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驱动印度大陆北漂的动力是什么? 精选

已有 5469 次阅读 2022-11-5 14:44 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流

驱动印度大陆北漂的动力是什么?

梁光河,杨巍然.驱动印度大陆北漂的动力是什么?[J/OL].地学前缘:1-14[2022-11-05].DOI:10.13745/j.esf.sf.2022.11.5.

摘  要: 印度大陆板块从位于南半球的冈瓦纳大陆裂解并漂移到当前位置已得到普遍认可,但大陆板块运动的驱动力在大陆漂移学说提出至今一直存在争议,定量估算印度大陆板块运动的驱动力有助于减少争议。我们收集了印度大陆南部被动大陆边缘盆地区域的两条深反射地震勘探剖面,并对其进行了构造地质解译,详细估算了其莫霍面倾角,得到了地壳重力滑移剪切力的大小,用于解释印度大陆运动的动力机制。结果说明,印度大陆板块在地幔上涌形成的倾斜界面上能够产生足够大的重力滑移力驱动印度大陆向北漂移。由此提出一个“地幔上涌和重力滑移”双驱动大陆漂移模型,即大陆板块依靠连续的地幔热上涌和重力滑移力会持续漂移。该模型能够合理解释印度洋上的大陆残片,也能合理解释印度大陆北漂中左旋的成因机制。该重力滑移驱动机制为板块运动提供了一个新的动力模式,为认识板块运动驱动力提供了更为精确的约束信息。

关键词:印度大陆北漂;大陆地壳;重力滑移;动力机制;地震勘探

中图分类号:P597  文献标志码:文章编号:1005-2321

LIANG Guanghe, YANG Weiran. What forces are driving the Indian continent drift northward?. Earth Science Frontiers, 202211(5): 1-14

Abstract: It is widely recognized that the Indian continental plate splits and drifts from Gondwana in the southern hemisphere to its current position, but the driving force has always been a debate since the theory of continental drift was put forward. Quantitative estimation of the driving force of the Indian continental plate movement helps reduce disputes. We collected two deep reflection seismic exploration profiles in the passive continental margin basin area in the south of Indian continent, interpreted them structurally, estimated the dip angle of Moho surface in detail, and obtained the magnitude of crustal gravity slip shear force, which is used to explain the dynamic mechanism of Indian continent movement. The results show that the Indian continental plate can produce enough gravity slip force on the inclined interface formed by mantle upwelling to drive the Indian continent to drift northward. Therefore, a dual-drive continental drift model of "mantle upwelling and gravity slip" was proposed, that is, continental plate can drift by relying on continuous mantle thermal upwelling and gravity slip force. The model can reasonably explain the continental fragments in the Indian Ocean and the genetic mechanism of left rotation in the northward drift of the Indian continent. The gravity slip driving mechanism provides a new dynamic model for plate motion and more accurate constraint information for understanding the driving force of plate motion.

Keywords: northward drift of Indian continent; continental crust; gravity slip; dynamic mechanism; seismic exploration

引言

在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。来自印度大陆的古地磁证据说明,从180 Ma至今印度大陆板块向北至少漂移了6 000 km以上,且伴随着高达近60度的逆时针旋转[1],而且在80~40 Ma,漂移速度显著加快。澳大利亚大陆大约55~53 Ma开始从南极洲大规模裂解北漂[2],其漂移距离显著小于印度大陆板块,也没有发现显著的左旋运动。这说明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。

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[3],也就是说大陆地壳相对于大洋地壳发生了运动。印度大陆板块从位于南半球的冈瓦纳大陆裂解并漂移到当前位置已得到广泛认可,但板块运动的驱动力自魏格纳提出大陆漂移假说至今一直存在争议。早期认为是地幔对流所致海底扩张“Bottom up”模式,目前较为普遍接受的是俯冲拖拽“Top down”模式[4]。对于印度大陆板块北漂的动力前人也是按照这两种模式进行解释的。

