北極地區(qū)大地構(gòu)造特征及其構(gòu)造演化
——北極地區(qū)大地構(gòu)造編圖研究進(jìn)展

李江海， 劉仲蘭*， 王洛， 張華添

(1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100871; 2. 中國(guó)極地研究中心，上海 200136)

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北極地區(qū)大地構(gòu)造特征及其構(gòu)造演化
——北極地區(qū)大地構(gòu)造編圖研究進(jìn)展

李江海1， 劉仲蘭1*， 王洛2， 張華添1

(1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100871; 2. 中國(guó)極地研究中心，上海 200136)

摘要：北極地區(qū)具有豐富的油氣資源，但是受極度寒冷氣候和廣泛分布冰蓋的影響，北極是全球地質(zhì)研究程度最低的地區(qū)之一。為此，基于最新地球物理數(shù)據(jù)，結(jié)合文獻(xiàn)資料中的地貌、地質(zhì)、礦產(chǎn)資源資料，編制了北極地區(qū)大地構(gòu)造圖(1∶500萬(wàn))。通過(guò)系統(tǒng)的編圖研究，認(rèn)為北極地區(qū)位于泛大陸腹地，中生代以來(lái)的構(gòu)造演化受到冰島地幔柱的垂向作用和歐亞-勞倫板塊緩慢的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的水平作用共同制約。其構(gòu)造演化可歸納為3個(gè)階段：(1)早中生代：北亞-北美西北部(遠(yuǎn)東-科迪勒拉)造山帶俯沖-造山增生階段，古太平洋向北俯沖，古亞洲洋最終關(guān)閉，泛大陸最終形成;(2)侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)：伴隨著加拿大盆地張開(kāi)，南阿紐伊洋盆俯沖消亡并形成南阿紐伊縫合帶，兩者之間在運(yùn)動(dòng)學(xué)上具有耦合聯(lián)系，并伴隨其間轉(zhuǎn)換斷層的調(diào)節(jié)作用；(3)新生代以來(lái)北大西洋中脊持續(xù)擴(kuò)展傳播，造成歐亞盆地張開(kāi)和加科爾洋中脊發(fā)育。北極地區(qū)處于全球不同構(gòu)造域之間的橋梁和樞紐。隨著北冰洋洋盆伸展作用發(fā)展及加科爾洋中脊向南傳播，它將西南貫通北太平洋構(gòu)造域(遠(yuǎn)東造山帶)，徹底改變?nèi)蛑猩詠?lái)的構(gòu)造格局。

關(guān)鍵詞：北極地區(qū)；大地構(gòu)造圖；熱點(diǎn)軌跡；構(gòu)造格局；構(gòu)造演化

1引言

北極地區(qū)是指地球北極圈(66°33′N(xiāo))以北的區(qū)域，包括北冰洋及其環(huán)繞的島嶼和歐亞、北美大陸，總面積約2 100×104km2，其中陸地面積800×104km2，水深小于500 m的陸架面積超過(guò)700×104km2。北冰洋是四大洋中面積最小的大洋(面積1.470×107km2)(圖1)，也是平均深度最小的大洋(平均深度約1 225 m)。北冰洋被陸地和島嶼半封閉環(huán)繞，處于歐亞板塊、北美板塊和太平洋板塊之間，也是北大西洋中脊向北擴(kuò)張傳播的末端與北太平洋俯沖系的交匯部位[1—2]。為此，北冰洋對(duì)于認(rèn)識(shí)全球構(gòu)造格局調(diào)整及不同板塊邊界的運(yùn)動(dòng)學(xué)相互作用具有無(wú)法取代的大地構(gòu)造演化意義[3]。

受極度寒冷氣候和廣泛分布冰蓋的影響，北極是全球研究程度最低的地區(qū)之一，北極地區(qū)具有豐富的油氣資源，據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局北極資源評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)CARA研究評(píng)估[4]，北極未發(fā)現(xiàn)的油氣資源量為石油近9×1010桶、天然氣1.669×1015立方英尺和凝析油4.4×1010桶，其中84%的未發(fā)現(xiàn)資源分布于海區(qū)。已證實(shí)的含油氣盆地主要分布于環(huán)北極大陸架和相鄰陸地[5—6]。近年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，加科爾洋脊作為全球有效擴(kuò)張速率最慢的洋中脊端元，其熱液硫化物的發(fā)育頻率極高，熱液異常點(diǎn)發(fā)育頻率甚至超過(guò)快速擴(kuò)張的東太平洋洋隆。這對(duì)現(xiàn)今洋中脊熱液硫化物的發(fā)育模式是一個(gè)新的挑戰(zhàn)[7—8]。

圖1　北極地區(qū)海底深度圖(極球面投影，海底等深數(shù)據(jù)據(jù)GEBCO_08 Grid)Fig.1　Bathymetric map of circumpolar Arctic (stereographic polar projection， bathymetric data from GEBCO_08 Grid)

盡管北極地區(qū)已有大量的科學(xué)論文不斷發(fā)表，本區(qū)系統(tǒng)的基礎(chǔ)地質(zhì)地球物理調(diào)查資料非常有限，公開(kāi)發(fā)表的地質(zhì)資料也不豐富，相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造研究也處于初步階段，由此造成部分地區(qū)構(gòu)造演化認(rèn)識(shí)存在爭(zhēng)議。北冰洋洋盆的演化涉及其中兩個(gè)盆地的擴(kuò)張事件：加拿大海盆擴(kuò)張(約140～80 Ma BP)、歐亞盆地?cái)U(kuò)張(約58 Ma BP至今)。前者擴(kuò)張中心僅在布格重力異常中有所顯示，且海盆磁條帶雜亂，構(gòu)造過(guò)程爭(zhēng)論較大；后者磁條帶清晰，對(duì)海盆演化過(guò)程的爭(zhēng)議較小[9]。另外，兩次擴(kuò)張事件涉及怎樣的構(gòu)造演化過(guò)程，與周緣盆地發(fā)展有何關(guān)系等科學(xué)問(wèn)題也存在研究空白。

