有被完全扩张开的海洋，所以磁异常条带与洋中脊不平行。但印度洋是一个成熟的大洋，那里的洋中脊与磁异常条带也没有平行关系。这说明海底扩张在这里得不到地磁异常的支持。 图 2 印度洋地区磁异常图 Fig.2 Magnetic anomaly map in the Indian Ocean 1.2大陆残片进一步否定海底扩张 在印度洋内发现大量古老微陆块 ，主要包括：塞舌尔微陆块、莫桑比克微陆块、厄加勒斯微陆块、 Elan Bank 微陆块、 Exmouth 微陆块等，塞舌尔群岛花岗闪长岩测年在（ 748.4 ± 1.2 ） Ma 到（ 808.8 ± 1.9 ） Ma 之间（图 1 ）。 ODP 183 航次 1137 在 Elan 浅 滩 Kerguelen 海台西部的凸出部分玄武岩层序内的砾岩中发现了元古宙大陆岩石碎屑 。印度洋内也有巨大的大陆碎块，例如 Seychelles 群岛就是一个在约 64 Ma 期间由于海岭断裂而孤立存在于印度洋中的晚前寒武纪大陆碎块 。在西南印度洋洋中脊附近同时发现了 5 Ma 和 180 Ma 的辉长岩，总之大陆残余物质可能广泛地散布在印度洋的岩石圈和软流圈中，它们孤立存在并被保存下来 。这些观测事实说明，不能用传统的海底扩张解释印度大陆板块的漂移动力机制，需要探寻更深层次的驱动力。 2印度大陆板块的厚度 从全球板块厚度分布图、印度天然地震的深度约束和羚羊计划勘探剖面远程约束结果说明印度大陆板块厚度大约为 40 Km 。特别说明的是这里用大陆地壳的厚度代表大陆板块的厚度，海底扩张用岩石圈厚度代替大陆板块厚度，没有得到精度最高的反射地震证据支持，而且上面诸多证据说明海底扩张假说存在严重问题。 传统的板块构造认为板块运动发生在岩石圈，岩石圈包括地壳和上地幔的一部分，之下是软流圈。而实际上，根据全球地温梯度地下 40 Km 深度温度可达 1200 ℃，也就是说在地壳和地幔过度区域大多数岩石都会发生熔融或部分熔融，可以形成一个良好的滑脱面。另外，前人对地壳内以及上地幔接触带的岩石流变性及强度进行了很好的研究 。结果表明无论假定地壳或地幔含水与否，在 40 Km 深度都存在一个岩石强度显著分界面，该深度下岩石强度显著变低，说明它可能是处于流变状态，这也是莫霍界面，过去普遍认为那是一个相变界面，在新的大陆漂移模型中认为那是一个主滑脱面。 对印度大陆地壳也就是板块的厚度估算，主要是基于以下四个方面的证据： (1) 从美国地质调查局公布的最新全球地壳厚度分布图（图 3 ）可以看出，印度大陆板块厚度大约为 40 Km 。 (2) 地震勘探实测资料能够更详细地说明印度大陆板块的厚度。在羚羊计划中，对横跨青藏高原和印度大陆的一条近南北向的大剖面线，依据 P 波接收函数对进行了综合解释 ，结果显示最南端的印度板块的厚度大约为 40 Km 。 (3) 印度大陆板块内部天然地震的震源深度范围也能佐证印度大陆板块的厚度，印度板块中南部地震震源深度大多集中在 40 Km 以内，而到北部接近喜马拉雅山地区，地震震源深度可达 80 Km 。 (4) 全球地温梯度通常分布在 15-80 ℃ /km 的范围，大陆地壳平均地温梯度 30 ℃ /km ，洋壳可达 80 ℃ /km 。古老稳定的克拉通板块通常地温梯度较低。长英质岩石的湿固相线温度多在 600 ℃左右 ，印度板块属于刚性的克拉通板块，按照最低地温梯度 15 ℃ /km 计算， 40 Km 深度就可以达到长英质岩石的湿固相线温度，发生熔融或部分熔融。 图 3 全球地壳厚度分布图 Fig.3 Global Crustal thickness map 3印度板块北漂的动力机制 经过数十年的不懈努力，板块构造理论虽然取得了长足的进步，但仍不清楚驱动大陆板块漂移的动力机制到底是什么。早期的看法是“软流圈对流施加于板块底部的牵引力”，但随着研究深入，人们发现岩石圈与软流圈的耦合很弱，对岩石圈的运动影响很小；而软流圈的对流方向并不平行于上覆岩石圈的运动方向 ；从而进一步认为，板块运动是板块自我驱动并控制地幔对流的总体格局。具有负浮力的榴辉岩化岩石圈在俯冲带下沉并进入地幔，是板块驱动力的根本来源。近期的研究认为，板块的驱动力 90% 以上来自于负浮力，不到 10% 来自于洋中脊的扩张推力 。最新的研究说明 ，在其初期，人们以为地幔对流是板块运动的驱动力。进一步的研究却表明，弧下深度（ 80~160 km ）大洋岩石圈的重力下沉是导致板块运动的主要驱动力。这说明海底扩张的驱动模式已经被质疑。但大洋岩石圈的重力下沉驱动板块运动并没有得到地球物理证据的确认。既然传统的海底扩张模型难以对大陆漂移的驱动力进行合理解释，那么有必要用新的模型进行解释。为此作者提出新大陆漂移模型（图 4 ），该模型认为：大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移，动力机制可以用传统的伸展构造的形成机制和过程来解释。这个推动力来自一个个连续的伸展构造形成过程。当地幔上涌推动两侧地块向两边移动，处于中心的上涌地幔因上升最高首先凝固，而已经移动的地块必然会在后面腾出空间，产生低压诱发下面地幔进一步上涌，上涌的地幔再进一步推动地块移动，这是一个连锁反应过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移（相对大陆板块，洋壳就是俯冲在大陆板块之下）。在大陆板块后面引起岩浆不断上涌，巨大的岩浆热动力推着大陆板块往前跑 。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解，产生了一个裂缝和岩浆上涌，在初始阶段，大陆漂移与海底扩张一致，但洋中脊喷出的岩浆很快会被海水熄灭，因此海底扩张不能持续，但大陆板块漂移后在其后面持续不断地涌出岩浆并不断被海水熄灭，这个热力推动过程才能持续推动大陆板块向前漂移。 