第一种模式认为是印度的北漂是印度洋的海底扩张造成的[5-7],但诸多的观测事实却并不支持这个结论,因为在印度洋上存在大量古老微陆块[8]。第二种模式认为,特提斯洋大洋俯冲到欧亚板块之下,产生向下的拉力,拉动印度大陆板块从冈瓦纳裂解并向北移动到当前位置[9-11]。万博等[12]2019)进一步认为地球自5亿年以来,大量陆块从南方的冈瓦纳大陆不断裂解北漂,似单程列车,而驱动列车单向运行的机制是俯冲板块的重力作用。这个模式的优点是可以很好地解释印度洋上的大陆残片成因机制。但却存在更多难以合理解释的问题:(1)解释不了从南方冈瓦纳裂解北漂的第一个陆块是什么驱动机制。因为5亿年前冈瓦纳主要聚集在南半球,北半球还是大洋,因此第一个陆块北漂过程中并不存在大洋板片的俯冲拖拽作用,因为没有可供俯冲的大陆在北半球。(2)印度欧亚陆陆碰撞发生在65 Ma左右,特提斯大洋俯冲板片于45±5 Ma已经断离[13]。但是印度大陆仍以每年数厘米的速度向北俯冲,因此必然还有另外的驱动力没有被考虑到。(3)按照海底扩张模型,特提斯洋的形成应该存在洋中脊,如果大洋板块俯冲拖拽力真实存在,势必在巨大的拉力作用下在洋中脊处把特提斯洋拉断,而不能将拉力传给印度大陆板块。(4)俯冲拖拽拉力是以大洋岩石圈榴辉岩化为基础的,但榴辉岩形成需要首先到达70 km深度才能形成高密度体,在这之前它们密度小,不能提供向下的拖拽拉力[14]。岩石断裂力学也不支持俯冲板块负浮力观点[15]。另外该模式也解释不了大西洋裂解过程中两侧陆块漂移的驱动力,因为那里并不存在俯冲带。因此俯冲板块拖曳力模型仍存在极大争议。

以上分析说明印度大陆板块漂移还存在很多问题,主要包括:(1)印度大陆北漂的动力机制是什么?(2)印度洋上诸多大陆残片是如何形成的?(3)印度大陆为什么北漂过程中存在逆时针旋转?针对这些问题,本文基于近期的深反射地震观测剖面,在详细构造地质解释基础上,定量计算了印度大陆板块重力滑移驱动力的大小,结果说明,印度大陆板块漂移的动力机制是依靠印度大陆板块自身重力滑移形成的,其北漂中左旋的原因是印度大陆南部两侧重力滑移驱动力大小不一所致。并由此建立了一个新的大陆漂移模型,恢复了印度大陆从冈瓦纳大陆的裂离和漂移历史过程,为认识板块运动驱动力和超越板块构造进行了新探索。

1 地质背景

印度大陆是一个克拉通陆块,在其以南的广阔的印度洋上分布着很多微陆块和洋底隆起[8],主要包括塞舌尔(Seychelles)微陆块[16-17]、依兰班克(Elan Bank)微陆块[18]、纳多鲁列斯洋底高原(Naturaliste Plateau [19]、厄加勒斯洋底高原(Agulhas Plateau)和莫桑比克(Mozambique)微陆块 [20]、埃克斯茅斯(Exmouth)洋底高原[21]等。塞舌尔群岛被认为是一个在约 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[22-23]ODP183航次 1 137Elan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[24]。总之大陆残余物质可能广泛地散布在印度洋的岩石圈中,它们孤立存在并被保存下来[25]

印度大陆经保克海峡(Palk Strait)与斯里兰卡陆块隔海相望,保克海峡宽约53~80 km,该海峡北部存在一个中新生代盆地~高韦里(Cauvery)盆地。印度中南部的德干高原(Deccan Plateau)上发育巨厚德干玄武岩,这些玄武岩最早喷发时间约为66 Ma

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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

(修编自文献[8,26]

ig.1 Tectonic sketch of Indian Ocean. Modified after[8,26].

