地震勘探揭示板块运动解耦机制

非常感谢梁光河老师热情赐稿

地震勘探揭示板块运动解耦机制

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京，100029

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一、科学问题

大陆板块怎么会漂移？它漂移的前部、侧翼和尾部是什么特征，漂移的动力机制是什么？它和大洋地壳是如何解耦的？高精度石油地震勘探资料给了我们解答。

二、大陆漂移和海底扩张

大陆板块存在大规模水平漂移是地球上的普遍现象，而且当前还在运动，现代精确GPS测量和古生物古地磁都有确凿证据说明大陆板块会漂移，但其漂移的源动力是什么？魏格纳100年前提出的大陆漂移学说，他认为大陆板块自己会漂移，动力主要包括两个，其一是因地球自转存在一个指向赤道的离极力；其二是因地球自转产生向西的力。后来地球物理学家经过计算得到的这两个力非常小，不足以推动巨大的板块克服阻力发生漂移。更不符合逻辑的是这两个力都是系统作用力，也就是说他们针对地球上的所有大陆板块都是一样的，那么现实中应该发生大陆板块统一都向赤道漂移或向西漂移，事实上并没有发生这种现象。因此魏格纳提出的动力被否定。

魏格纳后来也承认，大陆运动的起因这一难题的真正答案仍有待继续寻找，大陆漂移理论中的牛顿还没有出现。

为了解释大陆漂移的动力来源，赫斯（Hess）1961年提出了海底扩张学说。海底扩张假说认为，由于洋中脊不断喷发的玄武岩造成了海底扩张，像传送带一样拖动大陆板块发生漂移。基于泛大陆的裂解，其结论是现代海洋中的洋壳板块都是160Ma以后的，洋中脊附近因为都是新生成的岩石，其年龄应该是0。事实上是这样的吗？

任纪舜等人(2015)通过全球深海钻探和地球物理调查研究，发现全球大洋中存在大量古大陆残片。按照海底扩张假说，洋中脊上岩石年龄应该接近于0，而事实上却并不是这样的，在赤道大西洋洋中脊附近发现大量古老的大陆岩石分布，这些岩石年龄少则300Ma-330Ma，多则1600Ma-1850Ma。这与传统的海底扩张假说完全不符。大洋中的古大陆残片否定了海底扩张假说。

赫斯等人提出的海底扩张假说是基于太平洋东北角和大西洋北部局部的磁异常带与洋中脊平行，事实上这并不是一个普遍现象。2007年法国地质局编绘了目前全球唯一的世界磁异常图，遗憾的是该图否定了条带状磁异常与洋中脊平行的这种所谓普遍规律。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，而是呈现团块状沿着洋中脊分布，没有平行分布的特征。也许有人说，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。其邻近的印度洋的洋中脊与磁异常条带也没有平行关系。事实上在太平洋和大西洋等全球区域，大多数地区磁异常条带并不平行洋中脊。

既然海底扩张不存在，那么到底是什么原因使大陆板块发生了大规模水平漂移？

从地热学我们知道大陆上平均地温梯度是每百米增温3℃，超深钻也验证了这个地温梯度的正确性。这就意味着40公里之下的温度可达1200℃，大洋地温梯度远高于大陆，在1200℃度下绝大部分岩石会变成熔融状态的岩浆。

新的大陆漂移说认为，大陆板块是飘浮在大洋板块上的，其主体部分沉入大洋板块中，随着深度的增加温度逐渐增高，岩石逐渐由弹性变为软塑性（图1），大陆板块底部飘浮在大洋深处的岩浆上。

我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑”。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解，产生了一个裂缝和大洋深处的岩浆上涌，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。其基本逻辑很简单：大陆板块运动中其前面处于挤压环境，地下深处的岩浆无法外泄，其后面处于开放环境，地下深处的岩浆持续上涌，推动大陆板块向前运动。

