西南極特拉裂谷綜合地球物理特征分析

張 嶠紀 飛

1.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所,北京 100081;

2.中國地質(zhì)調(diào)查局極地地學研究中心,北京 100081;

3.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點實驗室,北京 100081;

4.應(yīng)急管理部國家自然災害防治研究院,北京 100085

1.Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081, China;

2.Research Center of Polar Geosciences, China Geological Survey,Beijing 100081, China;

3.Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources,Beijing 100081, China;

4.National Institute of Natural Hazards, Ministry of Emergency Management of China,Beijing 100085, China

0 引言

西南極裂谷系統(tǒng) (West Antarctic Rift System, WARS)是現(xiàn)今地球上最大的活動大陸裂谷系統(tǒng)之一(Cande et al., 2000)。不同于逐漸變化過渡的典型裂谷活動(東非裂谷、貝加爾裂谷),由于受到該區(qū)巖石圈熱結(jié)構(gòu)和地殼生熱的雙重影響(Huerta and Harry, 2007),自岡瓦納大陸破裂以來(吳珍漢,1995; 任紀舜等, 2019),西南極裂谷系統(tǒng)經(jīng)歷了自擴散型到集中伸展型兩個截然不同的裂谷階段。白堊紀岡瓦納破裂產(chǎn)生了陸殼性質(zhì)的西南極裂谷系統(tǒng),為第一次裂谷活動的開始,組成了羅斯海主要的地殼。這次裂谷作用經(jīng)歷了長期的、幾乎覆蓋西南極全區(qū)的擴散型伸展,拉張量超過200 km(Siddoway et al., 2004)。之后,到新生代開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕l(fā)生在裂谷系統(tǒng)西側(cè)的集中型裂谷(Huerta and Harry, 2007)。這一特殊裂谷活動轉(zhuǎn)變在時間上,與鄰近橫貫南極山脈(TAMs)廣泛的火山活動及北西—南東向走滑斷層在新生代的再度活躍基本同期 (Salvini et al., 1997)。第二次張裂活動的最后一個階段集中在特拉裂谷,它是位于維多利亞地中央的一個中中新世狹長的裂谷帶。反射地震數(shù)據(jù)顯示,自13 Ma以來,特拉裂谷開始張裂,伸張量達10～15 km(Fielding et al., 2006, 2008;Henry et al., 2008)。因此,特拉裂谷作為新生代發(fā)生張裂作用的最后地區(qū),已成為研究西南極裂谷系統(tǒng)構(gòu)造活動的關(guān)鍵。

文中以特拉裂谷為研究區(qū),利用中國南極科考采集的二維地震數(shù)據(jù)(ANT32)以及SDLS(Antarctic Seismic Data Library System)國際共享的地震數(shù)據(jù),結(jié)合多個鉆探計劃的鉆井(CIROS、CRP、AND、DSDP)資料,統(tǒng)一了西羅斯海地區(qū)地震反射界面和地震層序。針對特拉裂谷的斷層樣式和特征,討論其形成機制、活動期次和遞變規(guī)律,揭示構(gòu)造特征及特拉裂谷的影響范圍。同時為了進一步揭示研究區(qū)的綜合地球物理特征,利用基于彈性板模型下的Fan小波相關(guān)技術(shù)獲得了研究區(qū)有效彈性厚度的空間變化特征,從熱力學角度進一步圈定了裂谷的空間展布。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

西南極裂谷系統(tǒng)是東南極克拉通和西南極微陸塊之間的陸內(nèi)裂谷 (Tessensohn and W?rner, 1991),它西接橫貫南極山脈,北為南大洋,東鄰瑪麗伯德地(MBL)。西羅斯海位于西南極裂谷系統(tǒng)的一個末端,主要由5個自晚中生代起走向近南北向的沉積盆地組成,包括東部盆地、中央海槽、維多利亞地盆地、北部盆地和阿黛爾盆地。這些沉積盆地被中央高地和庫爾曼高地這兩個廣闊的高地分割(圖1)。西羅斯海的構(gòu)造演化主要受自岡瓦納大陸破裂以來中生代—新生代的裂谷作用影響(錢維宏, 1997;Fitzgerald, 2002)。裂谷階段早期,造成南極和澳大利亞新西蘭之間的分離(100 Ma;Davey and Brancolini, 1995),形成離散板塊邊緣(李三忠等,2019)。新生代集中伸展型裂谷作用分為4個階段 (Fielding et al., 2006),分別為早期裂谷階段(34～29 Ma)、主要裂谷階段(29～23 Ma)、被動熱沉降階段(23～13 Ma)以及更新裂谷階段(13 Ma至今)。其中更新裂谷階段可進一步分為無明顯巖漿活動(13～8 Ma)的早期和具有明顯巖漿活動的晚期(8 Ma至今)。