1—Mascarene Oceanic Plateau; 2—Madagascar Microcontinent; 3—Madagascar Oceanic Plateau; 4—Mozambique Microcontinent; 5—Agulhas Microcontinent; 6—Marion Oceanic Plateau; 7—Conrad Rise; 8—Crozet Oceanic Plateau; 9—Elan Bank Microcontinent; 10—Kerguelen Oceanic Plateau; 11—Broken Ridge; 12—Naturalliste Microcontinent; 13—Cuvier Microcontinent; 14—Exmouth Microcontinent; 15—Ninety East Ridge; 16—Chagos-Lacedive Ridge; LLSVP-Super Mantle Plume.

印度洋和西南印度洋上发育了字型的大洋中脊,其中北西向分布的印度洋洋中脊与红海洋中脊相连,而北东向分布的西南印度洋洋中脊在北端与印度洋洋中脊相交,形成三叉洋中脊特征。在印度大陆南部西侧发育了南北走向的查戈斯海拉卡迪夫脊(Chagos-Lacedive Ridge),著名的马尔代夫火山岛链位于其北段,该区域属于火山型被动大陆边缘盆地,而东侧则位于孟加拉湾,属于贫岩浆型被动大陆边缘盆地。

1显示在印度洋中分布广泛的古老微陆块残片,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,这些证据都不支持海底扩张模式[26]

地震勘探资料及重力滑移推力计算方法

2.1 地震勘探资料构造格架新解释

我们收集了横跨印度大陆南、北边界的3条地震勘探剖面资料,其中两条来自印度大陆南部被动大陆边缘盆地,它们是人工深反射地震勘探剖面[27],这些地震勘探资料过去用于石油勘探中盆地沉积相和生、储、盖的研究,关注点主要局限于沉积盆地的内部构造和岩石物性变化,但在本次研究中我们对它们进行更宏观的构造地质解释,更关注沉积盆地基底及上地幔部分的构造特征,并将其用于大陆漂移的动力学研究,我们对这些被动大陆边缘盆地区域的莫霍面倾角进行了详细估算,得到了地壳重力滑移剪切力的大小。用于解释地壳运动的动力机制。而另外条剖面来自印度大陆北部,它是天然地震接收函数剖面的地质解释[28]。图2a是横跨印度大陆板块的地震勘探测线分布图。其中AB剖面是孟加拉湾区域的一条石油地震勘探剖面,该剖面长约480 km,探测深度40 km。而CD剖面是羚羊勘探计划-2测线利用天然地震P波接收函数得到的地质剖面[28],该剖面长度约700 km,探测深度100 km(图2b),该剖面清楚地显示印度陆壳厚度约40 km,它已经俯冲到青藏高原深部,最深约达到75 kmEF是另外一条石油地震勘探剖面,长度约310 km,探测深度40 km

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a-剖面平面位置图; b-天然地震勘探接收函数剖面地质解释。

图2印度大陆板块周边地震勘探剖面

(b据文献[28])

Fig. 2 Seismic exploration section in the south of the Indian continental plate. a is the plane position of the section and b is the geological interpretation of the seismic receiver function section (after [28]).

3AB反射波法石油地震勘探剖面及构造地质解译。从图a中可以明显区分3个地质单元:沉积层、印度大陆壳和上地幔,印度大陆地壳和上地幔之间是非常明显的莫霍面且莫霍面连续延伸到南部的沉积层和洋壳之间,莫霍面呈现向北倾斜的特征,最大倾角约14°。图ba剖面的构造地质解释结果。在该剖面上,可以区分出陆壳、过渡带和洋壳,其中陆壳厚度大约40 km,而洋壳与上地幔之间没有明显的反射层,中间的过渡带是典型的被动大陆边缘盆地。图中把深部弱反射和杂乱反射区域解释为上地幔区域。

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a-人工反射波地震勘探剖面;b-该地震勘探剖面的构造地质解译,红色箭头表示印度陆壳滑移方向。

图3 剖面AB的地震勘探剖面及对应的地质解释(剖面位置见图2a)

 (a据文献[27])

Fig. 3 Seismic exploration section of line A-B and corresponding geological interpretation (see Fig. 2a for section location), a- seismic exploration profile of artificial reflected wave (after [27]); b - structural geological interpretation of the seismic exploration section; The red arrow indicates the slip direction of the Indian continental crust.

