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南海和台湾成因新解

已有 474 次阅读 2019-9-18 10:35 |个人分类:台湾岛成因|系统分类:论文交流| 南海, 台湾, 成因机制

南海和台湾成因新解

梁光河

中国科学院

lgh@mail.iggcas.ac.cn

本文为201941-3日应邀在中海油西部公司讲座的部分内容。

一、问题的提出

南海整体是一个大海盆,是中国三大边缘海之一 ,自然海域面积约350万平方公里。南海南北纵跨约2000公里,东西横越约1000公里,北起华南沿海,南至加里曼丹岛、苏门答腊岛,西依中国大陆、中南半岛、马来半岛,东抵菲律宾,通过海峡或水道东与太平洋相连,西与印度洋相通,是一个东北-西南走向的半封闭海。中国台湾处在南海海盆的东北角(图1a)。

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图1 南海地形图和磁异常图(据杨胜雄等,2015修编)

南海的形成机制是地学界的一大谜案,众说纷纭,目前至少有5种演化模式和说法(表1),它们各有证据,也有与实际不符的地方。任何一个演化模式都不能完全合理地解释南海的成因。

表1 南海演化模式-主要依据及与实际不符的地方统计表(佚名,百度百科)

目前占主流地位的模式有两个:

n  海底扩张模式:认为南海是新生代由传统的海底扩张形成的。但该模式存在三个致命缺陷,(1)南海地形地貌特征不支持海底扩张(图1a),南海的洋中脊不是连续的海底山脉,而是呈点状的一个个孤立水下圆形火山沿北东向分布。(2)鉴别出的磁异常条带之间存在较大夹角,同一条也有多处弯曲(图1b),这与海底扩张是矛盾的。(3)南海洋壳上发现古老的大陆残片。中国地调局广海局在南海洋壳和洋中脊附近发现大量古老(约110Ma)花岗岩和变沉积岩(邱燕等,2008),这种洋壳上的大陆残片是南海海底扩张无法解释的。

n  挤出模式:认为印度板块向欧亚板块碰撞和碰撞后的楔入,在导致青藏高原的隆升的同时,同时引起了欧亚大陆沿若干条断裂大规模传播式挤出,印支板块向SE向长距离滑移,促使加里曼丹地块南移,引起南海的扩张(Tapponnier,1982,1986)。该模式也存在两个难以合理解释的问题:(1)最近的研究表明,南海的扩张呈“剪刀式”由东向西扩张(汪品先,2019),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)GPS资料分析和研究(Shen等,2000)表明,红河地区和南海西北部向东南逃逸的成分,最多只能占喜马拉雅碰撞挤出的25%,因此导致南海发生近千公里扩张的可能性不大。

陈国达(1988)和中国科学院南海海洋研究所明确指出“陆缘扩张”是我国新生代以来东部陆壳拉伸过程中主要的构造作用,强调整个亚洲东部大陆边缘的形成都是由于陆缘扩张所致。事实上陆缘伸展模式与事实描述更为一致,但陆缘为什么会伸展,而且伸展出一个巨大的南海洋盆,动力机制是什么?这是它难以解释的。陆缘伸展模式虽然引入了地幔流动、海底扩张,但实质仍为陆壳拉张、减薄洋壳化,理论依据不足,很难被大多数学者接受。

台湾岛的成因机制也是众所纷纭,台湾的来源与南海的形成密不可分,解释了南海的成因,台湾的成因也就顺理成章了。

   本文提出的南海成因新机制是“挤出+漂移”模式,这个模式就是一种新的陆缘伸展模式,但仅有陆缘伸展是不够的,按照新大陆漂移模型,欧亚东南缘大陆板块被向东南挤出过程中,由于处于板块前部的地壳流上涌,产生伸展构造和陆块裂解,这些裂解后的微陆块在热力驱动下自己发生了漂移,撕出了新南海。

二、地质背景

从大地构造位置来说,南海西侧是印支板块,南侧是澳大利亚板块,北侧是欧亚板块,东侧是太平洋板块。南海整体是一个拉分断陷海盆,在海盆扩展过程中发育一系列北东-北东东向断裂,沿断裂形成海底火山喷发堆积的熔岩高地,这些火山岩主要是玄武岩(图2),既有年轻的大洋玄武岩海山也有包含了大陆玄武岩的“双性”海山(杨金玉,张训华等,2001),海盆中间有残留的陆块碎片。