西羅斯海新生代的裂谷作用造成了第三紀和第四紀廣泛的巖漿活動(W?rner, 1999),以新生代雙峰式堿性巖漿活動為特征 (Nardini et al., 2009),主要沿著北西—南東向走滑斷層及南北向伸展斷層的相交處發(fā)育 (Granot et al., 2010),羅斯地區(qū)巖漿活動集中在沿西海岸71°—79°S (Behrendt et al., 1991)。新生代堿性巖漿巖主要包括Meander侵入巖和平行于橫貫南極山脈長度超過2000 km的麥克默多火山組(圖1)。麥克默多火山組主要的火山活動自8 Ma開始,至今仍在活躍(Kyle,1990)。地球化學、層析成像、地面露頭及構(gòu)造上的證據(jù)支持新生代玄武巖巖漿來源于深源地幔柱 (Watson et al., 2006; Huerta and Harry, 2007;Ferraccioli, 2009; Nardini, 2009)。

圖1 西羅斯海構(gòu)造區(qū)劃圖、火山巖露頭和主要沉積盆地分布(據(jù)Salvini et al., 1997; Davey and De Santis, 2006; Damaske et al., 2008修改)Fig.1 Tectonic framework of the western Ross Sea illustrating the distribution of igneous rocks and major sediment basins(modified after Salvini et al., 1997; Davey and De Santis, 2006; Damaske et al., 2008)

北部的阿黛爾盆地對羅斯海第二期裂谷活動的重啟具有重要啟示作用,預示著整個新生代活動的開始。從拉張量上來看,從北部的阿黛爾盆地經(jīng)過北部盆地到最南部的特拉裂谷,地殼伸展量逐漸增加 (Fielding et al., 2008;Henrys et al., 2008),顯示了裂谷作用的空間范圍由北向南逐漸增加。特拉裂谷反射地震的研究結(jié)果顯示,沉積盆地內(nèi)發(fā)育大量正斷層,部分甚至延伸到海底,說明裂谷活動可能持續(xù)至今(Hall et al., 2007)。

2 地震反射界面與地震層序

2.1 地震反射界面

西羅斯海新生代地層保留了氣候改變和復雜構(gòu)造的歷史,地震剖面上的關(guān)鍵層位與鉆孔中指示環(huán)境改變的證據(jù)往往吻合,這也說明構(gòu)造和氣候驅(qū)動之間是相關(guān)的。此次利用中國南極科考采集的二維地震數(shù)據(jù)以及國際共享的地震數(shù)據(jù)(圖2),從DSDP 28-273、DSDP 28-274井位中標定相對較為簡單和連續(xù)的地震反射特征,結(jié)合年代地層模型 (Cooper et al.,2008; Granot et al., 2010)作為解釋的指導和參考,將研究區(qū)劃分為8個地震單元(RSS-1至RSS-8,自老至新;圖3),各個單元間由關(guān)鍵地層或不整合分隔(RS-U6至RS-U0,自老至新;圖3)。由于剖面較淺,沉積物較厚,基底在很多區(qū)域較難識別。

圖2 水深和關(guān)鍵測線位置圖Fig.2 Bathymetric map and location of the key survey lines(a) Overview map of the western Ross Sea with seismic surveys referred to in this paper; (b) Detail location of the CHARE 32 lines near the Drygalski Tongue

文中把RSS-1作為初始的地震層序,以低振幅、透明反射、缺少內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)為特征。研究區(qū)內(nèi)部有很多高分辨率冰丘、冰川漂流物和水道堤壩反射,文章對其內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)進行了研究,并給出詳細的解釋。

RS-U6:相當于上下漸新統(tǒng)的分界面,該層位標志著阿黛爾盆地擴張結(jié)束,正斷層重新激活,阿黛爾海槽開始形成。與此同時,維多利亞盆地結(jié)束早期裂谷階段,進入主要裂谷階段(29～23 Ma)。該層位與上覆地層形成明顯的角度不整合,下伏地層地震反射特征表現(xiàn)為中強振幅、高頻、較連續(xù),局部雜亂反射。海槽內(nèi)及附近區(qū)域,RSU6上覆地層與下伏地層間差別非常明顯,下伏地層比較雜亂,而上覆地層則反射清晰,具有層狀的穩(wěn)定反射。

RS-U5:相當于下中新統(tǒng),該層位標志著研究區(qū)南部的羅斯島附近Mt. Morning火山活動的開始,該層位除剖面緊靠陸一側(cè)外,全區(qū)可追蹤。凹陷區(qū)上覆地層中有一套明顯的強振幅、高頻、連續(xù)層狀反射的地層。地層地震反射特征表現(xiàn)為高振幅、連續(xù)反射,同樣由于受到多次波的影響,剖面向海一側(cè)的高地地區(qū)無法識別。

RS-U4:相當于中下中新統(tǒng)的分界面,該層位標志著阿黛爾盆地進入最后的伸展階段,與此同時,特拉裂谷張裂活動開始。第一期斷層活動的痕跡在該層消失。下伏地層地震反射特征表現(xiàn)為強振幅、高頻、連續(xù)層狀反射,阿黛爾海槽內(nèi)該層非常厚,沉積很穩(wěn)定。RS-U4在一些地方被多次波影響消失。