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a-人工反射波地震勘探剖面;b-该地震勘探剖面的构造地质解译,红色箭头表示印度陆壳滑移方向。

图4 剖面EF的地震勘探剖面及对应的地质解释(剖面位置见图2a)

(a据文献[27])

Fig. 4 Seismic exploration section of line E-F and corresponding geological interpretation (see Fig. 2a for section location), a - seismic exploration profile of artificial reflected wave (after [27]); b - structural geological interpretation of the seismic exploration section; The red arrow indicates the slip direction of the Indian continental crust.

4EF段石油地震勘探剖面及地质解释,图中a是反射地震勘探剖面,b是该剖面线的构造地质解释结果。在该剖面上,可区分出过渡带和洋壳,陆壳厚度约为40 km,洋壳区域深部存在断续的强反射,推测洋壳厚度为8~10 km。该剖面右侧深部由于莫霍面倾角较陡,相对于上一条剖面反射信号较弱,但依然能够追踪。图中红色方框部分说明印度大陆壳和上地幔中间存在一个倾角更陡的莫霍界面,最大倾角约27°。推测它能够提供更大的重力滑移驱动力。重力滑移驱动力的大小需要定量计算才能得出可靠的结果。

2.2 重力滑移力的定量计算

我们将人工反射地震勘探结果和天然地震接收函数剖面结合起来,用于综合分析印度大陆板块运动的动力机制(图5),图中aABCD剖面的地质解释,bEFCD剖面的地质解释。后者横跨印度南部的查戈斯海拉卡迪夫脊,地幔上涌更高(地幔上涌用浅红色标识),因此在莫霍面形成的倾角更大。

从这两个剖面的地质解释可以推测驱动印度北漂的动力主要是印度大陆板块的重力滑移推力(主要动力集中在图中的红色方框区域);而北段俯冲进入欧亚大陆板块的印度下地壳,密度小于上地幔密度,理论上会阻碍俯冲进行。印度大陆地壳在莫霍面上产生的重力滑移力可以通过一个简单公式进行定量估算。

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图5 剖面ABCDEFCD综合地质解释

Fig. 5 Comprehensive geological interpretation of section A-B-C-D and E-F-C-D

一个大陆地块沿倾斜面的滑移主要由自身重力所形成,由重力分量所致的底部剪切应力可以通过如下数学公式进行定量估算[29]

P=g×ρ×H×Sin(a)=g×ρ×H×(h/sqrt(h×h+L×L));

式中,g表示重力加速度,g=9.8m/s2

ρ表示大陆壳的平均密度,ρ=2.7×103kg/m3

H表示大陆地壳厚度,H=40 km;

h代表莫霍面抬升高度;

L表示大陆地壳宽度 ;

a代表莫霍面倾斜角度。

表1 重力滑移剪切应力计算表 Table 1 Calculation table of gravity slip shear stress

剖面模型参数

测线A-B

测线E-F

H

40 km

40 km

h

12 km

36 km

L

60 km

70 km

a

14°

27°

P

256 MPa

480 MPa

 

对图5中两个剖面红框内的参数分别进行计算后(表1),得到测线A-B测线E-F 的重力滑移剪切力的定量结果,说明在印度大陆南部东侧重力滑移剪切应力(以下滑移推力特指重力滑移剪切应力)为256 MPa,而西侧滑移剪切应力为480 MPa。

计算结果

以上计算结果说明,印度大陆南部西侧的重力滑移驱动力为480 MPa,另外附加了东侧重力滑移驱动力256 MPa,它们的合力大于480 MPa,毛小平等[30]2020)对板块运动的各种可能驱动力的大小进行了统计对比,结果说明地幔对流、洋脊推力、板块负浮力和离极力等都小于10 MPa,它们远小于上述陆壳重力滑移驱动力,因此陆壳重力滑移力可能是驱动大陆漂移的主要动力。