图 4 新大陆漂移模型 Fig.4 New continental drift model 该模型有如下特征： （ 1 ）大陆板块的最前方因受到挤压，增压升温产生地壳流，洋壳隆起； （ 2 ）大陆板块前部会产生逆冲断层、造山带、火山带、地震带；同时地壳流的上涌会在大陆板块前部的部分薄弱带出现伸展构造； （ 3 ）在大陆板块后部产生巨厚沉积和正断层；大陆板块尾部会有拖尾隆起，可能留下火山岛链、大陆碎片遗撒物。 这个新的大陆漂移模型，不但能够合理解释大陆漂移的动力机制，也能对当前全球地震和中国地震分布特征进行合理解释 。 4 综合地球物理证据 4.1 古地磁证据 古地磁研究表明 ，印度板块在 71 Ma 之前还位于遥远的印度洋南部，其中心点位于南纬约 35 °的地方，从其给出的印度板块漂移历史图上可以看出，从 71 Ma 至今印度板块大约发生了 37 度的逆时针旋转。印度板块在 200 Ma 之前还位于南纬 45 度左右 ，并在向北漂移运动中发生了大幅度的逆时针旋转，印度板块的漂移速度也是变化的，在 80~40 Ma 期间速度达到 8~18cm/y （图 5 ）。这说明印度板块的确是从遥远的南方漂移到当前位置的，而且正在向北漂移碰撞过程中，其漂移的动力机制是否能够从新的大陆漂移模型得到支持？人工地震勘探剖面给出了答案。 a- 大西洋裂解前的状态； b- 根据古地磁测量得到的印度大陆板块随时间纬度变化曲线 ； c- 印度大陆板块漂移历史示意图。 图 5 印度大陆板块的漂移历史和轨迹 Fig.5 The drift history and trajectory of the Indian mainland plate 4.2 人工地震勘探证据 图 6~8 分别给出了美国 ION 地球物理公司为勘探石油，在印度近海区域是实施的 3 条高精度人工地震勘探剖面及简单地质解译 。图中 a 是剖面的实施位置， b 是该剖面在新大陆漂移模型中的位置， c 是该地震勘探剖面及地质解译。图 6 和 7 中可以明显地区分出陆壳、过渡带和洋壳，陆壳厚度大约 40 km ，而洋壳厚度 7~12 km ，中间的过渡带是典型的被动大陆边缘盆地。考虑到随深度升温，图中把深部弱反射和杂乱反射区域解释为软塑的熔融或半熔融状态。这些软塑状态的地质体会随着印度大陆板块的向北漂移在其后面腾出空间，降压进一步诱发深部岩浆上涌，上涌的岩浆又反过来推动印度大陆板块，从而产生持续的推动力。图 8 的地震勘探剖面大部分在洋壳上，弱反射和杂乱反射区（即软塑性区）上升到很高的区域，由此会对印度大陆板块的西南部产生更大的推动力。将这 3 个剖面深部产生的推动力综合在图 9 上，就能够得出印度大陆板块受力总体方向是左旋向北。这与印度大陆板块漂移的历史吻合。事实上当今的 GPS 测量也说明印度板块在被北漂中左旋。 a-剖面的实施位置；b-该剖面在新大陆漂移模型中的位置；c-该地震勘探剖面及地质解译；黑色箭头表示正断层上盘下降方向。 图 6 印度近海地区高精度人工地震勘探剖面 A 及简单地质解译 Fig. 6 High-precision seismic exploration section A and simple geological interpretation in the offshore area of India a-剖面的实施位置；b-该剖面在新大陆漂移模型中的位置；c-该地震勘探剖面及地质解译。 图 7 印度近海地区高精度人工地震勘探剖面 B 及简单地质解译 Fig. 7 High-precision seismic exploration section B and simple geological interpretation in the offshore area of India a-剖面的实施位置；b-该剖面在新大陆漂移模型中的位置；c-该地震勘探剖面及地质解译。 图 8 印度近海地区高精度人工地震勘探剖面 C 及简单地质解译 Fig. 8 High-precision seismic exploration section C and simple geological interpretation in the offshore area of India 图 9 基于地震勘探剖面得到的印度大陆板块漂移动力机制模式图 Fig. 9 Schematic diagram of the dynamic mechanism of the Indian continental plate drift based on the seismic exploration profiles 4.3 GPS测量证据 印度板块在从冈瓦纳裂解向北漂移过程中存在显著的左旋已经得到广泛研究 。当前印度板块向北俯冲过程中是否仍存在左旋？从近期的中国大陆及邻区地壳现今速度场 GPS 测量中 ，可以明显看出印度大陆板块右边向北漂移速度快，左边向北漂移速度慢（图 10 ），说明印度大陆板块在北漂中存在左旋。也就是说印度大陆板块北漂中不但历史上存在左旋，现在仍然在左旋。这与人工地震勘探给出的当前受力状态吻合。 图 10 中国大陆及邻区地壳现今速度场 GPS 测量结果 Fig.10 GPS survey results of the current velocity field of the crust in China and neighboring regions 5 印度板块异常漂移速度与东非裂谷成因讨论 在印度洋区域存在两大科学问题，一是印度大陆板块历史上漂移速度异常高的原因，从图 5(b) 可以看出印度板块在 80~40 Ma 之间漂移速度激增。