孫珍

①南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458；②中國科學(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，中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室，廣州 510301；③中國科學(xué)院-巴基斯坦高等教育委員會 中國-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)是位于中國大陸南方的陸緣海(圖1)，因其地理位置而得名。在中國漢代、南北朝時稱為漲海、沸海，清代以后逐漸改稱南海。也有稱南中國海。南海自然海域面積約350萬km2，是中國近海中面積最大、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《中華民國行政區(qū)域圖》分析，南海諸島外圍的斷續(xù)線段是中國在南海的海疆國界線。地理實體包括：出露水上的群島、島、沙洲、礁；淹沒在水下的暗沙、灘、海丘、海山、海脊、海臺、海谷、海溝、海隆、海底峽谷；等等。

地震、重磁等地球物理探測表明，南海中部水深較大的區(qū)域發(fā)育了擴張作用形成的洋盆，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、萬安、曾母等大型盆地近20個。自20世紀(jì)60年代以來的勘探證明，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，科學(xué)家們在南海北部陸緣深水區(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，進而誕生的。因此，每個邊緣海都有一個父親板塊和一個母親板塊，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)生邊緣海的過程，也是父親板塊消耗-消亡的過程。母親板塊的一部分常常被新生的洋盆推開變成兩個分離的陸地，或細長的陸條，比如南沙和巴拉望島就是伴隨南海的打開從華南陸緣裂離的。

圖1 全球邊緣海的分布

根據(jù)深部過程的差異，邊緣海的成因主要有兩種機制(圖2)：①主動陸緣拉張；②被動陸緣拉張。主動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，俯沖板塊上盤發(fā)生被動拉張伸展而形成。主動還是被動陸緣拉張的區(qū)別在于俯沖帶和火山弧是否還活躍。它們在主動陸緣一直是活躍的(圖2(a))，在被動陸緣拉張狀態(tài)下則變得不活躍甚至完全停止活動(圖2(b))。盆地內(nèi)的巖漿活動表現(xiàn)為板內(nèi)巖漿作用成因。主動陸緣拉張的代表有馬里亞納海盆、東海陸緣等，被動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)出被動陸緣拉張?zhí)卣?。然而，很多海盆也存在早期?jīng)歷了主動陸緣拉張、后期轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍雨懢壚瓘埖奶攸c。越來越多的研究表明，南海陸緣在早白堊前后表現(xiàn)為明顯的主動陸緣拉張，而始新世之后轉(zhuǎn)為被動陸緣拉張，直至破裂和海盆擴張[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)育機制的兩個端元模型(修改自文獻[3])。(a)主動陸緣拉張；(b)被動陸緣拉張

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)家們開展了大量的地球物理探測和國際大洋鉆探對地層和巖石定年。經(jīng)過幾代科學(xué)家的不懈努力，南海演化的年齡框架初步確定。其中中國海洋石油公司的專家對陸緣盆地的定年作出了巨大貢獻，如老一輩科學(xué)家茹克等，提出南海啟動明顯張裂的時間大致在6 500萬年前。對于洋殼部分的定年，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。在這過程中磁條帶定年起到了重要作用，主要貢獻人有Brian Taylor[4]、Anne Briais[5]、李家彪[6]、李春峰[7]等。根據(jù)他們的定年，南海洋盆開始生長的時間約為3 200萬年前，但東西側(cè)洋盆出現(xiàn)的最早年齡存在穿時現(xiàn)象，整體上東早西晚。停止擴張的時間大約在1 600萬年前，也就是說南海在1 600萬年前就發(fā)育成熟，此后開始走向衰退階段。根據(jù)科學(xué)家們的工作，南海在大約1 000～1 800萬年前就開始向菲律賓下俯沖，現(xiàn)在南海已步入“中年”。下面筆者分六個階段來介紹南海的過去、現(xiàn)在和將來(圖3)。

第一階段——誕生階段(圖3(a))：南海的誕生是一個從俯沖造山向大陸裂谷轉(zhuǎn)化的階段。大約在6 500萬年前，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6 500萬年前，地形還是東高西低，那個時候是江水西流；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)育的六個階段模式圖：(a)～(e)南海自中生代以來的發(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可能命運的推測

第二階段——裂谷階段(圖3(b))：南海的“童年”階段開始是裂谷，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來，形成窄而淺的海灣，就像紅?；蛘呒永Ｄ醽啚?。這個階段的地下巖漿、火山和地震活動都比較活躍。

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，洋殼開始出現(xiàn)，之后洋殼不斷擴張，最后長成具有至少700 km寬的洋殼區(qū)。

第四階段——盛年階段(圖3(d))：南海在1 600萬年前完成擴張之后，進入盛年階段，南海的面積在此階段最大。

第五個階段——衰退階段(圖3(e))：基本同時或略早，南海開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，會經(jīng)歷很長一段時間，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，超過700 km寬的洋殼，俯沖下去的洋盆長度是東西總長度的1/3，俯沖面積已達到總面積的1/2。

