海底地质历史演化模型 -海底的地貌是什么样的

象山港 · 发表于地质类 2023-11-21 23:57:33

大陆漂移为什么爱走弧线？

梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

中国科学院

一、问题提出

从全球大陆板块漂移轨迹图（图1）可以看出，大陆板块的漂移路径大多是弧线。特别是西北太平洋地区，很多岛弧都呈现弧状特征，如千岛岛弧、阿留申岛弧，也包括日本西南三岛（九州、四国和本州）漂移后形成的琉球岛弧。根据新大陆漂移模型，它们是大陆板块漂移后留下的火山岛弧夹杂大陆漂移后散落的碎陆块的集合体。为什么大陆板块的漂移大多并不沿直线方向运动而沿弧线方向运动？其内在动力机制是什么？为什么有的板块漂移却近似走直线？比如锡霍特板块（包括完达山）。这是传统的板块构造和海底扩张回避的问题。但新大陆漂移说能够合乎逻辑地给出一个合理解释。这里强调大陆板块、地体、地块、陆块是类似的概念，地体和地块是相对较小的大陆板块，它们都具有相对独立的地质演化历史，以免有人纠缠基本地质概念。

图1 大陆漂移世界观，多数大陆板块漂移走弧形路线

二、新大陆漂移模型给出的合理解释

从大陆漂移的受力模式很容易对此进行合理解释，大陆漂移过程中推力主要在大陆板块后面，影响大陆板块漂移方向的主要影响因素有两个：一是受大陆板块厚度横向不均匀性的影响。二是受大陆板块后面形状的影响。

大陆漂移造岛链，岛链是火山岛和大陆残片集合体，也就是说，大陆板块漂移后不但会引起火山爆发形成火山岛链，还会从大陆板块上撒落一系列大陆残片。但火山岛链的分布是有规律的，它们主要分布在大陆板块厚度较薄的一侧的后面，大陆残片也主要分布在厚度较薄的一侧后面，因为其较薄且多火山爆发因而易碎，使得碎陆块遗撒。

日本三岛从华南大陆裂解后横向漂移，靠近华南大陆一侧厚度大切割深，产生海槽和盆地，后面产生的推力小，由于切割深，岩浆上涌也主要发生在深部，大多形成侵入岩，其实南海北部珠江口盆地深部钻探已经发现很多新生代花岗岩；靠近大洋一侧厚度小切割浅，形成火山岛弧和大陆残片，后面产生的推力大（图2）。由此推动日本三岛在漂移过程中伴随着左旋，形成琉球岛弧。

图2 日本西南三岛漂移推力模式图

事实上，硫球岛弧是火山岛弧和大陆残片的集合体。因此其成因机制可归纳为：日本大陆三岛从欧亚东缘裂解漂移，欧亚大陆板块相当于一条巨型邮轮，日本三岛的裂解漂移相当于从船头断裂，船头自己横向跑了，靠近船中厚的部分在内侧，船头在外侧，厚度较小（图3）。因此靠近欧亚大陆一侧板块厚度大，靠近大洋一侧板块厚度小。裂解后自己漂移过程中后面两侧推力大小不一样所致。

图3 整条轮船相当于欧亚大陆，日本三岛从欧亚大陆裂解漂移，类似于图中红线处船头断裂后自己横向漂移，靠近大陆一侧厚度大，靠近大洋一侧厚度小

对于西太平洋和东亚地区，走弧线的较小陆块，它们从更大的大陆板块裂解前靠近大陆一侧厚度较大，而靠近大洋一侧陆块厚度变小，也就是说陆块底部向大洋方向是倾斜向上的，漂移过程中及漂移后深部熔融物质从大洋一侧上涌产生岛弧。岛弧中既有火山喷发也有掉下来的碎陆块。靠大洋一侧由于厚度小，岩浆上涌可以上升到近地表，产生的推力更大，而靠近大陆一侧厚度大，重量也大，后面的推力也相对较小。从而在陆块后面产生了推力的横向变化。总体向前产生推力的同时，会附加一个左旋的推力。因此这些从大陆板块裂离的陆块在向前漂移过程中会沿着弧状路线前进。

三、西北太平洋岛弧实例

在西北太平洋存在几个著名的岛弧，最著名的是阿留申岛弧。海底扩张和板块构造对阿留申岛弧的解释是由太平洋板块向北俯冲形成，但这个解释不符合基本物理原理，特别是阿留申岛弧的中部和西部，岛弧两侧都是洋壳，它们的密度和岩石性质完全相同，因此洋壳不可能俯冲到洋壳下面。海底扩张和板块构造更无法解释阿留申岛弧中间北侧那个漩涡状的地形特征（图4）是如何形成的。