图1 新大陆漂移模型，A是漂移前的状态，B是漂移后的状态（梁光河，2013）

该模型说明大陆板块漂移的前部、尾部和侧翼具有如下特征：

1 大陆板块前部会产生逆冲断层、造山带、火山带、地震带。

2 大陆板块漂移后会留下尾迹，也可能会留下火山岛链、大陆碎片遗撒物，并在其后部产生巨厚沉积。

3 大陆板块的侧翼会产生一系列走滑断裂。

这些特征是否能够找到证据支持？我们知道，人工反射地震勘探是地球物理勘探领域分辨率最高的勘探方法，通过全球不同部门的勘探成果我们找到了答案。

三、大陆板块尾部特征

基于大地构造演化史和当前GPS测量表明，印度板块正在向北漂移，日本板块正向北东方向漂移，加里曼丹板块在新生代逆时针旋转约45°，目前其北端向北西漂移。作者收集了该这些区域的高精度地震勘探成果，测线A位于印度洋的孟加拉湾，代表了印度板块漂移的尾部特征。测线B位于加里曼丹板块的西北端，代表了加里曼丹板块运动的前部特征。测线C位于日本板块的东南部，代表了日本板块运动的侧翼特征（图2）。

 

图2 高精度地震勘探线在区域地形图上的位置及当前板块运动方向（据美国NOAA修编）

众所周知的印度板块是从南往北正快速移动的一个较大板块，印度大陆板块从印度洋南部漂移到当前位置，并与欧亚板块碰撞拼合，前端形成了著名的青藏高原和喜马拉雅山脉。它漂移后在印度洋上留下了深切割的海沟，使得这些区域洋壳变薄，引起印度洋深处的岩浆沿着这条薄弱的深切割海沟喷（涌）出，产生了火山岛链。从图3中我们可以很清楚地看出，印度板块向北漂移中在尾部遗留下来一个明显刮痕，形成了马尔代夫火山岛链。这与新大陆漂移模型完全吻合。

 

图3 新大陆漂移模型与印度板块漂移状态吻合

为什么在这个岛链的最北部会出现一个扫尾特征，这个岛链并没有指向印度板块的最尾端，而是出现一个大转弯呢？这是由于印度板块在向北漂移的过程中伴随着逆时针旋转，在强劲的旋转漂移过程中，由于受力不均衡使得斯里兰卡板块裂解脱离了印度大陆板块。同时也使印度板块尾部出现了一个明显的扫尾特征。

这个新大陆板块漂移模式是否能得到地球物理的认可？图4给出了美国ION石油勘探公司在印度洋孟加拉湾所做的一条人工反射地震勘探剖面。从该剖面我们可以看出，其探测深度可达40公里，如果考虑到地下深处的温度变化规律，就会发现，该剖面正好位于新大陆漂移模型的后部，完全吻合新的大陆漂移模型。地质学家已经证明，印度板块是白垩纪初从南极洲分离出来并开始漂移的。

图4 印度洋孟加拉湾高分辨率人工地震勘探揭示的深部结构与新大陆漂移模型吻合，该测线位于图2中的测线A

该模型不但合理地解释了马尔代夫岛链的成因机制，也能合理地解释其附近发现的大陆板块残片，它们应该是印度板块漂移过程中遗撒的大陆残片。而海底扩张对这些大陆残片则无法解释。

四、大陆板块前部特征

加里曼丹是一个独立的大陆板块，古地磁研究表明它在新生代发生了约45°的逆时针旋转（施秋华等，2013）。GPS测量表明其目前仍在逆时针旋转，测线B位于加里曼丹西北端（位置见图2），横切了部分陆块和洋壳，它代表了大陆板块漂移的前部特征。

从图5的地震勘探剖面中可以看出，位于剖面右侧的加里曼丹大陆板块前缘正强劲地向北西方向漂移，产生了一系列逆冲断层。剖面左侧是中国的南海海槽盆地，代表了大洋地壳，其中还沉积了中、新生代的沉积物。加里曼丹板块好像一台推土机碾压在南海海槽上，大陆板块底部存在近水平的滑脱推覆构造和拆离断层。该剖面深度大约15-20公里。该勘探结果与新大陆漂移模型完全吻合。