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南海地质图及横穿南海的两条地质剖面图(改自杨胜雄等,2015)

横穿南海近南北向有两条地质勘探剖面,勘探结果表明南海区域分布约30个新生代沉积盆地,这些盆地主要包括北部湾、莺歌海、琼东南、珠江口、台西南、万安、文莱沙巴、南沙海槽、巴拉望等盆地(图3)。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。断裂构造方向多变,南海西部以近南北向构造为主,中部主要以北东向构造为主东部则以南北向构造为主。

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3 南海盆地分布图(张功成等,2018

这些盆地的构造演化史和沉积充填史是南海大地构造研究的重要证据,一个正确的南海构造运动演化模式应该能够合理解释所有盆地的形成演化过程。在石油勘探和南海北部盆地的研究过程中,前人已经发现几次重要的构造运动事件,主要包括神狐运动、琼珠运动和南海运动等。我们不仅要问这些地质运动是谁发动的?谁参与的?这也是本文需要回答的关键问题。

三、南海成因机制

根据新的大陆漂移模型(梁光河,2013,2018),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冷却凝固,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。

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发育过程。

从全球地形图上可以清晰地看出,大陆板块会自己漂移,并留下显著的尾迹。通过大陆漂移后留下的尾迹可以追踪陆块的来源(图4)。从南海及周边的陆块地形地貌特征也能看出,印支地块是被印度欧亚碰撞挤出来的,马来西亚和印度尼西亚也是被挤出来的,印度尼西亚诸多破碎陆块不但被挤出,而且还主动发生了漂移(注:滇缅马古板块包括当前的马来西亚和印度尼西亚等陆块)。菲律宾、中国台湾和加里曼丹等陆块也在这个大碰撞过程中从华南裂解开来,并发生大规模漂移,在这个过程中撕出了南海海盆。


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4 新大陆漂移世界观和南海“挤出+漂移”模式

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、日本、菲律宾、南沙、加里曼丹、马来西亚和印度尼西亚等陆块都拼贴在欧亚东南缘。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,前缘受到洋壳挤压,地壳流上涌形成伸展构造,陆块大规模裂解,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对南海产生挤压,南海停止扩张。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-拉-挤”模式,完全不同于大西洋的“拉-拉-拉” 模式(汪品先,2019)。

这个“挤出+漂移”模式的两个动力源,一个是被动,一个是主动。挤出是被动的,其动力是印度板块北漂与欧亚碰撞,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,被挤出裂解后的碎陆块主动漂移,动力机制是新大陆漂移模式,即在热动力驱动下主动漂移,类似平底热锅上的黄油自己会跑。

新的成因机制可以合理解释南海的所有地质现象,包括在南海洋壳发现的古大陆残片,那应该是菲律宾、南沙和加里曼丹地块在主动漂移过程中的撒落下来的残片。而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(张训华等,1997),而与海地扩张无关。这个成因模式也得到了地球化学的支持,徐义刚等(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。

更详细的“挤出+漂移”过程如图5所示,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、南沙、加里曼丹和滇缅马)都拼贴在欧亚东南缘。此时印度和欧亚发生软碰撞,陆地还没有接触,但印度北漂已经通过上地壳对欧亚大陆施加了压力,由于遇到塔里木、鄂尔多斯和四川盆地克拉通的阻力,通过力的传递,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40-45Ma 期间,印度欧亚发生硬碰撞。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,东海盆地主要为海相沉积。随着印度板块漂移过程中前部的地壳流挤入青藏高原,青藏高原隆升,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。

在40-24Ma期间,印度碰撞造山后青藏高原地块组合显著缩短,特别是24Ma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,这个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24-16Ma遇到南部澳大利亚板块北漂的影响,大规模左旋转向,继续漂移,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板块北漂和大西洋裂解发起的,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,简单的总结如下。

(1)    神狐运动:65Ma印度欧亚软碰撞,脆性地壳推压错断。

(2)    琼珠运动:45Ma印度欧亚硬碰撞,欧亚东南前缘地壳流挤出。

(3)    南海运动:24Ma印度欧亚碰撞造山后,聚集的地壳流大规模挤出。

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5 南海大地构造演化过程示意图(底图据亚洲地质图)

值得注意的是,在这些微陆块裂解漂移过程中,一些联合陆块后期发生了撕裂,形状有较大变化,似乎很难理解,其实,在大陆漂移过程中,板块的聚合和裂解漂移都会发生巨大的形状变化,这是一种常态,如图6所示。

