從地震勘探角度解密大陸板塊漂移的真相

↑↑↑

中國科學院礦產資源研究重點實驗室副主任，流體地球科學專業委員會副主任。擔任數家礦產勘探開發公司技術顧問。

大陸板塊怎麼會漂移？它漂移的前部、側翼和尾部是什麼特徵，漂移的動力機制是什麼？它和大洋地殼是如何解耦的？高精度石油地震勘探資料給了我們解答。

一

大陸漂移和海底擴張

大陸板塊存在大規模水平漂移是地球上的普遍現象，而且當前還在運動，現代精確GPS測量和古生物古地磁都有確鑿證據說明大陸板塊會漂移，但其漂移的源動力是什麼？

魏格納100年前提出的大陸漂移學說，他認為大陸板塊自己會漂移，動力主要包括兩個，其一是因地球自轉存在一個指向赤道的離極力；其二是因地球自轉產生向西的力。

後來地球物理學家經過計算得到的這兩個力非常小，不足以推動巨大的板塊克服阻力發生漂移。更不符合邏輯的是這兩個力都是系統作用力，也就是說他們針對地球上的所有大陸板塊都是一樣的，那麼現實中應該發生大陸板塊統一都向赤道漂移或向西漂移，事實上並沒有發生這種現象。因此魏格納提出的動力被否定。

魏格納後來也承認，大陸運動的起因這一難題的真正答案仍有待繼續尋找，大陸漂移理論中的牛頓還沒有出現。

為了解釋大陸漂移的動力來源，赫斯（Hess）1961年提出了海底擴張學說。海底擴張假說認為，由于洋中脊不斷噴發的玄武巖造成了海底擴張，像傳送帶一樣拖動大陸板塊發生漂移。基於泛大陸的裂解，其結論是現代海洋中的洋殼板塊都是160Ma以後的，洋中脊附近因為都是新生成的巖石，其年齡應該是0。事實上是這樣的嗎？

任紀舜等人(2015)通過全球深海鑽探和地球物理調查研究，發現全球大洋中存在大量古大陸殘片。按照海底擴張假說，洋中脊上巖石年齡應該接近於0，而事實上卻並不是這樣的，在赤道大西洋洋中脊附近發現大量古老的大陸巖石分布，這些巖石年齡少則300Ma-330Ma，多則1600Ma-1850Ma。這與傳統的海底擴張假說完全不符。大洋中的古大陸殘片否定了海底擴張假說。

赫斯等人提出的海底擴張假說是基於太平洋東北角和大西洋北部局部的磁異常帶與洋中脊平行，事實上這並不是一個普遍現象。2007年法國地質局編繪了目前全球唯一的世界磁異常圖，遺憾的是該圖否定了條帶狀磁異常與洋中脊平行的這種所謂普遍規律。

眾所周知，紅海是一個新生代才裂開的新海洋，按照海底擴張假說，磁異常條帶必定和洋中脊呈現條帶狀平行分布，但實際上並不是這樣，在紅海西部，磁異常條帶幾乎與洋中脊垂直，而在紅海東部磁異常也並不呈條帶狀，而是呈現團塊狀沿著洋中脊分布，沒有平行分布的特徵。

也許有人說，紅海是一個還沒有被完全擴張開的海洋，所以磁異常條帶與洋中脊不平行。其鄰近的印度洋的洋中脊與磁異常條帶也沒有平行關係。事實上在太平洋和大西洋等全球區域，大多數地區磁異常條帶並不平行洋中脊。

既然海底擴張不存在，那麼到底是什麼原因使大陸板塊發生了大規模水平漂移？

從地熱學我們知道大陸上平均地溫梯度是每百米增溫3℃，超深鑽也驗證了這個地溫梯度的正確性。這就意味著40公裡之下的溫度可達1200℃，大洋地溫梯度遠高於大陸，在1200℃度下絕大部分巖石會變成熔融狀態的巖漿。

新的大陸漂移說認為，大陸板塊是飄浮在大洋板塊上的，其主體部分沉入大洋板塊中，隨著深度的增加溫度逐漸增高，巖石逐漸由彈性變為軟塑性（圖1），大陸板塊底部飄浮在大洋深處的巖漿上。

我們可以形象地把大陸漂移比喻成「平底熱鍋裡的黃油會自己跑」。這個運動過程是基於大陸板塊首先發生裂解，產生了一個裂縫和大洋深處的巖漿上湧，在初始階段，大陸漂移與海底擴張一致，但洋中脊噴出的巖漿很快會被海水熄滅。

因此海底擴張不能持續，但大陸板塊漂移後在其後面持續不斷地湧出巖漿並不斷被海水熄滅，這個熱力推動過程才能持續推動大陸板塊向前漂移。其基本邏輯很簡單：大陸板塊運動中其前面處於擠壓環境，地下深處的巖漿無法外洩，其後面處於開放環境，地下深處的巖漿持續上湧，推動大陸板塊向前運動。