大地構(gòu)造圖是表述一個(gè)地區(qū)最基礎(chǔ)的地質(zhì)圖件，對(duì)于表述地質(zhì)構(gòu)造特征及其構(gòu)造演化具有重要意義。因此，從北極地區(qū)大地構(gòu)造特征入手，利用最新的地球物理數(shù)據(jù)，編制北極地區(qū)大地構(gòu)造圖，對(duì)于理解和推進(jìn)北冰洋盆構(gòu)造演化和資源分布研究是非常必要的。通過(guò)北極地區(qū)大地構(gòu)造圖的編圖研究1)，可以為我國(guó)北極地區(qū)地質(zhì)的科學(xué)研究和大洋勘探調(diào)查研究，提供基礎(chǔ)理論支撐。

2前人相關(guān)的重要研究及其本次編圖研究

2.1前人研究進(jìn)展及存在問(wèn)題

“Atlas of Geological Maps of Circumpolar Arctic at 1∶5M scale”，聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)下屬世界地質(zhì)圖編圖委員會(huì)(CGMW)資助，2009年在加拿大和挪威出版。包括環(huán)北極地質(zhì)圖(加拿大地質(zhì)調(diào)查局牽頭)和環(huán)北極重力、磁力異常圖(挪威地質(zhì)調(diào)查局牽頭)。圖件內(nèi)容包括主要地質(zhì)單元年代(地層、巖漿巖)及范圍、主要斷層位置及性質(zhì)、洋殼年齡等。存在主要問(wèn)題：(1)洋底信息比較簡(jiǎn)單；(2)地質(zhì)單元圖例以年代區(qū)分，資料性較強(qiáng)，但表達(dá)性和思想性缺乏；(3)缺乏資源等概念。

“Tectonic Map of the Arctic at 1∶5M scale” (TeMAr Project)[10]，由俄羅斯地質(zhì)研究所(VSEGEI)Karpinsky牽頭，2011年啟動(dòng)，目前尚未正式出版。包括環(huán)北極大地構(gòu)造圖主圖，及5幅插圖：構(gòu)造區(qū)劃圖、沉積物厚度圖、地殼厚度圖、固結(jié)地殼厚度圖、地殼類(lèi)型分布圖。圖件內(nèi)容包括洋殼年齡、沉積物厚度等值線、地質(zhì)單元年齡、大地構(gòu)造單元(蛇綠巖、裂谷系、LIP(Large Igneous Province))、沉積盆地、主要斷層等。存在主要問(wèn)題：(1)缺乏地球物理數(shù)據(jù)，尤其是較高精度的海底地形數(shù)據(jù)(對(duì)海底構(gòu)造最直接的制約)；(2)構(gòu)造演化表達(dá)不足；(3)缺乏礦產(chǎn)資源表述等。

其他專(zhuān)題圖件，如北極圈內(nèi)沉積盆地分布及構(gòu)造綱要圖(美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局， 2008)，其專(zhuān)題性較強(qiáng)、綜合性較弱，大地構(gòu)造格局與演化及礦產(chǎn)資源分布的研究薄弱。

2.2北極地區(qū)大地構(gòu)造編圖方法

本次采用極球面投影(Polar Stereographic)，以1∶500萬(wàn)(A0圖幅)比例尺對(duì)65°～90°N， 180°E～180°W范圍內(nèi)進(jìn)行編圖研究。以洋底地形為底圖，結(jié)合北極地區(qū)最新的地質(zhì)、地球物理研究成果，編制洋底大地構(gòu)造圖，補(bǔ)充陸上地質(zhì)信息和海陸聯(lián)系，及北冰洋地區(qū)油氣、洋底礦產(chǎn)等資源分布，具體編圖方法如下：

(1)編制統(tǒng)一的地形底圖：選用1∶500萬(wàn)比例尺，以30″分辨率的GEBCO_08 Grid衛(wèi)星地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)地形進(jìn)行色階調(diào)節(jié)，并添加陰影效果以直觀表達(dá)。根據(jù)北冰洋底水深特征，選取并生成3 000 m等深線作為深海盆地和海底隆起(大洋中脊、洋底高原、無(wú)震海隆等)界線，形成統(tǒng)一的地形底圖。

(2)編制大地構(gòu)造圖：在統(tǒng)一地形底圖基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)、前人研究成果及大洋鉆探報(bào)告，疊加洋底地質(zhì)信息與研究進(jìn)展，包括：① 補(bǔ)充洋殼年齡等時(shí)線，表達(dá)洋殼年齡信息；② 補(bǔ)充洋中脊擴(kuò)張矢量、板塊現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)矢量，表達(dá)板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；③ 補(bǔ)充地應(yīng)力分布，表達(dá)巖石圈淺層應(yīng)力狀態(tài)；④ 補(bǔ)充斷裂運(yùn)動(dòng)方向，表達(dá)板塊邊界運(yùn)動(dòng)和板塊內(nèi)變形特征；⑤ 補(bǔ)充大洋鉆探的基底深度、巖性和同位素年齡等信息。

