南海的形成與演變＊

孫珍

①南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458；②中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，南海海洋研究所，中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301；③中國(guó)科學(xué)院-巴基斯坦高等教育委員會(huì) 中國(guó)-巴基斯坦地球科學(xué)研究中心，伊斯蘭堡 45320，巴基斯坦

1 南海的海底地貌與資源情況

南海(South China Sea)是位于中國(guó)大陸南方的陸緣海(圖1)，因其地理位置而得名。在中國(guó)漢代、南北朝時(shí)稱為漲海、沸海，清代以后逐漸改稱南海。也有稱南中國(guó)海。南海自然海域面積約350萬(wàn)km2，是中國(guó)近海中面積最大、水最深的海區(qū)，平均水深1 212 m，最大深度5 559 m；南北縱跨約2 000 km，東西橫越約1 000 km，通過(guò)海峽或水道東與太平洋相連，西與印度洋相通，東側(cè)沿馬尼拉海溝向菲律賓下俯沖，是一個(gè)北東-南西走向的半封閉海。根據(jù)1946年內(nèi)政部方域司編制的一組《南海諸島位置圖》(南海諸島位置圖、南沙群島、中沙群島、西沙群島、西沙群島永興島及石島、南沙群島太平島)和1948年出版的《中華民國(guó)行政區(qū)域圖》分析，南海諸島外圍的斷續(xù)線段是中國(guó)在南海的海疆國(guó)界線。地理實(shí)體包括：出露水上的群島、島、沙洲、礁；淹沒(méi)在水下的暗沙、灘、海丘、海山、海脊、海臺(tái)、海谷、海溝、海隆、海底峽谷；等等。

地震、重磁等地球物理探測(cè)表明，南海中部水深較大的區(qū)域發(fā)育了擴(kuò)張作用形成的洋盆，其基底組成主要為基性的火成巖，跟太平洋、大西洋的海底都是一樣的，化學(xué)組成上略有差異，但大類是相同的。周緣伴隨巖石圈減薄則發(fā)育了被海水覆蓋的減薄陸緣。減薄陸緣的基底巖石類型較復(fù)雜，包括中-古生代的變質(zhì)巖、沉積巖、侵入/噴發(fā)巖等。在減薄的陸緣上，發(fā)育有珠江口、瓊東南、禮樂(lè)、萬(wàn)安、曾母等大型盆地近20個(gè)。自20世紀(jì)60年代以來(lái)的勘探證明，這些以新生代沉積為主的大型盆地具有極大的油氣資源潛力，因此南海也被稱為第二波斯灣。近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)谀虾１辈筷懢壣钏畢^(qū)(水深范圍主要為800～1 200 m)發(fā)現(xiàn)了大量的天然氣水合物賦存區(qū)，使南海的資源戰(zhàn)略地位進(jìn)一步提升。

2 南海的成因歸屬

在地理/地質(zhì)學(xué)分類上，南海屬于邊緣海，且是東亞陸緣最大的邊緣海。根據(jù)維基百科，邊緣海是指大陸邊緣的海，與太平洋、大西洋等大洋以島、半島、群島分隔。全球75%以上的邊緣海位于西太平洋邊緣(圖1)。邊緣海的出現(xiàn)不是偶然的，它們是大洋沿著海溝向下俯沖產(chǎn)生了局部的張力，進(jìn)而誕生的。因此，每個(gè)邊緣海都有一個(gè)父親板塊和一個(gè)母親板塊，俯沖的大洋或者海盆為“父親”，被俯沖的大陸或海盆為“母親”。產(chǎn)生邊緣海的過(guò)程，也是父親板塊消耗-消亡的過(guò)程。母親板塊的一部分常常被新生的洋盆推開(kāi)變成兩個(gè)分離的陸地，或細(xì)長(zhǎng)的陸條，比如南沙和巴拉望島就是伴隨南海的打開(kāi)從華南陸緣裂離的。