上述重力滑移力是否能够驱动印度大陆漂移还要看印度大陆板块四周的阻力大小。刘鎏等[31]2012)通过对印度大陆周边陆块的阻力进行有限元法数值计算和数值模拟得出,只有在印度板块南部施加450 MPa以上的推力,才能符合印度板块向北移动的观测结果。我们的计算结果说明,重力滑移驱动力大于阻力,足以推动印度大陆板块漂移。这个驱动力也合理解释了在印度欧亚碰撞后,在大洋俯冲板片断离情况下,印度大陆仍在强烈北漂的主要原因。计算结果也说明在印度大陆板块南部,东侧重力滑移推力小于西侧,这合理地解释了印度大陆板块向北漂移过程中发生逆时针运动的动力机制。

4讨论

4.1基于连续地幔上涌的新大陆漂移模型

以上证据只是说明印度大陆板块当前能够在地幔上涌形成的倾斜莫霍面上滑移,且滑移力足够大。但历史上印度大陆板块从冈瓦纳的裂解和漂移是否也是这种力起主要作用?“将今论古”是传统的地质研究和推理方法,我们认为地质历史上也是重力滑移驱动力起主要作用。当印度大陆从冈瓦纳裂解初期,由于地幔上涌,在地壳下部的莫霍面造斜(图6a),因重力作用使得两侧地块向两边发生重力滑脱而移动,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产生降压,诱发深部地幔发生熔融进一步上涌,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(图6b)。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移(图6c),印度大陆漂移过程中可能会持续散落一些被拉伸减薄的大陆残片。这个驱动力模式合理地解释了印度洋上散落的大陆残片,它们是印度大陆从冈瓦纳裂解初期,被极度拉伸减薄的陆壳块体。由于洋中脊区域是地幔上涌最高的区域,洋中脊处海拔高于两侧洋壳,洋中脊区域类似一个巨型的背斜构造,背斜构造顶部因为存在洋壳向两侧的拉伸作用而始终处于伸展状态,从而形成张裂缝,使得深部地幔发生降压熔融,在洋中脊区域产生间断喷发的玄武岩。但并不意味着背斜顶部的裂隙能够把整个巨厚的岩石圈背斜完全分开。

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a-印度陆块裂解初期;b-漂移过程中;c-碰撞俯冲。

图6 印度裂离冈瓦纳大陆、漂移和碰撞过程示意图

Fig. 6 Schematic diagram of India's separation from Gondwana, drifting and collision process, a is the initial stage of the breakup of the Indian continent, b is the drift process, and c is the collision subduction

印度相对于冈瓦纳向北漂移是一种“单边跑”运动模式(图7),而大西洋裂解后两侧陆块同时漂移是 “双边跑”运动模式。这说明,大西洋裂解后两侧陆块发生近似对称漂移运动是由于两侧陆块体量相当。而印度陆块相对于冈瓦纳大陆是一个很小的陆块,当印度大陆从冈瓦纳大陆裂解时候,只有印度大陆发生了大规模水平运动,而冈瓦纳大陆则没有显著运动。

将图6b中间的正处于漂移状态的印度大陆板块单独拿出来,就得到图7。该图说明在大陆地壳运动过程中,大陆前部因俯冲带有大量含水矿物进入,无论洋壳还是陆壳熔点显著降低,大陆板块前部深处始终处于湿软状态,使得大陆漂移过程类似于持续陷入泥沼一样缓慢持续漂移前行。正是由于地球上存在大量水才存在板块构造而不同于其他星球。如果地球上没有水,俯冲带就不会出现图中的部分熔融区域,那么大陆板块前面将是坚硬的大洋岩石圈,其阻力巨大,即便后面产生重力滑移力,也不可能推动大陆板块漂移,因为前面也会产生类似反方向重力滑移推力。