(3)補(bǔ)充陸上地質(zhì)數(shù)據(jù)和海-陸數(shù)據(jù)整合：以Geological Map of the World-3rd Edition (CGMW)陸上地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，補(bǔ)充主要斷裂性質(zhì)，著重表達(dá)陸上一級(jí)構(gòu)造單元(板塊)及其邊界(造山帶、邊界斷裂帶、裂谷系等)。結(jié)合洋底地貌特征及前人研究，統(tǒng)一表達(dá)海、陸相連的斷裂，以體現(xiàn)海、陸構(gòu)造的相關(guān)性。

(4)補(bǔ)充油氣、洋底礦產(chǎn)等資源分布：在大地構(gòu)造圖基礎(chǔ)上，結(jié)合前人文獻(xiàn)研究、網(wǎng)站公開(kāi)數(shù)據(jù)及相關(guān)專(zhuān)題研究成果，疊加油田分布、熱液硫化物礦點(diǎn)、熱液異常區(qū)等資源分布，突出圖件的資源意義。

2.3主要數(shù)據(jù)及來(lái)源

本圖海底地形數(shù)據(jù)為GEBCO_08 Grid，重力異常數(shù)據(jù)為WGM2012，海底磁異常數(shù)據(jù)為EMAG3，洋殼年齡據(jù)Earth Byte(2008)，地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)為World Stress Map， GFZ (2008)。沉積厚度據(jù)NOAA(2013)，陸緣盆地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于IHS(2009)，陸上地質(zhì)據(jù)世界地質(zhì)圖(Geological Map of the World-3rd

1)李江海，劉仲蘭，王洛. 北極地區(qū)大地構(gòu)造圖[M].北京：地質(zhì)出版社， 2016, 出版中。

Edition)，地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)來(lái)源WSM(World Stress Map Project， German Research Center for Geosciences， 2008)，洋底斷裂數(shù)據(jù)來(lái)源于GEBCO SCUFN(Sub-Committee on Undersea Feature Names)，硫化物礦點(diǎn)據(jù)InterRdige Vents Database (2015)，研究區(qū)資源評(píng)價(jià)據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局北極資源評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)CARA[11]。

需要說(shuō)明的是，由于北極地區(qū)資源調(diào)查程度較低，北極資源評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)CARA對(duì)該區(qū)油氣資源評(píng)估方法與USGS標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法有一定差異，主要在于類(lèi)比數(shù)據(jù)庫(kù)的選取和應(yīng)用，這明顯依賴于評(píng)估地質(zhì)師的經(jīng)驗(yàn)水平[11]，因此結(jié)果會(huì)存在較大偏差。2011年，俄羅斯部分學(xué)者與CARA合作，對(duì)北極油氣預(yù)期儲(chǔ)量進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)高了西伯利亞北部近海區(qū)域的預(yù)測(cè)儲(chǔ)量[12]。雖然目前完成的儲(chǔ)量預(yù)測(cè)基于已知的有限資料，準(zhǔn)確性不高，并且很可能有一定程度的高估[13]。

3北極地區(qū)大地構(gòu)造特征及其構(gòu)造區(qū)劃

北極地區(qū)總體上可以劃分為北冰洋及其周緣沉積盆地和下伏的前新生代基底兩大構(gòu)造層。

3.1前新生代基底

前新生代基底，又可以劃分為克拉通和造山帶兩類(lèi)構(gòu)造單元。主要有3個(gè)克拉通，分別為北美、東歐和西伯利亞克拉通，另外，還有許多屬性未明的離散地塊。8條古生代-中生代的造山帶褶皺帶包括：季曼造山帶、斯堪的納維亞造山帶、埃爾斯米爾造山帶、新地島-烏拉爾造山帶、泰梅爾造山帶、維爾霍揚(yáng)斯克造山帶、南阿紐依造山帶、布魯克斯造山帶(圖2)。

季曼造山帶位于北極克拉通與波羅的大陸之間，西北以加里東造山帶為界，烏拉爾和新地島的海西推覆體逆沖至該造山帶東部邊界之上。它們經(jīng)常被看作傾向西南拼貼于波羅的古陸的蛇綠巖、島弧和微大陸增生體。綜合地質(zhì)地球物理資料，可以將本段構(gòu)造帶分為外蒂曼構(gòu)造帶、Novozemel’sky帶(分別為波羅的克拉通和北極克拉通的變形邊緣)，以及克拉通之間擠壓形成的中央碰撞造山帶。往東方向，該構(gòu)造的出露及研究程度均下降，是否東延仍頗有爭(zhēng)議。Kos’ko根據(jù)在弗蘭格爾島、楚科奇、蘇厄德半島和布魯克斯山脈已發(fā)現(xiàn)蛇綠巖和花崗巖鏈，弗蘭格爾島變質(zhì)基性巖鋯石U-Pb定年為(699±1)Ma，該構(gòu)造帶可能東延至楚科奇-阿拉斯[14]。

斯堪的納維亞造山帶出現(xiàn)于挪威西北部和斯瓦爾巴特群島，代表了波羅的板塊與勞倫板塊之間的早古生代古縫合帶。在斯堪的納維亞半島，造山帶活動(dòng)時(shí)間為早奧陶世-中志留世，發(fā)育大量飛來(lái)峰和構(gòu)造窗。在斯瓦爾巴特群島，該期構(gòu)造變形被造山后花崗巖(400 Ma BP)穿切[15]。