圖1 新大陸漂移模型，A是漂移前的狀態，B是漂移後的狀態（梁光河，2013）

該模型說明大陸板塊漂移的前部、尾部和側翼具有如下特徵：

大陸板塊前部會產生逆衝斷層、造山帶、火山帶、地震帶。

大陸板塊漂移後會留下尾跡，也可能會留下火山島鏈、大陸碎片遺撒物，並在其後部產生巨厚沉積。

大陸板塊的側翼會產生一系列走滑斷裂。

這些特徵是否能夠找到證據支持？我們知道，人工反射地震勘探是地球物理勘探領域解析度最高的勘探方法，通過全球不同部門的勘探成果我們找到了答案。

二

大陸板塊尾部特徵

基於大地構造演化史和當前GPS測量表明，印度板塊正在向北漂移，日本板塊正向北東方向漂移，加裡曼丹板塊在新生代逆時針旋轉約45°，目前其北端向北西漂移。作者收集了該這些區域的高精度地震勘探成果，測線A位於印度洋的孟加拉灣，代表了印度板塊漂移的尾部特徵。測線B位於加裡曼丹板塊的西北端，代表了加裡曼丹板塊運動的前部特徵。測線C位於日本板塊的東南部，代表了日本板塊運動的側翼特徵（圖2）。

 

圖2 高精度地震勘探線在區域地形圖上的位置及當前板塊運動方向（據美國NOAA修編）

眾所周知的印度板塊是從南往北正快速移動的一個較大板塊，印度大陸板塊從印度洋南部漂移到當前位置，並與歐亞板塊碰撞拼合，前端形成了著名的青藏高原和喜馬拉雅山脈。它漂移後在印度洋上留下了深切割的海溝，使得這些區域洋殼變薄，引起印度洋深處的巖漿沿著這條薄弱的深切割海溝噴（湧）出，產生了火山島鏈。

從圖3中我們可以很清楚地看出，印度板塊向北漂移中在尾部遺留下來一個明顯刮痕，形成了馬爾地夫火山島鏈。這與新大陸漂移模型完全吻合。

 

圖3 新大陸漂移模型與印度板塊漂移狀態吻合

為什麼在這個島鏈的最北部會出現一個掃尾特徵，這個島鏈並沒有指向印度板塊的最尾端，而是出現一個大轉彎呢？

這是由於印度板塊在向北漂移的過程中伴隨著逆時針旋轉，在強勁的旋轉漂移過程中，由於受力不均衡使得斯裡蘭卡板塊裂解脫離了印度大陸板塊。同時也使印度板塊尾部出現了一個明顯的掃尾特徵。

這個新大陸板塊漂移模式是否能得到地球物理的認可？圖4給出了美國ION石油勘探公司在印度洋孟加拉灣所做的一條人工反射地震勘探剖面。從該剖面我們可以看出，其探測深度可達40公裡，如果考慮到地下深處的溫度變化規律，就會發現，該剖面正好位於新大陸漂移模型的後部，完全吻合新的大陸漂移模型。地質學家已經證明，印度板塊是白堊紀初從南極洲分離出來並開始漂移的。

 

圖4 印度洋孟加拉灣高解析度人工地震勘探揭示的深部結構與新大陸漂移模型吻合，該測線位於圖2中的測線A

該模型不但合理地解釋了馬爾地夫島鏈的成因機制，也能合理地解釋其附近發現的大陸板塊殘片，它們應該是印度板塊漂移過程中遺撒的大陸殘片。而海底擴張對這些大陸殘片則無法解釋。

三

大陸板塊前部特徵

加裡曼丹是一個獨立的大陸板塊，古地磁研究表明它在新生代發生了約45°的逆時針旋轉（施秋華等，2013）。GPS測量表明其目前仍在逆時針旋轉，測線B位於加裡曼丹西北端（位置見圖2），橫切了部分陸塊和洋殼，它代表了大陸板塊漂移的前部特徵。

從圖5的地震勘探剖面中可以看出，位於剖面右側的加裡曼丹大陸板塊前緣正強勁地向北西方向漂移，產生了一系列逆衝斷層。剖面左側是中國的南海海槽盆地，代表了大洋地殼，其中還沉積了中、新生代的沉積物。加裡曼丹板塊好像一臺推土機碾壓在南海海槽上，大陸板塊底部存在近水平的滑脫推覆構造和拆離斷層。該剖面深度大約15-20公裡。該勘探結果與新大陸漂移模型完全吻合。

圖5 中國南海海槽-加裡曼丹地震勘探剖面（據張亮，2012），該測線位於圖2中的測線B

能夠反映大陸板塊漂移前部特徵的另外一個例子是臺灣板塊，GPS測量表明，相對於中國大陸，臺灣島正在整體向北西方向漂移，臺灣相對於福建沿海的漂移速率可達每年61mm（李延興等，2002）。由於臺灣海峽沒有深的海盆，大陸板塊漂移前方表現為逆衝薄皮構造特徵（圖6）。臺灣板塊的構造特徵與新大陸漂移模型也吻合良好。