图6 古生代以来全球大陆漂移动画图

这个模式合理地解释了一个令人费解的问题。那就是日本三岛从华南裂解后为什么向北东方向漂移,而不向东或东南漂移的原因。这是因为在日本三岛和海南岛微陆块裂解期间,其外侧(东南侧)还有一些微陆块把海南岛和日本三岛夹持在一个狭长的通道内,随着印度欧亚碰撞及华南地壳流的挤出,这些陆块发生了裂离,日本三岛由于受到东南侧陆块的限制,同步受到海南岛旋转漂移施加的初始推力,它们只能向北东方向漂移。地质证据是:海南岛南部的琼东南盆地在古近纪是陆相沉积环境,双峰盆地在古近纪主要也是陆相沉积,32-30Ma双峰盆地由东向西剪刀式扩张,沉积环境由陆相转变为海陆过度相(赵钊等,2016),意味着琼东南盆地和双峰盆地形成之初是陆内裂谷盆地,当时的华南(包括海南岛和日本三岛)南部一定还存在一些陆块,这些陆块是加里曼丹、菲律宾和南沙等微陆块,它们原本也拼贴在欧亚东南缘,随着大碰撞挤出效应,裂离欧亚大陆沿U字形漂移到达当前位置。这个过程和目前明确的南海的扩张(相当于加里曼丹和菲律宾地块的裂离漂移)时间一致,撕开洋壳的时间大致在33-24Ma。

四、台湾成因机制

传统的观点认为台湾是从中国福建沿海裂解开来到达当前位置的,如果这样,台湾海峡目前应该处于伸展张性环境,但石油地震勘探表明,台西南盆地和台湾海峡都处于强烈的挤压环境中,并形成一系列褶皱和逆冲断层。GPS测量也表明相对于中国大陆,台湾岛正在整体向北西方向漂移,同时伴随右旋(李延兴等,2002)。台湾相对于福建沿海的漂移速率可达每年61mm,如果这个速率保持不变,那么2Ma(百万年)后台湾海峡将不复存在,中国大陆和台湾将碰撞连接在一起。

事实上,台湾学者Wen-Yu Shao近期根据岩石学证据给出了台湾岛的漂移轨迹(图7)。从该图可以看出,台湾岛发源于华南大陆边缘,随着南海的形成首先到达菲律宾附近,之后在新生代晚期才从菲律宾漂移到当前位置,而且仍然在北漂。这个结论与作者数年前根据大陆漂移模式给出的台湾岛来源(梁光河,2013)完全一致。

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7 台湾岛运动轨迹图(Wen-Yu Shao et al,2015)

五、结论

在新生代初期,菲律宾、南沙和加里曼丹等、海南岛和日本三岛都拼贴在中国大陆东南部,随着印度欧亚大碰撞裂解开来,形成裂谷、裂陷盆地和拉分盆地,之后随着这些地块的漂移,在33-24Ma之间逐渐撕开洋壳,形成南海洋盆。最后在16Ma由于受到南部澳大利亚板块北漂的影响,加里曼丹和菲律宾等漂移方向转向,加里曼丹左旋,菲律宾和中国台湾岛从南向北北西方向漂移,南海扩张变为南海收缩,形成当前的大地构造和地理格局,台湾岛最后是从菲律宾漂移过来的。

(1)    南海的成因是“挤出+漂移”模式,随着印度欧亚碰撞和印支地块等陆块的挤出,原来拼贴在欧亚大陆东缘的微陆块发生裂解,进而发生大规模漂移。也就是说南海是这些微陆块单向拉伸撕出来的

(2)    印度欧亚碰撞挤出过程中,张裂的陆块发生宏观上的左旋漂移, 南沙、菲律宾和加里曼丹裂解漂移拉出南海,而不是海底扩张。这些陆块主要在40-24Ma期间拉出南海, 33Ma撕开洋壳,16Ma遇到澳大利亚北漂发生大拐弯,继续北漂形成目前的南海格局。

(3)    台湾岛陆块也全程参与了这个“挤出+漂移”过程,台湾岛原拼贴在华南大陆边缘的日本陆块外侧,其裂解漂移过程中前期是与菲律宾同步进行的,台湾岛直到新生代晚期才从菲律宾地块北漂到当前位置。目前仍在北漂中,并伴随右旋。

参考文献略




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3 周少祥 杨光 张鹰

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