新地島-烏拉爾造山帶南起咸海，向北地質(zhì)年代逐漸變新，北極地區(qū)與新地島造山帶相連，是造山帶晚期產(chǎn)物，代表勞亞板塊與哈薩克斯坦板塊晚古生代的縫合帶，造山帶活動(dòng)時(shí)期為晚泥盆世-二疊紀(jì)[16]。

維爾霍揚(yáng)斯克造山帶圍繞西伯利亞克拉通東緣和東北分布，是歐姆龍和科雷馬微陸塊與西伯利亞碰撞的結(jié)果。該造山帶由超過(guò)10 km厚上古生界—下白堊統(tǒng)(歐特里夫階)硅質(zhì)碎屑沉積組成[17]，稱為維爾霍揚(yáng)斯克雜巖，其巖性變化大，包括靠近克拉通的河流—淺海沉積至遠(yuǎn)離克拉通的深水濁流沉積。該雜巖下伏里斯期至中古生代碳酸鹽巖和碎屑巖-碳酸鹽巖地層，屬西伯利亞克拉通邊緣。在早白堊世(130～125 Ma BP)，該被動(dòng)陸緣沉積序列與科雷馬-歐姆龍發(fā)生碰撞從而形成向西的逆沖和褶皺變形[18]。維爾霍揚(yáng)斯克造山帶通過(guò)勒拿裂谷系和Stolboboi走滑斷裂，與南阿紐伊造山帶相連[19]。

南阿紐依造山帶是一條窄并且變形強(qiáng)烈的縫合帶，其地表出露不連續(xù)的蛇綠巖及島弧火山主要分布在Bol’shoiLyakhov島[20]。在大地磁異常中顯示其從西Bol’shoiLyakhov島一直延伸至拉普帖夫海裂谷系，長(zhǎng)達(dá)1 500 km[19]，但是其東南方向向白令海峽和阿拉斯加的延伸范圍由于遭到后期鄂霍茨克-楚科奇火山巖帶的覆蓋而至今不清楚。南阿紐依縫合帶包含零散分布的晚古生代以及中生代蛇綠巖，侏羅-白堊紀(jì)的島弧火山巖以及中生代碎屑巖和火山碎屑濁積巖[21]。布魯克斯造山帶是由北極阿拉斯地體向南與育空等島弧地體碰撞形成，造山事件導(dǎo)致Angayucham洋盆關(guān)閉，形成了以侏羅紀(jì)蛇綠巖和增生雜巖、島弧火山巖為主的Angayucham地體，該地體后期拼貼到北極阿拉斯加地體上[22]，與南阿紐依縫合帶的結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。

北冰洋及其周?chē)€發(fā)育許多隱伏的陸塊、地體、洋底高原，有待地球物理研究探測(cè)和厘定。包括：斯瓦爾巴德-喀拉陸塊、楚科奇-阿拉斯加微板塊、阿爾法-門(mén)捷列夫陸塊(被早白堊世大火成巖省覆蓋)[19]。

3.2北冰洋盆及周緣盆地

北冰洋被3條近于平行的海嶺分割成不同的海盆，其中，羅蒙諾索夫海嶺將北冰洋分為歐亞盆地和美亞盆地。加科爾海嶺又將歐亞盆地分為阿蒙森海盆和南森海盆，阿爾法-門(mén)捷列夫海嶺再將美亞盆地分為加拿大海盆和馬卡羅夫海盆[23](圖2)。

歐亞盆地是北極地區(qū)最年輕的海盆，其構(gòu)造演化歷史從保存完好的磁條帶中可以得到很好的約束。早始新世—中始新世(約53～44 Ma BP)海盆初始打開(kāi)，擴(kuò)張速率較大。漸新世-早中新世，擴(kuò)張速率急速下降。自20 Ma BP至今，全擴(kuò)張速率略有增加。歐亞盆地具有獨(dú)特的地殼結(jié)構(gòu)，其厚度小于3 km，上覆沉積物平均厚度在1～2 km，而全球洋盆的層2和層3的實(shí)測(cè)平均厚度為6.5 km。歐亞盆地洋殼較薄，被認(rèn)為是洋中脊以5 mm/a的速率緩慢擴(kuò)張的產(chǎn)物，從軸部巖漿房溢出的巖漿也較少。

圖2　北極地區(qū)大地構(gòu)造略圖[12，20，24]Fig.2　Brief tectonic map of circumpolar Arctic[12，20，24]

美亞盆地地貌地球物理特征復(fù)雜，可以識(shí)別出加拿大海盆、阿爾法-門(mén)捷列夫海嶺、馬卡羅夫海盆和羅蒙諾索夫海嶺等構(gòu)造單元[19]。加拿大海盆出現(xiàn)于西伯利亞和北美克拉通之間，其磁異常值分布紊亂，沒(méi)有明顯的線性特征，因而該盆地的構(gòu)造演化目前并沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[24]。其早期擴(kuò)張軸與歐亞盆地加科爾洋中脊走向方向直交于此，我們推測(cè)加拿大海盆與歐亞盆地在構(gòu)造屬性上沒(méi)有直接的成因聯(lián)系。