圖1 全球邊緣海的分布

根據(jù)深部過(guò)程的差異，邊緣海的成因主要有兩種機(jī)制(圖2)：①主動(dòng)陸緣拉張；②被動(dòng)陸緣拉張。主動(dòng)陸緣拉張是指伴隨俯沖板塊俯沖角度變陡或俯沖彎曲軸部的后撤，沿著已有俯沖系統(tǒng)上覆板塊的弧前、弧間或弧后發(fā)生拉張發(fā)育而成；而被動(dòng)陸緣拉張是指由于俯沖方向變化或反向等原因，原有俯沖帶停止活動(dòng)，俯沖板塊上盤(pán)發(fā)生被動(dòng)拉張伸展而形成。主動(dòng)還是被動(dòng)陸緣拉張的區(qū)別在于俯沖帶和火山弧是否還活躍。它們?cè)谥鲃?dòng)陸緣一直是活躍的(圖2(a))，在被動(dòng)陸緣拉張狀態(tài)下則變得不活躍甚至完全停止活動(dòng)(圖2(b))。盆地內(nèi)的巖漿活動(dòng)表現(xiàn)為板內(nèi)巖漿作用成因。主動(dòng)陸緣拉張的代表有馬里亞納海盆、東海陸緣等，被動(dòng)陸緣拉張的有加利福尼亞灣等。根據(jù)地質(zhì)地球物理分析，南海和日本海等在破裂期前后也表現(xiàn)出被動(dòng)陸緣拉張?zhí)卣?。然而，很多海盆也存在早期?jīng)歷了主動(dòng)陸緣拉張、后期轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)陸緣拉張的特點(diǎn)。越來(lái)越多的研究表明，南海陸緣在早白堊前后表現(xiàn)為明顯的主動(dòng)陸緣拉張，而始新世之后轉(zhuǎn)為被動(dòng)陸緣拉張，直至破裂和海盆擴(kuò)張[1]，但破裂位置存在空間差異，東側(cè)陸緣在弧前破裂，向西則發(fā)生了沿火山弧的破裂[2]。

圖2 邊緣海發(fā)育機(jī)制的兩個(gè)端元模型(修改自文獻(xiàn)[3])。(a)主動(dòng)陸緣拉張；(b)被動(dòng)陸緣拉張

3 南海的發(fā)育演化歷史

為了了解南海的演化歷史，科學(xué)家們開(kāi)展了大量的地球物理探測(cè)和國(guó)際大洋鉆探對(duì)地層和巖石定年。經(jīng)過(guò)幾代科學(xué)家的不懈努力，南海演化的年齡框架初步確定。其中中國(guó)海洋石油公司的專家對(duì)陸緣盆地的定年作出了巨大貢獻(xiàn)，如老一輩科學(xué)家茹克等，提出南海啟動(dòng)明顯張裂的時(shí)間大致在6 500萬(wàn)年前。對(duì)于洋殼部分的定年，定年方法包括大洋磁異常條帶、古生物化石和Ar-Ar同位素定年。在這過(guò)程中磁條帶定年起到了重要作用，主要貢獻(xiàn)人有Brian Taylor[4]、Anne Briais[5]、李家彪[6]、李春峰[7]等。根據(jù)他們的定年，南海洋盆開(kāi)始生長(zhǎng)的時(shí)間約為3 200萬(wàn)年前，但東西側(cè)洋盆出現(xiàn)的最早年齡存在穿時(shí)現(xiàn)象，整體上東早西晚。停止擴(kuò)張的時(shí)間大約在1 600萬(wàn)年前，也就是說(shuō)南海在1 600萬(wàn)年前就發(fā)育成熟，此后開(kāi)始走向衰退階段。根據(jù)科學(xué)家們的工作，南海在大約1 000～1 800萬(wàn)年前就開(kāi)始向菲律賓下俯沖，現(xiàn)在南海已步入“中年”。下面筆者分六個(gè)階段來(lái)介紹南海的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)(圖3)。

第一階段——誕生階段(圖3(a))：南海的誕生是一個(gè)從俯沖造山向大陸裂谷轉(zhuǎn)化的階段。大約在6 500萬(wàn)年前，南海誕生的地方還是俯沖體系形成的海岸山脈，之后俯沖體系開(kāi)始解體，高山變?yōu)閸{谷。根據(jù)科學(xué)家，如汪品先[8]的研究發(fā)現(xiàn)：如果從華南沿海向青藏高原拉一條剖面，在6 500萬(wàn)年前，地形還是東高西低，那個(gè)時(shí)候是江水西流；之后伴隨青藏高原的隆起和華南的逐漸沉降，才變成現(xiàn)今的“一江春水向東流”。

圖3 南海發(fā)育的六個(gè)階段模式圖：(a)～(e)南海自中生代以來(lái)的發(fā)育演化階段，其中第五階段為現(xiàn)階段；(f)第六階段為南海未來(lái)可能命運(yùn)的推測(cè)

第二階段——裂谷階段(圖3(b))：南海的“童年”階段開(kāi)始是裂谷，與東非大裂谷目前所處的狀態(tài)相似，之后慢慢有海水漫進(jìn)來(lái)，形成窄而淺的海灣，就像紅?；蛘呒永Ｄ醽啚?。這個(gè)階段的地下巖漿、火山和地震活動(dòng)都比較活躍。

第三階段——破裂階段(圖3(c))：大陸邊緣伸展薄化并發(fā)生局部破裂，洋殼開(kāi)始出現(xiàn)，之后洋殼不斷擴(kuò)張，最后長(zhǎng)成具有至少700 km寬的洋殼區(qū)。