图5 中国南海海槽-加里曼丹地震勘探剖面（据张亮，2012），该测线位于图2中的测线B

能够反映大陆板块漂移前部特征的另外一个例子是台湾板块，GPS测量表明，相对于中国大陆，台湾岛正在整体向北西方向漂移，台湾相对于福建沿海的漂移速率可达每年61mm（李延兴等，2002）。由于台湾海峡没有深的海盆，大陆板块漂移前方表现为逆冲薄皮构造特征（图6）。台湾板块的构造特征与新大陆漂移模型也吻合良好。

图6 横贯台湾东西向构造示意图（据陈焕疆，1995修编）

四、大陆板块侧翼特征

日本板块正在向北东方向漂移，剖面C（图7）是横切日本熊野和日本南海海槽的一条深反射地震勘探剖面（具体位置见图2），它代表了大陆板块运动的侧翼特征。从该图可以看出，剖面左侧是日本大陆板块，右侧是大洋板块，在洋陆过渡带出现了一系列深大断裂，这些断裂具有走滑断裂特征，表现为花状断层。这说明大陆板块在漂移过程中，其侧翼会出现一系列走滑断裂，这种解耦机制符合新大陆漂移模型。

图7 日本南海海槽地震勘探剖面（据郭天虹，2012修编），该测线位于图2中的测线C

五、当前对魏格纳大陆漂移假说的错误理解

当前对魏格纳大陆漂移假说的质疑主要在于大陆漂移的力学机制，地球自转离心力和日月潮汐摩擦力不足以克服摩擦阻力。关键是前人认为大陆板块是直接漂浮在刚性的大洋板块之上的（图8），如果这样，大陆板块与大洋壳之间的阻力巨大，大陆板块不可能发生水平漂移。实际上这是不可能的，它不符合基本的物理原理。

大陆板块应该是嵌入式漂浮在大洋软流圈上，在新大陆漂移模型中，就是这种耦合关系，传统的观点只看到了地球浅表层的刚性部分，而忽略了地球随深度变化的升温升压过程，温压的增高使岩石逐渐呈现软塑性并具有流变特征。当大陆板块向前漂移时，后面岩浆（或部分熔融体）上涌，推动大陆板块前进。由于这个过程缓慢，流变特性应该更重要。

对大陆漂移假说的另外一个质疑是“如果大陆漂移是在中生代开始的，那么古生代以前的褶皱山脉是怎样形成的？”。这个质疑并不成立，已有资料表明，地球在演化过程中至少存在过三次超大陆聚散作用，分别是古元古代晚期（约18亿年前）的Nuna超大陆（也被称为哥伦比亚超大陆）、新元古代（约8亿年前）的罗迪尼亚（Rodinia）超大陆和晚古生代（约3亿年前）的潘基亚（Pangea）超大陆。

图8 对大陆漂移假说的质疑（童亨茂，2007）

海底扩张模式存在逻辑错误，例如横切南美洲的剖面（如图9上半部分）说明西侧是被动大陆边缘，东侧是主动大陆边缘，该模型不符合地球物理的基本原理，洋壳密度一样都是2.9，为什么西部密度为2.9的较轻太平洋板块能插入密度高达3.3的上地幔，而东部却不能。它们是怎样一种机制？

如果考虑到随深度的增温，我们就得到图9的下部模式。这个模式就是新大陆漂移模式。

 

 

图9 海底扩张和新大陆漂移模型，上图为海底扩张模型，下图为新大陆漂移模型。

事实上，大陆漂移的流变特征反映在当前全球地形地貌上特别明显，图10说明了这些大陆板块漂移后留下的尾迹。而海底扩张假说则无法解释这些地表特征。一个无法合理解释现代地形地貌和地质发展史的假说是不成立的。

图10 大陆板块漂移后留下的尾迹和流变特征（据美国NOAA地形图修编）