根据新大陆漂移说，大陆板块漂移后会留下尾迹。据此可以推断，西北太平洋地区很多地体或陆块发生了漂移与拼合（图4a），其中科里亚克地体的漂移产生了夏威夷-帝王山火山岛链（梁光河，2017），秋林地体（Chulitna terrane）的漂移并拼贴到阿拉斯加产生了阿留申岛弧，堪察加地体的漂移产生了千岛岛弧。它们的漂移顺序可以通过尾迹切割关系，也就是岛弧切割关系得到确认，图中阿留申岛弧切割了夏威夷-帝王山岛链，说明在它们相交叉位置，科里亚克地体比秋林地体更早经过。这种大陆漂移模式在地质图上也很清晰，从图4b可以清晰看出，科里亚克地体主要出露第三系白垩系地层，与周边的地层显著不同，说明它是一个外来地块。古地磁测量也完全支持这个推论， Soloviev等人（1998）的古地磁研究表明，科里亚克地体在距今大约65~56Ma之间还位于当前之南约2000Km的位置，说明这个地体是从遥远的太平洋中部漂移过来的。更重要的是古地磁证据也说明在这个漂移过程中，科里亚克地体相对于欧亚大陆发生过34-50°的顺时针旋转，这也合理地解释了传统上认为是因太平洋板块转向，所产生的夏威夷-帝王山火山岛链上向右转的大拐弯。

这些结果都支持根据尾迹推测的大陆板块漂移历史。根据科里亚克地体漂移后的尾迹可以推测，这个地体横向上厚度相对均匀，因此漂移路径大致是一条直线，只是中间有一个急转弯。而秋林地体和堪察加地体在欧亚大陆分离前，靠近大陆一侧厚度相对更大，靠近大洋一侧厚度相对更小，在漂移过程中会发生左旋，因此其漂移轨迹是一个弧形。

图4 西北大西洋岛弧特征及成因机制图解，a是千岛岛弧、夏威夷-帝王山岛弧、阿留申岛弧的形成顺序, b是科里亚克区域地质图，说明它是一个外来拼合陆块

在阿留申岛弧中部北侧有一个非常奇怪的旋涡状岛弧（图5a），从尾迹上判断它应该是基斯卡岛（Kiska island）地块漂移伴随右旋留下的尾迹，推测基斯卡地块是秋林地体漂移后遗撒下来的微陆块，其漂移过程中由于右侧厚度远大于左侧，因此漂移中发生了大幅度右旋。事实上，从图5b的美国地质图上，也可以清楚看出，阿留申岛弧就是由新生代火山岩和前新生代大陆残片组成的集合体。

图5 阿留申岛弧特征及成因机制，a是阿留申岛弧中部北侧的蜗旋状岛弧特征，b是美国地质图上标明的阿留申岛弧是由新生代火山岩和前新生代大陆残片组成的集合体

四、日本大陆漂移和琉球岛弧

利用大陆板块漂移后留下尾迹和火山岛链的特征，可以很容易推断欧亚东缘那些陆块的来龙去脉，并甄别出其漂移的先后顺序（图6）。图中实线框代表当前陆块的位置，虚线框代表其漂移前的位置，虚箭头指示其漂移路径，虚箭头上的数字指示其漂移顺序。在这些陆块分离漂移之前，包括堪察加、日本三岛（本州、四国、九州）、朝鲜半岛和海南岛，都是拼贴在欧亚东缘的陆块。而日本北海道和库页岛及锡霍特则是从赤道附近向北漂移而来。虽然图中通过虚箭头和数字给出了相对漂移顺序，但推测它们是大致同步漂移的（图7），也就是说不会等一个陆块漂移完成之后第二个陆块才开始漂移。日本三岛虽然都是从华南大陆边缘分离漂移到当前位置的，但它们不是作为一个完整的地块漂移，本州岛单独漂移在前，四国和九州一起紧随其后漂移。证据很多，其中之一是西南日本和东北日本以大地沟带为界，两侧构造发展史显著不同，西南日本的四国和九州岛存在多条变质带，而本州岛则不同。