第四階段——盛年階段(圖3(d))：南海在1 600萬(wàn)年前完成擴(kuò)張之后，進(jìn)入盛年階段，南海的面積在此階段最大。

第五個(gè)階段——衰退階段(圖3(e))：基本同時(shí)或略早，南海開(kāi)始沿著馬尼拉海溝向東俯沖，轉(zhuǎn)入。有的海盆可能從盛年到衰退階段，會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)一段時(shí)間，但南海基本上是馬不停蹄地轉(zhuǎn)入衰退階段。根據(jù)Jonny Wu博士的研究[9-10]，到今天為止，南海已俯沖了400 km長(zhǎng)，超過(guò)700 km寬的洋殼，俯沖下去的洋盆長(zhǎng)度是東西總長(zhǎng)度的1/3，俯沖面積已達(dá)到總面積的1/2。

第六階段——碰撞造山(圖3(f))：伴隨洋殼主體俯沖掉以后，南海就會(huì)進(jìn)入碰撞造山階段。現(xiàn)在菲律賓向南海仰沖的速度是每年5～8 cm，如果保持這個(gè)速度，那么再有2 000萬(wàn)年，南海的洋殼就會(huì)消失，東沙、南沙和中西沙會(huì)先后撞上菲律賓，地形會(huì)越來(lái)越高，汪洋南海將變?yōu)橐黄嗌健?/p>

4 存在問(wèn)題

4.1 南海主-被動(dòng)陸緣拉張轉(zhuǎn)換的機(jī)制是什么？

南海在早白堊紀(jì)及以前，受到俯沖作用，表現(xiàn)為主動(dòng)大陸邊緣。之后伴隨俯沖板塊的后撤，華南陸緣的三水盆地等開(kāi)始進(jìn)入拉張裂陷階段。沉積記錄表明，8 000～9 000萬(wàn)年以前，華南陸緣的火山弧巖漿還是一直活躍的，但距今8 000萬(wàn)年前以來(lái)大規(guī)模減少，直至早始新世后完全消失[11]。始新世之后南海陸緣的大規(guī)模裂陷不再伴隨火山弧巖漿作用，而是具有裂谷特征的中基性巖漿作用。由于南海在三面受到太平洋、澳大利亞板塊、印度洋板塊的環(huán)形俯沖(圖4)，因此鑒定南海誕生過(guò)程的工作就充滿了謎團(tuán)。目前至少有4種完全不同的說(shuō)法。①擠壓-逃逸說(shuō)：這個(gè)是法國(guó)學(xué)者Paul Tapponnier[12]20世紀(jì)80年代初提出的，他們認(rèn)為印度向歐亞大陸擠壓，導(dǎo)致印支半島順時(shí)針向南東方向逃逸，從而導(dǎo)致南海的形成。②俯沖后撤說(shuō)：這個(gè)觀點(diǎn)提出最早，是由美國(guó)學(xué)者Karig[13]、郭令智等[14]提出的，他們認(rèn)為太平洋俯沖過(guò)程中，隨著俯沖角度變陡，海溝在不斷后撤，導(dǎo)致拉張和南海形成。③反向俯沖拖曳說(shuō)：這個(gè)觀點(diǎn)是美國(guó)學(xué)者Brian Taylor[4]、英國(guó)學(xué)者Robert Hall[15]和部分中國(guó)學(xué)者，比如我比較推崇的一個(gè)說(shuō)法[16]，就是古海盆先向華南大陸俯沖，之后在大約6 500萬(wàn)年前，轉(zhuǎn)為向南俯沖，反向拖著拉開(kāi)了南海(圖3)。④東亞海斜向俯沖后撤說(shuō)：這個(gè)是最近黃奇瑜等[17]在研究臺(tái)灣東部花東海盆等區(qū)域時(shí)提出的，認(rèn)為有個(gè)東亞海沿著東側(cè)邊界斜向俯沖后撤，導(dǎo)致南海的打開(kāi)。之所以會(huì)產(chǎn)生這么多分歧，是因?yàn)槟虾５母赣H板塊失蹤了，很可能俯沖消耗完了，受限于研究手段，很長(zhǎng)一段時(shí)間里科學(xué)家們只能根據(jù)地表的遺跡推測(cè)這個(gè)“父親”的身份。近年來(lái)，加拿大籍的華人科學(xué)家Jonny Wu[9-10]通過(guò)地震層析成像提供了更加清晰的深部證據(jù)，他們?cè)谀虾５南旅嬲业搅藘善蟾旁? 000萬(wàn)年及更早的時(shí)間里俯沖下去的古南海，在古南海的東和南側(cè)識(shí)別出了面積更大、俯沖開(kāi)始更早的東亞海。根據(jù)Jonny提供的線索，古南海是南?！案赣H”的可能性最大，東亞海是“2號(hào)嫌疑”。