北冰洋周緣的中、新生代沉積盆地群主要處于伸展背景，呈近東西走向展布，主要包括巴倫支海盆地、喀拉海盆地、葉尼塞-哈坦加盆地、拉普捷夫海盆地、科累馬盆地、東西伯利亞海盆地、北極斜坡盆地、北極海岸盆地、斯沃特里普盆地、巴芬灣盆地和東格陵蘭盆地等[17，25—26]。歐亞大陸架寬度顯然大于北美大陸架，集中了主要的中、新生代海上伸展型沉積盆地群，如巴倫支海盆地、喀拉海盆地、拉普捷夫海盆地、東西伯利亞海盆地、斯維爾德魯普盆地(P)、阿拉斯加北坡盆地(T-J)、北楚科奇盆地(T-J)等[5]。而北美大陸、格陵蘭島的北冰洋邊緣陡峭，大陸架海海盆地并不發(fā)育，格陵蘭島北緣出現(xiàn)魏格納轉(zhuǎn)換斷層以及加拿大海盆白堊紀(jì)短期擴(kuò)張后擴(kuò)張夭亡，決定了其大陸架陡峭地貌。

4北極地區(qū)大地構(gòu)造屬性

歐亞板塊與北美板塊邊界尚難以清晰劃分，它們也可以歸并為一個(gè)正在分裂中的北美-歐亞超級(jí)大陸，北大西洋-北冰洋洋中脊，構(gòu)成它們重要的擴(kuò)張邊界。北大西洋洋中脊持續(xù)向北冰洋傳播，加科爾洋中脊向南傳播對(duì)應(yīng)西伯利亞北部的勒拿裂谷系，再向南變?yōu)檫h(yuǎn)東地區(qū)的多條走滑斷裂系，并以地震震中位置所顯示[25]。北冰洋盆的擴(kuò)張被北太平洋周緣的俯沖帶消減所調(diào)節(jié)。GPS測(cè)量表明，北美板塊和歐亞板塊分別以逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方式，向太平洋匯聚，推斷歐亞板塊向東南順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

從北大西洋洋中脊到加科爾洋中脊，全擴(kuò)張速率逐漸降低，由冰島以北的17.7 mm/a， 到加科爾洋脊末端降為7.3 mm/a，加科爾洋中脊延伸從俄羅斯北部勒拿河口到格陵蘭島北側(cè)，長(zhǎng)約2 000 km，寬約200 km，具有極低的全擴(kuò)張速率(7.3～10.8 mm/a)[19]。加科爾洋中脊從北冰洋洋盆向南擴(kuò)展傳播，銜接勒拿裂谷系以及更南端的多條走滑斷層系[26—27]，成為北大西洋和太平洋構(gòu)造銜接和轉(zhuǎn)換的紐帶。

加科爾洋中脊-拉普捷夫裂谷系與千島-日本俯沖帶、阿留申俯沖帶，形成天平狀構(gòu)造系，代表正在發(fā)育的三聯(lián)點(diǎn)。這種獨(dú)特的構(gòu)造格局展示了北冰洋洋盆樞紐式的張開(kāi)模式，歐亞板塊與北美板塊代表正在分裂的勞倫-歐亞超級(jí)板塊，北大西洋-北冰洋洋盆的擴(kuò)張，被北太平洋俯沖帶(白令海、阿拉斯加)所消減，北太平洋洋盆持續(xù)收縮，形成“鉗式張合”構(gòu)造。與北冰洋類(lèi)似，紅海與東地中海的交匯，也是類(lèi)似的樞紐構(gòu)造，也形成“鉗式張合”構(gòu)造，銜接新特提斯構(gòu)造域與印度洋卡斯伯格洋中脊。

北極地區(qū)的前新生代基底構(gòu)造單元具有花瓣?duì)顦?gòu)造特點(diǎn)，它們?cè)趲缀涡螒B(tài)上向北極地區(qū)聚斂，相關(guān)的造山帶，如烏拉爾造山帶、上揚(yáng)斯克造山帶、科迪勒拉-阿拉斯加造山帶等沿著走向由南向北，造山事件具有穿時(shí)變年輕特點(diǎn)[21]。北冰洋周緣中生代以來(lái)的造山帶主要有：南阿紐依造山帶、布魯克斯期造山帶、維爾霍揚(yáng)斯克造山帶，它們均發(fā)育在美亞盆地張開(kāi)、楚科奇-阿拉斯加微板塊旋轉(zhuǎn)的背景下，由島弧和地體拼貼形成。

北極地區(qū)廣泛出現(xiàn)不同時(shí)期的陸塊或地塊[28]，如美亞盆地中的阿爾法海嶺、門(mén)捷列夫海嶺以及楚科奇高地、Northwind海嶺均有陸殼成分，其中阿爾法海嶺-門(mén)捷列夫海嶺，從亞洲的弗蘭格爾島起，延伸到格陵蘭島一側(cè)的埃爾斯米爾島附近，長(zhǎng)約1 500 km，相對(duì)高度小，坡度平緩[19]。由此推測(cè)，它們可能構(gòu)成北冰洋張開(kāi)之前的存在過(guò)的北極古陸。對(duì)于北極古陸是否存在，其規(guī)模和組成，尚待深入的地球物理勘探去證實(shí)。近期研究表明，阿爾法-門(mén)捷列夫海嶺與西南太平洋的翁通爪哇、印度洋的莫桑比克等無(wú)震海嶺等熱點(diǎn)成因的洋底高原，具有相似的地震波速結(jié)構(gòu)及磁異常分布特征[29]，是熱點(diǎn)作用相關(guān)洋底高原的產(chǎn)物。