第六階段——碰撞造山(圖3(f))：伴隨洋殼主體俯沖掉以后，南海就會進入碰撞造山階段?，F(xiàn)在菲律賓向南海仰沖的速度是每年5～8 cm，如果保持這個速度，那么再有2 000萬年，南海的洋殼就會消失，東沙、南沙和中西沙會先后撞上菲律賓，地形會越來越高，汪洋南海將變?yōu)橐黄嗌健?/p>

4 存在問題

4.1 南海主-被動陸緣拉張轉(zhuǎn)換的機制是什么？

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始進入拉張裂陷階段。沉積記錄表明，8 000～9 000萬年以前，華南陸緣的火山弧巖漿還是一直活躍的，但距今8 000萬年前以來大規(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程的工作就充滿了謎團。目前至少有4種完全不同的說法。①擠壓-逃逸說：這個是法國學(xué)者Paul Tapponnier[12]20世紀(jì)80年代初提出的，他們認為印度向歐亞大陸擠壓，導(dǎo)致印支半島順時針向南東方向逃逸，從而導(dǎo)致南海的形成。②俯沖后撤說：這個觀點提出最早，是由美國學(xué)者Karig[13]、郭令智等[14]提出的，他們認為太平洋俯沖過程中，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：這個觀點是美國學(xué)者Brian Taylor[4]、英國學(xué)者Robert Hall[15]和部分中國學(xué)者，比如我比較推崇的一個說法[16]，就是古海盆先向華南大陸俯沖，之后在大約6 500萬年前，轉(zhuǎn)為向南俯沖，反向拖著拉開了南海(圖3)。④東亞海斜向俯沖后撤說：這個是最近黃奇瑜等[17]在研究臺灣東部花東海盆等區(qū)域時提出的，認為有個東亞海沿著東側(cè)邊界斜向俯沖后撤，導(dǎo)致南海的打開。之所以會產(chǎn)生這么多分歧，是因為南海的父親板塊失蹤了，很可能俯沖消耗完了，受限于研究手段，很長一段時間里科學(xué)家們只能根據(jù)地表的遺跡推測這個“父親”的身份。近年來，加拿大籍的華人科學(xué)家Jonny Wu[9-10]通過地震層析成像提供了更加清晰的深部證據(jù)，他們在南海的下面找到了兩片大概在6 000萬年及更早的時間里俯沖下去的古南海，在古南海的東和南側(cè)識別出了面積更大、俯沖開始更早的東亞海。根據(jù)Jonny提供的線索，古南海是南海“父親”的可能性最大，東亞海是“2號嫌疑”。

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)換為洋盆擴張，在中國科技部和美國基金委的支持下，我們在2017—2018年乘坐美國“決心號”鉆探船，先后三次開展從陸-洋邊界到早期洋盆7個站位的大洋鉆探[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站位之間沒有發(fā)現(xiàn)地幔剝露。進一步的地震成像(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)出強烈的受俯沖作用影響的信號，因此汪品先院士提出了“板緣張裂”的概念。我們提出，南海可能代表了板緣型陸緣的破裂，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(修改自文獻[1])：(a)原始多道地震剖面；(b)對應(yīng)的反射和地質(zhì)解釋

4.3 南海演化過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[19]，尤其是海盆中央還散落著很多海山。這些海山從南海擴張洋殼形成后就開始出現(xiàn)。楊帆等[20]通過地球化學(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物質(zhì)的影響。基于各種巖石和地球化學(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。這樣的觀測和想法與Maruyama提出的觀點非常一致。Maruyama等[22]認為南海在印度洋和太平洋的環(huán)形俯沖作用下，地幔中會有較多的流體，從而容易產(chǎn)生含水地幔柱，并在構(gòu)造活動的牽引下，發(fā)生上涌和噴發(fā)。林間等[23]通過三維數(shù)值模擬，認為周圍板片的環(huán)形俯沖，可以導(dǎo)致南海之下地幔的上涌。

5 未來展望

經(jīng)過科學(xué)家們幾十年孜孜不倦的研究，南海探測取得重要進展，但由于探測手段、取樣可能性等限制，尚有很多未解之謎，如南海陸緣拉張機制、南海陸洋轉(zhuǎn)換方式、南海俯沖啟動原因、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)機制等。尚待更多探測深度更大、分辨率更高的地球物理和地球化學(xué)探測手段的揭示和大洋鉆探的證實。

這些基礎(chǔ)研究和筆者沒介紹的其他研究都有潛在的應(yīng)用價值。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，海盆里也常常會發(fā)生海底滑坡、海嘯、地震、火山噴發(fā)等災(zāi)害，只有從機制上認識這些過程，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)■