圖4 南海在西、南和東三面受到印度板塊、澳大利亞板塊和太平洋板塊俯沖影響的卡通示意圖

4.2 南海陸緣以什么樣的方式破裂？

根據(jù)對(duì)大西洋等區(qū)域的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，巖漿量的多少會(huì)造成陸地向洋盆轉(zhuǎn)換的方式不同，因此將陸洋轉(zhuǎn)換分為富巖漿型和貧巖漿型。富巖漿型中有熱點(diǎn)參與、巖漿量大，常出現(xiàn)厚層下地殼高速體和向海傾斜反射，而貧巖漿型，同張裂巖漿活動(dòng)較少，極端貧巖漿型陸緣可能出現(xiàn)地幔剝露的情況。

為了探索南海陸緣如何轉(zhuǎn)換為洋盆擴(kuò)張，在中國(guó)科技部和美國(guó)基金委的支持下，我們?cè)?017—2018年乘坐美國(guó)“決心號(hào)”鉆探船，先后三次開(kāi)展從陸-洋邊界到早期洋盆7個(gè)站位的大洋鉆探[18]。鉆探取得重要發(fā)現(xiàn)，這里的玄武巖出現(xiàn)較快，在發(fā)現(xiàn)陸緣沉積的1499站位和發(fā)現(xiàn)玄武巖的1502、1500站位之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地幔剝露。進(jìn)一步的地震成像(圖5)發(fā)現(xiàn)南海陸緣地殼內(nèi)和地殼之下有很多的巖漿，且?guī)r漿的地球化學(xué)特征表現(xiàn)出強(qiáng)烈的受俯沖作用影響的信號(hào)，因此汪品先院士提出了“板緣張裂”的概念。我們提出，南?？赡艽砹税寰壭完懢壍钠屏?，受俯沖作用影響，表現(xiàn)為巖漿先貧后富的特征[1]。

圖5 地震剖面揭示南海陸緣存在大量同張裂巖漿活動(dòng)(修改自文獻(xiàn)[1])：(a)原始多道地震剖面；(b)對(duì)應(yīng)的反射和地質(zhì)解釋

4.3 南海演化過(guò)程中為什么有這么多巖漿？

南海陸緣和海盆中發(fā)現(xiàn)了大量的巖漿活動(dòng)[19]，尤其是海盆中央還散落著很多海山。這些海山從南海擴(kuò)張洋殼形成后就開(kāi)始出現(xiàn)。楊帆等[20]通過(guò)地球化學(xué)特征分析發(fā)現(xiàn)，這些海山的巖漿指示了較高地幔溫度，可以和冰島地幔柱產(chǎn)生的玄武巖相比。另外，張國(guó)良等[21]還發(fā)現(xiàn)玄武巖中含有碳酸鹽巖漿噴發(fā)產(chǎn)物，提出南海海盆里的海山可能是受到俯沖作用帶來(lái)物質(zhì)的影響?；诟鞣N巖石和地球化學(xué)數(shù)據(jù)，楊帆博士提出南海里的海山是含水地幔柱產(chǎn)生的。這樣的觀測(cè)和想法與Maruyama提出的觀點(diǎn)非常一致。Maruyama等[22]認(rèn)為南海在印度洋和太平洋的環(huán)形俯沖作用下，地幔中會(huì)有較多的流體，從而容易產(chǎn)生含水地幔柱，并在構(gòu)造活動(dòng)的牽引下，發(fā)生上涌和噴發(fā)。林間等[23]通過(guò)三維數(shù)值模擬，認(rèn)為周圍板片的環(huán)形俯沖，可以導(dǎo)致南海之下地幔的上涌。

5 未來(lái)展望

經(jīng)過(guò)科學(xué)家們幾十年孜孜不倦的研究，南海探測(cè)取得重要進(jìn)展，但由于探測(cè)手段、取樣可能性等限制，尚有很多未解之謎，如南海陸緣拉張機(jī)制、南海陸洋轉(zhuǎn)換方式、南海俯沖啟動(dòng)原因、南海關(guān)閉方式、油氣水合物資源分布、大型海底滑坡觸發(fā)機(jī)制等。尚待更多探測(cè)深度更大、分辨率更高的地球物理和地球化學(xué)探測(cè)手段的揭示和大洋鉆探的證實(shí)。

這些基礎(chǔ)研究和筆者沒(méi)介紹的其他研究都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。比如南海陸緣有很多油氣、水合物、金屬結(jié)核等礦產(chǎn)資源，海盆里也常常會(huì)發(fā)生海底滑坡、海嘯、地震、火山噴發(fā)等災(zāi)害，只有從機(jī)制上認(rèn)識(shí)這些過(guò)程，才可以有效地尋找資源，預(yù)警和規(guī)避海底災(zāi)害。

(2021年10月11日收稿)■