北冰洋出現(xiàn)復(fù)雜的擴(kuò)張?bào)w系，加拿大海盆擴(kuò)張中心軸與歐亞盆地?cái)U(kuò)張軸(加科爾洋中脊)近于垂直。巴芬灣擴(kuò)張中心軸通過(guò)轉(zhuǎn)換斷層與加科爾洋中脊運(yùn)動(dòng)上調(diào)節(jié)[30]。歐亞盆地出現(xiàn)于波羅的板塊和北美板塊之間，克拉通的基底構(gòu)造格局決定了其裂解位置。

5北極地區(qū)的熱點(diǎn)軌跡與板塊真實(shí)運(yùn)動(dòng)

二疊紀(jì)-三疊紀(jì)隨著海西期烏拉爾造山作用，喀拉-北泰梅爾地塊與巴倫支地塊碰撞，形成新地島造山帶，泛大陸完成最終聚合。中生代鄂霍茨克洋盆的關(guān)閉以及遠(yuǎn)東造山帶的形成，北極地區(qū)處于泛大陸北部的核心區(qū)域，并與北太平洋構(gòu)造域鄰近。早中生代中亞造山帶的造山結(jié)束期，銜接或?qū)?yīng)于本區(qū)裂谷盆地初始擴(kuò)張期，形成一系列的伸展盆地。在多條造山帶匯聚的構(gòu)造薄弱位置，北極地區(qū)還受冰島地幔柱的垂向作用，造成其有限的大陸裂解作用背景，發(fā)育相關(guān)的大火成巖省。

西西伯利亞大火成巖省(LIP)是全球已知最大的大巖漿巖省，噴發(fā)時(shí)代為處于二疊紀(jì)—三疊紀(jì)界線附近(250～251 Ma BP，持續(xù)時(shí)間小于1 Ma)，LIP的最大厚度約3 500 m，面積約5×106km2?；鹕交顒?dòng)早于西西伯利亞盆地T-J裂谷事件，這也是世界最大的沉積盆地之一[31]。葉尼塞-哈坦加裂谷盆地代表其早期三叉裂谷系的東北分支[32]，并在侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)持續(xù)發(fā)展沉降。三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)期間泛大陸開(kāi)始大規(guī)模裂解，西西伯利亞、東巴倫支、斯維爾德魯普、北阿拉斯加等相繼發(fā)生(陸內(nèi))裂谷作用。

冰島火山作用和西西伯利亞LIP之間的構(gòu)造聯(lián)系，一直是重要的構(gòu)造問(wèn)題，它們之間是否具有地幔柱成因聯(lián)系、是否構(gòu)成連續(xù)的熱點(diǎn)活動(dòng)軌跡，有許多猜測(cè)[33—35]。北冰洋底及其周緣島嶼和大陸架地區(qū)處于兩者之間，發(fā)育豐富的中、新生代火山活動(dòng)，為構(gòu)建這條經(jīng)過(guò)陸地的熱點(diǎn)軌跡創(chuàng)造有利條件。近期的北冰洋磁異常研究，還識(shí)別出了中生代洋底高原的分布范圍[11，33]。它們構(gòu)成了西西伯利亞與冰島熱點(diǎn)軌跡之間銜接的關(guān)鍵鏈條，由此可以重建這條陸上保留的、冰穿過(guò)北冰洋的熱點(diǎn)軌跡[30，36—37](圖3)，盡管隨著北冰洋盆的張開(kāi)，它已被分隔了東、西兩段。

圖3　西伯利亞-冰島熱點(diǎn)軌跡示意圖[11，33]Fig.3　Hotspots track between Siberia trap and Iceland mantle plume[11，33]

由圖3的熱點(diǎn)軌跡分析，泛大陸自三疊紀(jì)形成以來(lái)，勞亞大陸整體上具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、向東北運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并在此持續(xù)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造背景下，熱點(diǎn)活動(dòng)造成北冰洋洋盆的張開(kāi)。其中，勞倫大陸旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)快于歐亞大陸、北美大陸旋轉(zhuǎn)又相對(duì)快于格陵蘭陸塊。地處泛大陸腹地，持續(xù)的地幔熱能累積是西西伯利亞二疊紀(jì)地幔柱形成并上涌活動(dòng)的重要原因之一。

6北冰洋盆侏羅紀(jì)以來(lái)的張開(kāi)演化歷史

北冰洋盆的構(gòu)造演化一直存在較多爭(zhēng)議[38—39]，爭(zhēng)論焦點(diǎn)主要圍繞美亞盆地中、晚白堊世的張開(kāi)模式，這些模式包括：(1)多邊伸展-旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)模式[40]；(2)旋轉(zhuǎn)走滑模式[41]；(3)俯沖帶后撤、地殼減薄伸展模式。這主要是由于對(duì)北冰洋底構(gòu)造的認(rèn)識(shí)尚缺乏系統(tǒng)深入的地球物理調(diào)查和地質(zhì)資料積累。目前的研究主要通過(guò)北冰洋及周緣古板塊再造、大地構(gòu)造單元識(shí)別和劃分(依據(jù)重、磁資料)、周邊陸地構(gòu)造外推北冰洋底等手段來(lái)恢復(fù)北冰洋盆的構(gòu)造演化歷史及構(gòu)造模式[30]。