图6 基于尾迹分析得到的欧亚东缘陆块原始位置、漂移路径和顺序（底图据USGS）

事实上，日本从中国大陆东部分离漂移出去有很多证据支持，这里先列出几个主要证据：

（1）古地磁证据说明日本在白垩纪以前应该在华南附近（许靖华，1989）。

（2）日本发现一种40Ma已经绝灭的茂名龟属种，特产在我国茂名地区的一套新生代油页岩地层中（叶祥奎，1984）。这是一种陆相环境下的淡水龟，它不可能越洋到达日本。世界上只有中国的茂名和日本发现这种淡水龟。这个古生物证据支持日本是从华南东部分离漂移出去的。另外古植物化石研究（Atsushi Yabe，2008）表明：16Ma左右日本东北部处于热带、亚热带海洋气候，当前亚寒带。日本北海道古孢粉研究（Akiko Obuse,1999）表明，16Ma该区域存在常绿阔叶林。这些古生物证据支持日本北海道是从赤道附近快速漂移到当前位置的。

（3）通过全球深海钻探LEG60和LEG31航次中（S450-S440-S320）站位对大洋海底年龄的约束（Hussonget al.,1979 and James et al.,1974），进一步限定了锡霍特（含完达山）和北海道地块漂移时间，从16Ma开始从赤道北部附近开始向北漂移，拼合到欧亚东缘在第四纪。

事实上，日本大陆板块的漂移过程和朝鲜半岛的裂解漂移是同步的，它们和中国东部的郯庐断裂带的大规模走滑过程也是同步的，它们受同一个系统力的控制。图7的运动过程示意图给出了中国大陆新生代构造运动方向及日本和朝鲜半岛的裂解漂移过程。

图7 中国大陆新生代构造运动方向及日本和朝鲜半岛运动过程示意图

日本和朝鲜半岛的裂解漂移过程也能够得到更多细节证据的支持，那就是中国东部海域盆地形成过程。以东海盆地为例，东海盆地的成因传统上是用板块俯冲和后撤形成的弧后盆地来解释（Eiichi，1995），但却难以合理解释观测事实，那就是东海盆地形成远早于琉球岛弧和冲绳海槽。陈国达（1997）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，并质疑传统的”沟弧盆”体系：根据板块构造，弧后盆地和岛弧带应同时形成，但实际上东海拉张断陷的造盆发生在晚白垩世-始新世，而冲绳海槽的和琉球岛弧则形成时代很新，为一条现代的构造活动带，因此板块构造并不能合理解释东海盆地和琉球岛弧的成因。

索艳慧等（2012）的研究说明，东海盆地是一个中、新生代复合盆地，盆地自西向东依次划分为闽浙隆起区、东海陆架盆地、钓鱼岛隆褶带、冲绳海槽和琉球隆褶区。东海陆架盆地自陆向洋迁移的构造特征十分清晰（图4a）。从中国大陆往日本方向，盆地和凹陷的开启时间逐渐由早到晚，分别为古近世的瓯江闽江凹陷、始新世的浙东凹陷、中-上新世的冲绳海槽（孙肇才，2004）。东海的莫霍面深度自西而东，由30 km上升到20 km，但并未拉出洋壳。根据地震剖面揭示的岩浆侵入最高层位分布及前人资料统计，盆地的岩浆活动自西向东大致可以划分为三个带：古新世、始新世和渐中新世岩浆活动带，岩浆活动西早东晚（李廷栋和莫杰, 2002），沉积物和构造活动及岩浆岩都存在西早东晚的迁移特征（徐发，2012）。金翔龙等（1983）的研究说明，冲绳海槽是正处于活动状态的裂谷构造。位于日本大陆板块后面的冲绳海槽，近期的深海钻探计划IODP Exp331实施了3个钻孔，均在浅部发现了火山小丘中包含热流体的黑烟囱（Taira，2014）。冲绳海槽的海底热流值很高, 在1.05-8.95 HFU间变化, 平均值为3.62 HFU。相比较而言大西洋中脊为1.50 HFU。秦蕴珊等（1987）的研究说明，冲绳海槽广泛分布酸性浮岩是由基性岩浆在地下深处岩浆房经过充分结晶分异作用形成的，说明日本陆块漂移切割深度大。李家彪等（2017）的研究表明，在晚白垩世之前, 华南大陆以东并无东海, 而是古太平洋相伴，晚白垩世之后原始的东海开始形成，但他们给出了另外的成因解释，事实上也完全可以按照新大陆漂移进行合理解释。