二是东非大裂谷的成因机制，东非大裂谷是中新生代形成的巨型裂谷，南北长度约 7000 km ，且正在活动中。按照海底扩张和板块构造假说，非洲板块东西南都有洋中脊，而北侧的红海也有新形成的洋中脊，非洲大陆板块应该处于四面挤压环境，出现东非裂谷意味着其处于张性伸展环境下，因此海底扩张对此难以给出合乎逻辑的解释。本文试图通过新大陆漂移模型来回答这两个问题。 以往的研究认为 ，印度板块漂移历史上速度快的原因在于印度板块比较薄，根源在当它还是冈瓦纳大陆的一部分时，它恰巧位于软流圈最炎热区域的上方，这使得它更深层的根部区域被熔化了，从而变得单薄并能更容易地在地幔中滑动。但这难以解释印度板块为什么先慢后快，古地磁证据表明，印度板块在 180~80 Ma 之间漂移速度并不快，快速漂移的区间主要在 80~40 Ma ，这恰好是其漂移在非洲板块形成的地壳流区间。而 40 Ma 之后减速主要是与欧亚发生硬碰撞，从而减速。 根据新大陆漂移模型，非洲板块在大西洋裂解过程中，向北东方向漂移，这个巨大板块漂移过程中，其前部会形成巨大的地壳流（地壳流是能流动的软塑性的地壳物质）上涌带（图 11a 中白色虚线区域）。在大西洋裂解过程中，非洲大陆板块向北东方向漂移，由此推断非洲大陆板块形成的地壳流上涌带呈北北东向展布，正处在印度板块北漂的必经之路上。印度板块在此期间漂移在非洲板块形成的地壳流上，像冲浪一样。因为该上涌的地壳流是区域热上涌区，可以理解为上地幔上涌，使得印度板块漂移的动力更强速度更快。由此也可以推断印度板块的确是一个活化的克拉通板块，其活化的机制是因为其长期漂移在非洲板块形成的地壳流上，温度更高使得印度板块底部发生熔融，地壳减薄。另外一个重要原因与印度大陆板块的形状有关，在 80~40 Ma 期间，印度大陆板块当前的西北角处于漂移的前端，使得印度大陆板块北漂中类似一艘轮船，船头在前（图 5 ），所受到的阻力小，因此漂移速度更快。后期由于大幅度的左旋运动，使得印度大陆板块类似轮船横起来走，阻力显著增大，速度也减慢。 为什么会形成东非大裂谷？基于新大陆漂移模型，由于非洲板块前部的地壳流会在非洲板块前部，沿部分薄弱地区上涌出现伸展构造（图 11b 中红色箭头指示的区域），该伸展构造就是地壳流上涌的结果，也是东非大裂谷的成因机制。该薄弱地区处于非洲板块前期漂移过程中，所形成的造山带中的山间断坳带，沿着这些薄弱的山间断坳带在地壳流挤压作用下发生岩浆上涌，形成伸展构造和东非大裂谷。 图 11 印度大陆板块漂移路线及东非裂谷成因机制示意图 Fig.11 Schematic diagram of the drifting route of the Indian continental plate and the genetic mechanism of the East African Rift 6 结论 （ 1 ）印度大陆板块漂移的动力机制是大陆漂移而非海底扩张。动力机制是随着印度板块的持续北漂，位于印度板块南侧深部的岩浆不断上涌产生的推力所致，多方面可靠地球物理测量证据支持新大陆漂移模型。 （ 2 ）利用新的大陆漂移模型也能很好解释印度大陆板块在 80~40 Ma 之间漂移速度激增的两个原因。一是印度板块漂浮在非洲板块形成的地壳流带上，二是当时的印度板块尖端在前，漂移阻力小。 （ 3 ）利用新的大陆漂移模型，结合非洲大陆板块的漂移规律也能合理解释东非大裂谷的成因机制，而用海底扩张则难以解释。非洲大陆板块在向东漂移过程中，前部的地壳流沿造山带薄弱地区上涌出现伸展构造，从而产生非洲大裂谷和火山爆发。 参考文献 GARY A. 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Bringing fresh insight into long-standing debates about how powerful geological forces shape the planet, from earthquake ruptures to mountain formations, scientists at Scripps Institution of Oceanography at UC San Diego have identified a new mechanism driving Earth's massive tectonic plates. Scientists who study tectonic motions have known for decades that the ongoing "pull" and "push" movements of the plates are responsible for sculpting continental features around the planet. Volcanoes, for example, are generally located at areas where plates are moving apart or coming together. Scripps scientists Steve Cande and Dave Stegman have now discovered a new force that drives plate tectonics: Plumes of hot magma pushing up from Earth's deep interior. Their research is published in the July 7 issue of the journal Nature . 