该模型也说明,大陆地壳密度小于大洋地壳,大陆地壳漂移在大洋地壳上,大洋地壳在俯冲带进入地壳之下,发生部分熔融或者全部熔融,之后转换为上地幔的一部分,在大陆板块漂移的后方又通过地幔上涌形成新的大洋地壳。从大洋地壳的结构特征可知,正常洋壳的厚度约为5~10 km,大致可分为3个结构层[32],分别是沉积岩层(层1)、玄武岩层(层2)和辉长岩层(层3),其主体是大洋壳层3。事实上,Dietz[33]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。因此早期定义的大洋莫霍界面仅仅是一个相变界面。他建议将大洋壳层3视为最上层地幔(uppermost mantle)或外地幔(exomantle)。由于玄武岩是由层3分异形成的,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(大洋中远洋沉积层和洋壳玄武岩层之间的分界面)。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7 重力滑移大陆漂移新模式示意图

Fig.7 Schematic diagram of a new continental drift model with gravity slip force

这个新的大陆漂移动力模型说明,大陆地壳相对洋壳发生了漂移运动。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(火山爆发),在特定情况下,部分地幔上涌能量很大,可能上升到更高的位置而留下多个洋脊(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,重物质下沉形成深源地震,而轻物质上升形成陆壳增生。

本文提出的大陆漂移驱动机制具有普适性。具体体现在被动大陆边缘的构造特征上,典型的被动大陆边缘模型包括火山型和贫岩浆型两种模型[34]。火山型被动大陆边缘会产生更高的地幔上涌,形成更大的莫霍面倾角,因此会产生更大的重力滑移驱动力[35]。这与印度大陆当前的状态完全吻合,有火山型被动大陆边缘对应印度大陆南部西侧,而贫岩浆型被动大陆边缘对应印度大陆南部东侧。它们产生的重力滑移驱动力很显然也是有火山型大于贫岩浆型,由此驱动印度大陆板块在北漂中产生左旋。

4.2斯里兰卡和德干玄武岩成因机制探讨

8a说明当前印度大陆南侧东西两边重力滑动驱动力不同,不但造成了印度北漂中的旋转,也对印度大陆板块本身产生了很大的构造改造作用。众所周知德干玄武岩爆发于66 Ma,但其爆发的动力机制是什么则一直没有得到很好解释。还有斯里兰卡陆块从印度大陆裂离的驱动力问题。我们的新模型都能够给出比较合理的解释。

根据以上计算结果可以推测印度漂移过程中,在印度南部东西两侧存在滑移驱动力大小不一的现象。图8b说明在66 Ma之前,当印度陆块最南端处于印度洋洋中脊和马尔代夫火山岛链区域时,其最南端的东侧因地幔上涌到地表(形成火山岛),这时候所产生的重力滑移推力最大,因此印度南部西侧与东侧驱动力的差异形成了巨大的左旋剪切作用,从印度南部掰开了斯里兰卡地块,同时在也掰开印度中部的德干高原,引发了德干玄武岩大爆发。从保克海峡区域的高韦里盆地也能看出,在中新生代之交的66 Ma,该盆地的沉积存在一个显著不整合面[36]

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a—印度大陆当前受力状态;b—66 Ma印度大陆受力状态,说明德干玄武岩成因和斯里兰卡裂离印度的动力机制。

图8 印度区域地质图及德干玄武岩和斯里兰卡成因动力机制示意图

(a和b改自文献[8]

Fig. 8 The regional geological map of India and the schematic diagram of the splitting mechanism of Deccan rift and Sri Lanka before 66 Ma. The difference in driving forces between the West and east sides of southern India has produced sinistral shear, cutting (breaking) and produced two rifts. a is geological map and stress characteristics of India; b is the simplified stress diagram to explain the genesis of Deccan basalt and the dynamic mechanism of Sri Lanka's separation from India before 66 Ma. Modified from [8].

4.3洋中脊成因机制探讨

众所周知,洋中脊是大陆板块初始裂开的位置,但在印度大陆的漂移路径上存在两个洋中脊,分别是南大西洋洋中脊和印度洋洋中脊。它们是怎么形成的?