以上事实说明东海盆地和冲绳海槽及琉球岛弧的成因难以用板块俯冲进行合理解释。但如果用日本大陆板块的漂移解释，一切矛盾将不复存在。诸多证据说明日本三岛是新生代从中国东部大陆边缘分离漂移出去，这可以从东海的一条地震勘探剖面（白莹，2014）得到证实，该地震勘探剖面位于钓鱼岛北部（图8a中黑线），该剖面的典型特征是右侧发育两套负花状断裂系统，负花状断裂是走滑拉伸环境下的典型特征，说明在盆地东西向拉张形成过程中，其东侧还存在南北向的走滑剪切活动。其构造演化史恢复（图8b）说明，日本本州岛在65Ma之前还位于华南大陆边缘，本州岛大约在32 Ma就已经向北东方向漂移并经过钓鱼岛北部，形成了地震剖面东部左侧第一个负花状断裂系统，随后四国和九洲岛大约是16 Ma才经过钓鱼岛北部，形成了剖面最东部的第二个负花状断裂系统。当前剖面的最右侧则是它们漂移过后留下的琉球群岛。而钓鱼岛只不过是日本大陆板块漂移过程中掉落的一个碎陆块。

图8 东海盆地构造演化史恢复 a是地震勘探剖面位置（底图据朱伟林等，2008），b是该剖面的构造演化历史恢复结果（据白莹，2014修编）

五、印度板块向北运动中的左旋弧形漂移机制

无论是现代GPS测量还是古地磁研究结果都表明，印度大陆板块在大约70Ma至今都在北漂过程中伴随着左旋，其动力机制是什么？海底扩张和板块构造并没有给出一个合理解释。

图9 印度板块当前和历史上北漂中伴随着左旋，a是印度板块当前GPS测量结果，b是印度板块历史上北漂中的左旋特征

新大陆漂移模型可以很简单地解释这个现象，那就是印度大陆板块西南侧65Ma之前开始喷发的德干玄武岩使得印度西南侧地壳减薄，因此印度板块漂移中西南侧上涌产生的推力更大，漂移后留下了马尔代夫火山岛弧和大陆碎片；而印度板块东侧厚度大，产生的推力相对较小（图10）。因为印度板块总体呈现三角形状，由此在印度板块前部已经发生碰撞的情况下，这种受力方式类似推磨过程，由此造成了印度板块北漂中伴随着左旋。事实上，位于印度洋东北侧孟加拉湾的大深度高精度石油地震勘探剖面也证明这个推力就在印度板块的后面（图11）。

图10 印度板块德干玄武岩使得印度西南侧地壳减薄，漂移中后面上涌力大，留下马尔代夫火山岛弧和大陆碎片。a是平面图，b是横穿德干玄武岩的剖面示意图

图11 石油地震勘探证明印度板块后面的大陆漂移推动力，a是箭头所指的测线位置，b是测线在新大陆漂移模型中的位置，c是石油地震勘探剖面及地质解释（据ION,2014）

六、东南亚岛弧带成因机制

从全球地形地貌图上看，世界上最大的岛弧是东南亚岛弧带，她到底是如何形成的？成因机制是什么？从未得到合理解释。事实上，新大陆漂移模型能够非常完美地对此进行合理解释，而且符合所有的观测事实。

根据新大陆漂移模型我们对东南亚地块进行了恢复：65Ma东南亚和南海碎小陆块都拼贴在东亚大陆上（图12）。随着印度板块的强力北漂，65Ma印度板块与欧亚发生软碰撞，也就是印度板块前部的地壳流已经对欧亚施加压力，使得拼贴在东亚的陆块发生裂解。45-40Ma印度与欧亚发生硬碰撞，印度大陆开始与欧亚大陆直接接触碰撞，挤出过程中首先挤出软塑性的块体，这些块体在外侧相对厚度较小。宏观上，东南亚板块组合中，内侧板块厚度大；外侧板块厚度小，它们被挤出后漂移过程中产生的推力更大，使得整体上东南亚板块发生左旋（中间也存在印支地块的右旋）。40-24Ma南沙、菲律宾、台湾地块组合向南东漂移，34Ma撕开洋壳，16Ma遇到澳大利亚北漂发生大拐弯，南海洋壳被撕裂过程停止。也就是说，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。这也合理地解释了南海大洋壳上，即西南海盆发现的中生代花岗岩和变质岩（邱燕等，2008）。也就是说南海洋盆上发现的大陆残片是南沙、菲律宾和加里曼丹地块漂移过程中的遗撒物，而不是南海海底扩张的产物。

图12 新生代初东南亚和南海碎小陆块的复原图以及后期漂移路径示意图

七、结论

大陆漂移为什么爱走弧线？简单回答就是横向上厚度不均一的大陆板块漂移过程中，后面推力不一样所致。如果大陆板块厚度均匀，那么它应该走直线。或者形象地比喻：邪门歪道走弧线，四平八稳走直线。

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