地幔柱驱动板块运动 Using analytical methods to track plate motions through Earth's history, Cande and Stegman's research provides evidence that such mantle plume "hot spots," which can last for tens of millions of years and are active today at locations such as Hawaii, Iceland and the Galapagos , may work as an additional tectonic driver, along with push-pull forces. 著名的现今依然活跃的地幔柱 Their new results describe a clear connection between the arrival of a powerful mantle plume head around 70 million years ago and the rapid motion of the Indian plate that was pushed as a consequence of overlying the plume's location. The arrival of the plume also created immense formations of volcanic rock now called the "Deccan flood basalts" in western India, which erupted just prior to the mass extinction of dinosaurs. The Indian continent has since drifted north and collided with Asia, but the original location of the plume's arrival has remained volcanically active to this day, most recently having formed Réunion island near Madagascar. Réunion在大约70百万年前活动，导致印度板块快速移动以及德干溢流玄武岩的形成 The team also recognized that this "plume-push" force acted on other tectonic plates, and pushed on Africa as well but in the opposite direction. "Prior to the plume's arrival, the African plate was slowly drifting but then stops altogether, at the same time the Indian speeds up," explains Stegman, an assistant professor of geophysics in Scripps' Cecil H. and Ida M. Green Institute of Geophysics and Planetary Physics. "It became clear the motion of the Indian and African plates were synchronized and the Réunion hotspot was the common link." After the force of the plume had waned, the African plate's motion gradually returned to its previous speed while India slowed down. "There is a dramatic slow down in the northwards motion of the Indian plate around 50 million years ago that has long been attributed to the initial collision of India with the Eurasian plate," said Cande, a professor of marine geophysics in the Geosciences Research Division at Scripps. "An implication of our study is that the slow down might just reflect the waning of the mantle plume-the actual collision might have occurred a little later." 50百万年印度板块运动的迅速减慢或许是地幔柱活动结束的结果，而不是板块碰撞的结果 Journal Reference : Steven C. Cande, Dave R. Stegman. Indian and African plate motions driven by the push force of the Réunion plume head . Nature , 2011; 475 (7354): 47 DOI: 10.1038/nature10174
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