6.1美亞盆地的張開(kāi)模式

美亞盆地在中-晚侏羅世伴隨著全球泛大陸裂解開(kāi)始形成。由于盆地地球物理資料有限，因此，目前對(duì)其海盆擴(kuò)張模式及擴(kuò)張時(shí)間有不同認(rèn)識(shí)。本文以擠壓-伸展耦合模式解釋美亞盆地的形成：晚侏羅世，門(mén)捷列夫海嶺從加拿大陸緣裂離，并伴隨著美亞盆地的張開(kāi)。美亞盆地張開(kāi)時(shí)間(155～65 Ma BP)與南阿紐伊洋盆的關(guān)閉俯沖時(shí)間(200～120 Ma BP)相耦合。隨著阿紐伊縫合帶的俯沖，造成北極板塊旋轉(zhuǎn)，在南阿紐伊洋盆關(guān)閉同時(shí)加拿大海盆張開(kāi)。這種擠壓-伸展耦合模式，是泛大陸腹地鄰近太平洋，在有限伸展空間下洋盆發(fā)育的獨(dú)特的構(gòu)造演化模式，類(lèi)似于西地中海洋盆等地洋盆，如特立尼亞海盆的形成模式。

美亞盆地的張開(kāi)可以劃分為兩個(gè)階段(圖4)：晚侏羅紀(jì)-早白堊時(shí)期：(J3-K1，155～115 Ma BP)加拿大海盆旋轉(zhuǎn)式張開(kāi)(洋盆張開(kāi)的幅度向歐亞逐漸增大)，伴隨楚科奇等地體發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別于歐亞大陸和北美大陸俯沖碰撞，造成南阿紐依洋和Angayucham洋關(guān)閉，形成相應(yīng)造山帶。早白堊世-晚白堊世(K1-K2，115～65 Ma BP)馬可羅夫盆地張開(kāi)，阿爾法-門(mén)捷列夫海嶺由原先鄰近羅蒙諾索夫海嶺的位置逐漸遠(yuǎn)離。這一構(gòu)造過(guò)程發(fā)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制目前認(rèn)為主要是由阿爾法-門(mén)捷列夫海嶺之下的俯沖作用后撤造成的伸展。持續(xù)的俯沖帶后撤造成阿爾法-門(mén)捷列夫海嶺和楚科奇高原伸展，并保存了大量該時(shí)期的裂谷系。

美亞盆地的張開(kāi)受到北極大火成巖省火山活動(dòng)的影響(130～80 Ma BP)，在有限空間內(nèi)，向北通過(guò)走滑邊界調(diào)節(jié)[41]，洋脊的擴(kuò)張向南為前進(jìn)式擴(kuò)張，擴(kuò)張末端對(duì)應(yīng)麥肯齊三角洲沉積盆地形成。

6.2歐亞盆地的張開(kāi)模式

歐亞盆地張開(kāi)受到北大西洋中脊的向北擴(kuò)展的影響(圖4)。其發(fā)育位置，對(duì)應(yīng)加拿大盆地張開(kāi)過(guò)程中大規(guī)模轉(zhuǎn)換斷層位置上的構(gòu)造薄弱帶。歐亞盆地地殼厚度最小值出現(xiàn)在海盆邊緣，表明它的初始張開(kāi)受到北極大火成巖省第二期火山作用的影響，因此造成了地殼的大幅度減薄。從加拿大海盆的擴(kuò)張到歐亞盆地的擴(kuò)張，其間經(jīng)歷了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的劇烈調(diào)整，對(duì)應(yīng)本區(qū)從北太平洋構(gòu)造域向北大西洋構(gòu)造域的轉(zhuǎn)折。

晚白堊世-古新世，巴芬灣、北大西洋、歐亞盆地相繼張開(kāi)[34]，形成巴芬灣、西格陵蘭、拉布拉多海等裂谷和東格陵蘭、挪威海、巴倫支海西緣和北緣等被動(dòng)邊緣。并且在西伯利亞北部形成拉普捷夫裂谷系，南北向截切泰梅爾造山帶[27]，以走滑斷裂系向南銜接太平洋構(gòu)造域西北緣，使大西洋-北冰洋中脊末端以走滑斷裂調(diào)節(jié)。拉普捷夫海裂谷盆地、東西伯利亞海盆地以及楚科奇海盆地的形成，均與北冰洋洋盆白堊紀(jì)-新生代向南傳播的伸展作用有關(guān)[42]。本區(qū)伸展地塹系的形成，并控制深水盆地的持續(xù)發(fā)展。

7討論和結(jié)論

(1)北冰洋及其周緣中、新生代裂谷盆地記錄了靠近太平洋邊緣的泛大陸腹地中生代以來(lái)持續(xù)發(fā)生的裂解作用。北冰洋地區(qū)代表全球不同構(gòu)造域之間的橋梁和樞紐。隨著北冰洋洋盆伸展作用發(fā)展及加科爾洋中脊向南傳播，它將西南貫通北太平洋構(gòu)造域(遠(yuǎn)東造山帶)，徹底改變?nèi)蛑猩詠?lái)的構(gòu)造格局。從西北歐到阿拉斯加，造山帶碰撞時(shí)代整體上沿著逆時(shí)針?lè)较蛑饾u由早古生代變?yōu)橹猩?，先后涉及亞皮特斯洋、烏拉爾洋、古亞洲洋、南阿紐伊洋盆的關(guān)閉。而洋盆張開(kāi)時(shí)代方面，從加拿大海盆到馬科夫海盆、到歐亞盆地再到巴芬灣，具有沿著順時(shí)針?lè)较?，逐漸由中生代變?yōu)樾律?。它們共同展示出泛大陸由匯聚到裂解的構(gòu)造調(diào)整過(guò)程，即裂解作用開(kāi)始于或耦合于最晚造山活動(dòng)的位置。

