孩子想知道的海洋知识:南海是怎样形成的?

深海的秘密:南海是怎样形成的?

南海海底地形图:中央深蓝色的深海底表示玄武岩的大洋地壳

南海平均1200米深,中央深度超过三、四千米的深海盆地底部是玄武岩,这就是大洋地壳,南海形成的历史就记录在那里。为揭示其间的奥秘,科学家们使出了浑身解数。

由于这里的海水太深,海底玄武岩上还有上千米的沉积物覆盖,因此深海底的大洋地壳很难采样,除非用大洋钻探船打钻。科学家们一般使用地球物理的间接办法,从船上测量海底几千米深处岩层的物理性质,用假设的模型进行推断。直到两年前,南海的形成历史就是这样间接推测的。

2014年至2018年,国际大洋钻探在南海深海盆12个站位打井,其中6个钻到了大洋地壳的玄武岩,结果否定了原先的假设,在直接证据的基础上,我国科学家提出了南海成因的新认识,发表在最近一期的《国家科学评论》(National Science Review )上。这是一组由六篇文章组成的 “南海大洋钻探” (“The South China Sea Ocean Drilling”)专题。

南海是怎样形成的?

南海不是小大西洋

世界上研究深海盆形成,基地在大西洋。所谓海盆形成就是指大陆岩石圈破裂,从深部涌出岩浆形成玄武岩的大洋地壳。国际大洋钻探50年里, 有22个航次用来探索大西洋的张裂,发现有两种类型:一类是岩浆从地幔深处上涌导致陆地岩石圈破裂,属于富岩浆型;另一类是大陆岩石圈拉薄,海水从破裂的地壳渗入地幔顶层,地幔的橄榄岩风化为蛇纹岩,变得容易破裂,然后才是岩浆涌出形成洋壳,属于贫岩浆型。大西洋建立的模型在全球广泛应用,是海盆形成的样板。

南海的成因,二十多年来一直被认为是属于大西洋的贫岩浆型,因为从地球物理测量的结果看两者十分相像,只不过南海的时间短、范围小,相当于一个小大西洋。但是中国科学家提出要在南海打钻探索其成因,因为科学家只在大西洋经过大洋钻探验证其模型,迄今还是个孤例。大洋钻探计划选择来南海打钻,就是为了检验大西洋模型的普适性。

钻探的结果出人意料:南海并没有打到预期中的蛇纹岩化地幔岩,钻井里采到的是大洋中脊型的玄武岩岩芯。原来南海的岩浆作用极其活跃,大洋地壳形成前后都有火山活动,大陆岩石圈的破裂相当迅速,非但不属于 “贫岩浆型”,而且破裂过程与大西洋有根本的不同。一句话: “南海不是小大西洋”。

海盆形成的两类机制

这次研究的重要结论,指出南海和大西洋海盆,产生于两类不同的大陆岩石圈。在空间上,大西洋产生于超级大陆的内部, 岩石圈经过造山运动加固,很不容易破裂;而南海产生在超级大陆的边缘,经过大洋板块两亿多年的俯冲,那里的岩石圈早已变弱, 破裂的难度大为降低。在时间上,大西洋产生于超级大陆的瓦解阶段, 南海产生于超级大陆瓦解后的板块碰撞期。前者属于 “板内破裂“, 后者属于 “板缘破裂”。

因此,南海和大西洋代表着海盆形成的两种类型,把大西洋模型夸大为全球适用,盲目套用到南海来是错误的。无论在科研和生产实践中,都不应当盲目套用大西洋模型来解释地球物理剖面,造成误导的推论。

当然,提出 “板缘破裂” 的新概念,不等于已经认识了这种海盆形成的机制。 “板缘破裂” 是西太平洋边缘海形成的基本途径,然而其种类繁多,有待开展系统研究,才能对其严格定义、形成类型和特征标识得出全面的认识。

南海张裂的新假说

破裂机制的新认识,也带来了南海成因的新假说。

三十年来,欧美科学家对于南海成因提出过不同的假说,主要是两类:法国科学家提出南海的张裂的 “构造逃逸”,成因在西边;英美科学家提出是靠古南海的 “板块俯冲”,成因在南边。

这次大洋钻探之后发现,南海最有可能是沿着原有的走滑断层从东边打开,然后扩张脊向西推进,成因是在东边。可惜东边最早形成的洋壳,已经沿马尼拉海沟俯冲消失,现在的南海海底的大洋地壳只是剩下的一部分。这项新假说,发表在 “国家科学评论” 的专题里。

深海海底的研究,在世界上只是最近五六十年的事,而中国则主要在于最近的二十年。关于南海的成因,历来是听欧美科学家的意见,直到最近五年的大洋钻探才改变了局面。南海的大洋钻探,都是在中国科学家为主提议、设计和主持下进行,并且通过航次后的研究,对于南海成因提出了自己新的观点,标志着中国在深海研究上跨出了一大步。

然而这些新观点的意义远远超过南海本身。从南海提出的“板缘破裂”,是边缘海形成的基本机制,而世界上75%的边缘海盆地集中在西太平洋,构成了一个完整的系统。南海深部的研究,正是为西太平洋边缘海系统,提供了解开成因之谜的钥匙。

南海深部探索与大洋钻探

这次《国家科学评论》发表的专题,是 “南海深部计划” 的成果之一。这是国家自然科学基金委员会的重大计划,从2011年到2018年执行了8年,32个单位七百多人次参加研究,是我国深海探索第一个大规模的基础研究计划。高新技术是深海探索的必要条件,包括海底的长期现场观测,载人和不载人的深潜航次,而其中最大的 “重武器” 就是大洋钻探。这次关于南海成因的专题,主要来自大洋钻探的发现。

大洋钻探由于技术要求和经费投入都很高,直到今天还是全世界共享一个国际计划,各国拿出最强的科技力量,在大洋钻探船同舟共济,可以说是深海研究的奥林匹克。大洋钻探计划从1968年开始,至少是地球科学里历时最久、贡献最大的国际合作计划。由于历史的原因,中国到1998年方才参加,但是二十年来突飞猛进,在南海实现了5次大洋钻探,从撰写建议书到航次的执行和航次后的研究,都是以中国科学家为主体。

现在,南海深部的研究程度已经进入世界前列,而中国科学界也已经掌握了南海深部探索的主导权。随着科学研究的深入,南海正在成为海洋科学的天然实验室,我国学术界必将再接再厉,进一步推进南海的深入研究和国际合作,争取在深海科学领域里,振兴华夏、为国争光!

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