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图9 印度大陆晚白垩纪和早始新世构造演化(改自文献[36]

Fig.9 Late Cretaceous and Early Eocene tectonic evolution of the Indian continent. Modified from [36].

推测位于南大西洋的第一个洋中脊是印度大陆和南极洲大陆初始裂解破裂线。而位于印度洋的第二个洋中脊的形成比较复杂,推测它可能是马斯克林(Mascarene)和塞舌尔(Seychelles)陆块与印度大陆(61~56 Ma)分裂的初始裂解区[16,36],在新生代又与红海洋中脊连通形成(图9)。该图说明印度洋洋中脊曾经发生过洋中脊跳跃现象,即从印度陆块和马达加斯加陆块中间的洋中脊跳跃到印度陆块和塞舌尔陆块之间,这是海底扩张模式没有合理解释的,但我们给出的新大陆漂移模型却能合理解释这种洋中脊跳跃现象。

除了上述洋中脊成因机制,还有一种可能的形成机制,Tang[37] (2020)提出的地球龟裂形成机制,在大洋岩石圈封闭条件下,地下热能聚集到一定程度就会发生热隆升,进而产生龟裂。该龟裂模式能够较好地解释印度洋三叉洋中脊的形成机制,也可能以上两种机制同时起作用,总之印度洋洋中脊以及转换断层的成因机制还需要深入研究。

4.4大陆漂移与开合构造假说

我们可以用轮船的航行来比喻和探讨大陆漂移驱动力问题,大陆板块相当于轮船,而大洋板块相当于结冰的大洋。板块构造认为轮船在四周结冰的大洋中航行,其动力机制是由四周的冰驱动的,轮船自己是没有动力的。早期的海底扩张推力模型认为是轮船后面远处不断新生的冰驱动轮船运动,海底扩张模型无法合理解释轮船后面为什么会存在一些轮船碎片(大陆残片)。后期的板块俯冲驱动力又修改为由轮船前面的冰层运动拉动轮船运动,而俯冲驱动力模型又无法合理解释大西洋裂解过程南美洲和非洲的驱动力问题,因为那里根本不存在前部的拉力。因此轮船的运动很有可能是自身存在驱动力(本文提出的大陆漂移动力机制新模式),从而产生相对于冰层的运动,由此轮船会在冰面上形成尾迹特征,这在全球地形地貌图上都能得到体现(图10)。

10.jpg

10 基于大陆漂移后尾迹特征对东半球主要陆块的来源进行追踪

Fig.10 Tracing the origin of major continents in the Eastern Hemisphere based on wake characteristics after continental drift

印度大陆板块漂移后留下了显著的尾迹特征,著名的马尔代夫岛链就是印度大陆漂移后留下的尾迹,该岛链主要由火山岩和大陆残片组成的,这些火山岩也是印度大陆漂移过程中岩浆上涌的高点区域,岛链上发育较密集的断裂破碎带。根据大陆漂移后留下的尾迹,我们可以在地形地貌图上对东半球主要陆块来源进行追踪(图10)。事实上,包括马尔代夫岛链等大洋中众多岛链(岛弧)都可能是大陆漂移后留下的尾迹,虽然地球化学证据说明它们来自地球深部,但对其成因机制没有给出定论。它们可能来自大洋板块的运动,也可能来自大陆板块的运动。本文认为其来自大陆板块的运动更为合理,这可以合理解释大洋中很多岛链(岛弧)上存在大陆残片的成因机制。岛链(岛弧)就是由火成岩和大陆残片组成的链(弧)状集合体,比如阿留申岛弧上就存在很多大陆残片。