(2)中生代以來(lái)，北極地區(qū)處于北亞最晚期的造山匯聚區(qū)與西西伯利亞地幔柱熱點(diǎn)相關(guān)的伸展作用的復(fù)合、交匯和疊加部位。在此構(gòu)造背景下，決定了它具有3階段式的構(gòu)造演化：① 早中生代北亞-北美西北部(遠(yuǎn)東-科迪勒拉)造山帶俯沖-造山增生階段，古太平洋向北俯沖，古亞洲洋最終關(guān)閉，泛大陸最終形成;② 侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)期間加拿大海盆張開(kāi)，與南阿紐伊洋盆俯沖消亡相耦合，最終形成南阿紐伊縫合帶，兩者之間在運(yùn)動(dòng)學(xué)上具有耦合聯(lián)系，并伴隨其間轉(zhuǎn)換斷層的調(diào)節(jié)作用;③ 新生代以來(lái)北大西洋中脊持續(xù)擴(kuò)展傳播，造成歐亞盆地張開(kāi)和加科爾洋中脊發(fā)育。

圖4　北冰洋洋盆張開(kāi)構(gòu)造演化模式圖 Fig.4　Tectonic evolution model of Arctic Ocean

(3)北冰洋洋盆形成于泛大陸腹地，為此，伸展作用和洋盆擴(kuò)張受控于有限空間內(nèi)的構(gòu)造變形。中生代以來(lái)不同方向的大陸裂谷系和洋中脊記錄了擴(kuò)張過(guò)程的旋轉(zhuǎn)式調(diào)整，不同時(shí)代的伸展方位及其變形在空間上發(fā)生大幅度遷移和旋轉(zhuǎn)，顯示了超大陸格局對(duì)其腹地伸展變形的有效制約。

(4)通過(guò)北冰洋及周緣LIP及其火山巖區(qū)的研究比對(duì)，可以恢復(fù)出歐亞板塊經(jīng)過(guò)冰島地幔柱(250 Ma BP至今)在板塊上形成的熱點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。熱點(diǎn)作用并對(duì)北冰洋盆張開(kāi)過(guò)程產(chǎn)生深刻影響，造成其巖石圈組成的強(qiáng)烈變化。受大陸巖石圈不均質(zhì)性及其巨厚的影響，LIP分布具有片段狀和彌散狀分布特點(diǎn)，不同于簡(jiǎn)單的大洋島熱點(diǎn)特征。

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The tectonic setting and geological evolution of the Arctic——From compiling of tectonic map of the Arctic

Li Jianghai1, Liu Zhonglan1, Wang Luo2, Zhang Huatian1

(1.TheKeyLaboratoryofOrogenicBeltsandCrustalEvolution,MinistryofEducation,SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China;2.PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China)

Abstract:The Arctic is rich in hydrocarbon resources, but its level of geological research is almost lowest in the world due to harsh natural climatic conditions and complicated tectonic evolution. Herein, the tectonic map of the Arctic (1∶5 000 000) was compiled based on newly updated geophysical data, and combination of geology, geomorphology, and resource data. From compiling of the tectonic map, this paper recognized the tectonic evolution of Arctic to be influenced by the vertical effect of Iceland Mantle Plume, and the horizontal effect of clockwise rotation of Eurasia-Laurentia supercontinent. The tectonic evolution of Arctic Ocean is divided into three stages: (1) Early Mesozoic. Paleo-Pacific Ocean subducted northwards. Paleo-Asian Ocean closed, leading to the formation of supercontinent. (2) Jurassic-Cretaceous. South Anui Suture was formed, accompanied by the coupling of Canada Basin opening and South Anui Ocean closing. This process is accommodated by development of transform faults. (3) Cenozoic. North Mid-Atlantic Ridge extended northwards, leading to the forming of Gakkel Ridge. Arctic Ocean represents the hinge of global tectonic domains. Along with the extension of Gakkel Ridge, it will connect with North Pacific tectonic domain (Far East Orogen), changing the global tectonic pattern since Mesozoic．

Key words:the Arctic; tectonic map; hotspot track; tectonic pattern; tectonic evolution

收稿日期：2015-11-06；

修訂日期：2016-02-16。

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋局國(guó)際合作司和中國(guó)極地研究中心聯(lián)合項(xiàng)目——北極圈大地構(gòu)造編圖(QY201501-02)；印度洋脊多金屬硫化物成礦潛力與資源環(huán)境評(píng)價(jià)(DY125-12-R-03)；西南印度洋脊合同區(qū)多金屬硫化物資源評(píng)價(jià)(DY125-11-R-01)。

作者簡(jiǎn)介：李江海(1965—)，男，山西省太原市人，教授，博士生導(dǎo)師，從事全球構(gòu)造、洋中脊成礦研究。E-mail:jhli@pku.edu.cn *通信作者：劉仲蘭(1991—)，男，湖南省衡山市人，博士研究生，從事洋中脊構(gòu)造、洋中脊成礦研究。E-mail:zlliu-sess@pku.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào):P548

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193(2016)07-0085-12

李江海， 劉仲蘭， 王洛， 等. 北極地區(qū)大地構(gòu)造特征及其構(gòu)造演化——北極地區(qū)大地構(gòu)造編圖研究進(jìn)展[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2016， 38(7):85-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.008

Li Jianghai， Liu Zhonglan， Wang Luo， et al. The tectonic setting and geological evolution of the Arctic—From compiling of tectonic map of the Arctic[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(7):85-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.008