圖6 橫貫臺灣東西向構造示意圖（據陳煥疆，1995修編）

四

大陸板塊側翼特徵

日本板塊正在向北東方向漂移，剖面C（圖7）是橫切日本熊野和日本南海海槽的一條深反射地震勘探剖面（具體位置見圖2），它代表了大陸板塊運動的側翼特徵。從該圖可以看出，剖面左側是日本大陸板塊，右側是大洋板塊，在洋陸過渡帶出現了一系列深大斷裂，這些斷裂具有走滑斷裂特徵，表現為花狀斷層。這說明大陸板塊在漂移過程中，其側翼會出現一系列走滑斷裂，這種解耦機制符合新大陸漂移模型。

圖7 日本南海海槽地震勘探剖面（據郭天虹，2012修編），該測線位於圖2中的測線C

五

當前對魏格納大陸漂移假說的錯誤理解

當前對魏格納大陸漂移假說的質疑主要在於大陸漂移的力學機制，地球自轉離心力和日月潮汐摩擦力不足以克服摩擦阻力。關鍵是前人認為大陸板塊是直接漂浮在剛性的大洋板塊之上的（圖8），如果這樣，大陸板塊與大洋殼之間的阻力巨大，大陸板塊不可能發生水平漂移。實際上這是不可能的，它不符合基本的物理原理。

大陸板塊應該是嵌入式漂浮在大洋軟流圈上，在新大陸漂移模型中，就是這種耦合關係，傳統的觀點只看到了地球淺表層的剛性部分，而忽略了地球隨深度變化的升溫升壓過程，溫壓的增高使巖石逐漸呈現軟塑性並具有流變特徵。當大陸板塊向前漂移時，後面巖漿（或部分熔融體）上湧，推動大陸板塊前進。由於這個過程緩慢，流變特性應該更重要。

對大陸漂移假說的另外一個質疑是「如果大陸漂移是在中生代開始的，那麼古生代以前的褶皺山脈是怎樣形成的？」。這個質疑並不成立，已有資料表明，地球在演化過程中至少存在過三次超大陸聚散作用，分別是古元古代晚期（約18億年前）的Nuna超大陸（也被稱為哥倫比亞超大陸）、新元古代（約8億年前）的羅迪尼亞（Rodinia）超大陸和晚古生代（約3億年前）的潘基亞（Pangea）超大陸。

圖8 對大陸漂移假說的質疑（童亨茂，2007）

海底擴張模式存在邏輯錯誤，例如橫切南美洲的剖面（如圖9上半部分）說明西側是被動大陸邊緣，東側是主動大陸邊緣，該模型不符合地球物理的基本原理，洋殼密度一樣都是2.9，為什麼西部密度為2.9的較輕太平洋板塊能插入密度高達3.3的上地幔，而東部卻不能。它們是怎樣一種機制？

如果考慮到隨深度的增溫，我們就得到圖9的下部模式。這個模式就是新大陸漂移模式。

 

圖9 海底擴張和新大陸漂移模型，上圖為海底擴張模型，下圖為新大陸漂移模型。

事實上，大陸漂移的流變特徵反映在當前全球地形地貌上特別明顯，圖10說明了這些大陸板塊漂移後留下的尾跡。而海底擴張假說則無法解釋這些地表特徵。一個無法合理解釋現代地形地貌和地質發展史的假說是不成立的。

圖10 大陸板塊漂移後留下的尾跡和流變特徵（據美國NOAA地形圖修編）

 

本文為作者投稿文章，致謝作者！

加小桔為好友

微信號：158 1024 9240

TOP榜

都說了，別和搞地質的一起出去旅遊……

石油工業動畫，堪稱「好萊塢大片」

物探版《小蘋果》，一曲唱盡物探甜酸，桔燈激情演繹

南山南（地質隊版）

舌尖上的勘探隊

地質人的苦難與幸福

世界石油之最，最全總結，吐血整理！

構造地質演示動畫，史上最全版，必藏！

壯觀 | 地質學家拍攝的地質美景

你所不知道的「頁巖氣革命」！（知識量巨大、燒腦、慎入！）

『中國地質圖』最全匯總

地質之美-構造地質學科普系列圖片

世界上最貴的石頭，驚豔啊！

打開中國地圖的正確方式

中國地質大學為什麼有兩個？——談中國的「八大學院」

巖漿巖、沉積巖、變質巖的識別大全

一帶一路到底是什麼？這是目前為止最清晰解釋 !

水力壓裂技術，動畫講解（帶中文字幕），漲姿勢了

給力的國外地質科學網站（更新），超實用！

歷數中國的世界地質公園（共33處，最全整理）

絕美的石頭開花 大自然巨獻！

微信ID：bj_orangelamp
長按左側二維碼關注