威尔逊[38]1969)最早提出了开与合(opening and closing)的概念,这是海底扩张和板块构造研究中的一个重要概念。马杏垣[39]1989)在编制中国大地构造图中尝试用开(opening)和合(closing)为主线,进行构造环境和构造要素的分析,又将威尔逊的openingclosing从地壳层次扩展到全球尺度并与能量联系起来;杨巍然等人进而将开与合与热能和势能联系起来发展成为开合构造假说[40-42]。认为开合运动和旋转运动相互配合形成动态平衡稳定的“开合旋”构造体系,探究平衡体系被破坏和迅速恢复的过程是研究地球内部如何运行的基础和有效途径。开合构造假说的最精彩部分是,把热力为主体驱动的上浮物质运动定义为开,把重力为主体驱动的下沉物质运动定义为合。开合构造假说把它们综合起来,更好地描述了大陆漂移驱动机制的本质,而大陆板块后面不同区域存在不同的推力,造成了大陆漂移过程中的旋转。本文提出的“地幔上涌”和“重力滑移”双驱动大陆漂移模型就是开合构造假说中强调的开合旋的具体体现。从平面上看,印度大陆从冈瓦纳大陆裂解为,而印度大陆与欧亚板块碰撞则为“合”。

4.5大陆漂移与板块构造

本文提出的新大陆漂移模型与板块构造模型显著不同,板块构造中的板块既包含大陆板块也包含大洋板块,这是不对的,因为大陆板块和大洋板块,无论从演化历史还是物质成分,甚至厚度和形成年代等等都存在巨大差异,其地球物理性质(密度、波速等)和地球化学性质(化学元素组成和同位素特征等)也存在很大差异,把它们划为一个板块是显著错误。由于被动大陆边缘往往是陆壳和洋壳的分界线,那里存在一个明显的深大断裂带,因此在板块划分中应该把被动大陆边缘作为一个板块边界才是合理的,而板块构造却把被动大陆边缘两侧的陆壳和洋壳划为同一个板块,这自然也是不合理的。本文的新大陆漂移模型说明对于一个大陆板块,其漂移方向的前部是俯冲带,其尾部是被动大陆边缘,它们都是板块(陆块)的边缘和分界线,也就是说大陆板块相对于大洋板块是独立存在的且可以发生相对漂移运动。由于大陆板块尾部不同区域莫霍面倾角不同,造成不同区域重力滑移驱动力也不一样,因此在大陆漂移过程中,在被动大陆边缘上不同区域形成驱动力差异,这种差异会造成大陆漂移过程中发生旋转,甚至变形或裂解。

目前主流观点认为大陆漂移的底界面在岩石圈和软流圈之间,但全球并没有统一、连续、稳定的软流圈层。地震勘探表明,在稳定的克拉通之下,软流层往往很薄,甚至没有,例如在北美和北欧亚大陆之下,就没有发现连续的软流层存在[43-45]。而且大陆漂移的原动力——地幔对流,至今仍处于假说阶段,并没有被证实[46]。由于没有全球统一、连续的软流圈层,因此岩石圈底界面往往难以界定,而地壳和地幔之间的莫霍面却是全球普遍稳定存在的。因此,对地球表层构造而言,现在更应该关注地壳层次的构造,而不是岩石圈层次的构造。由此说明本文提出的大陆漂移发生在莫霍面上应该是正确的。

5 结论

1)驱动印度大陆北漂的主要驱动力是连续的地幔上涌和陆壳的重力自滑移力。其中大陆漂移后形成降压,降压造成地幔上涌,这种反馈机制是大陆漂移的关键。大陆漂移后会留下尾迹,这些尾迹往往表现为火山岛链(岛弧),火山岛链(岛弧)是由火山岩和大陆残片组成的。

2)本文提出的重力滑移自驱动力模型可以合理解释印度洋上诸多大陆残片的成因机制,它们是印度大陆裂离冈瓦纳大陆过程中拉伸减薄的大陆地壳,它们在印度大陆漂移过程中散落在大洋中。

3)印度大陆南部的重力滑移驱动力存在不均匀性,西侧驱动力大于东侧,因此印度大陆目前向北漂移过程中伴随着左旋。这个新的大陆漂移模式为板块构造动力机制提供了一种新的可能驱动力。

特别感谢ION公司在第76届欧洲地球物理学家和工程师年会上提供的地震勘探剖面资料,感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见!

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