RS-U3:相當于晚中新世,該層位標志著研究區(qū)南部的特拉裂谷進入主要裂谷時期和研究區(qū)的第二期斷層活動。剖面顯示,一套層間斷層和負花狀構(gòu)造都終止于該層。剖面靠陸一側(cè)為削截不整合,下伏地層呈較大角度與不整合面斜交,代表著一次構(gòu)造抬升造成的褶皺變形。剖面向海一側(cè)的高地處,該地層又被上覆地層削截。地層地震反射特征表現(xiàn)為強振幅、高頻、連續(xù)反射,凹陷處缺失。

RS-U2:相當于上新世,該層位標志著研究區(qū)北部阿黛爾盆地地區(qū)和南部羅斯島晚新生代火山活動的開始,并發(fā)生北西—南東向的裂谷作用。此外,研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)第三期斷層活動部分終止于該層。該層為最明顯的一個不整合,表現(xiàn)為剖面向海一側(cè)的高地處作為半地塹的頂層與下伏地層形成一大角度削截的削截不整合;剖面最靠東側(cè)一套進積層序頂超于該層,標志海平面相對靜止;靠近高地處上覆地層上超于該層形成角度不整合,表明該層之后進入海平面相對上升時期;地層地震反射特征表現(xiàn)為強振幅、高頻、連續(xù)反射,凹陷處缺失。

RS-U1:相當于晚上新世,其上發(fā)育一套完整的海進層序,下超于該層,并在靠陸和靠海的高地處都有發(fā)現(xiàn);高地靠東一側(cè)地層削截于該層,形成削截不整合。地層地震反射特征表現(xiàn)為強振幅、高頻、連續(xù)反射。

RS-U0:作為最新的一套地層的底,代表最新的一套地層沉積,與下伏地層形成明顯的大角度削截不整合,發(fā)育在剖面緊靠陸一側(cè)的高地上,最終下超于RS-U3。最新的這套沉積層成層性非常好,內(nèi)部近平行,波阻抗界面表現(xiàn)為強振幅、高頻,可能對應(yīng)DSDP 28-273鉆得的最新的一層硅藻粉質(zhì)粘土層。

2.2 地震層序與典型剖面

地震反射界面相對應(yīng)的地震層序分別為RSS-1—RSS-8(圖3),下面就重點地震層序進行描述。

圖3 西羅斯海鉆孔巖芯地質(zhì)年代和地震地層框架(據(jù)Cooper et al.,2008;Granot et al., 2010修改)Fig.3 Stratigraphic sequence histogram of the western Ross Sea (modified after Cooper et al.,2008;Granot et al., 2010)

RSS-4地層為高振幅平行反射。地層厚度變化劇烈。一套層間斷層在RSS-4地塹區(qū)域發(fā)育,與該層巖性有關(guān)。層間斷層往往發(fā)育在像頁巖和泥巖這樣較軟的地層中。通過鉆孔得知,RSS-4為冰川海相沉積,巖性上,粒度更大,孔隙度更高,所以在此發(fā)育層間斷層。

RSS-5地層以高振幅水平連續(xù)反射為特征。該套地層反射軸間非常平行連續(xù),全區(qū)厚度基本一致,斷層區(qū)域內(nèi)部反射清晰,斷層區(qū)域和東部地區(qū)該套地層尖滅。該套地層內(nèi)部朝著陸坡方向有更為復雜的二級、三級不整合,地層內(nèi)部發(fā)育冰磧和冰舌。

RSS-6地層內(nèi)部發(fā)育三種沉積體,分別為古水道,重力滑坡以及冰磧巖。反射特征為較高的振幅,是由于地層內(nèi)部具有一定尺寸的顆粒(例如濁流水道),造成該現(xiàn)象與向著陸坡增長的重力驅(qū)動和沿著陸坡底部的洋流驅(qū)動沉積物搬運過程(滑坡構(gòu)造)有關(guān)。

RSS-7基本上為中—低振幅,接近橫貫南極山脈前緣表現(xiàn)為高振幅反射,遠離橫貫南極山脈地區(qū)地層缺失。該套地層厚度較薄,且變化明顯。內(nèi)部反射平行但不連續(xù)。該套地層明顯受冰川作用影響,內(nèi)部具有清晰的冰川不整合,并發(fā)育冰下三角洲。

基于研究區(qū)的地震剖面識別出地層、地層單元和層序邊界。在研究區(qū)中部選取了典型地震剖面片段作為代表,該剖面位于盆地中央,所以沉積層較厚,受干擾程度較小,保留了絕大部分盆地單元相(圖4)。

圖4 研究區(qū)典型地震剖面Fig.4 Typical seismic profiles in the study area

3 西羅斯海特拉裂谷地區(qū)斷層活動

3.1 斷層樣式和組合形式

研究區(qū)多階段的斷層活動都發(fā)生在17 Ma之后,有些斷層刺穿了海底面,表明新近紀裂谷活動可能現(xiàn)今仍在繼續(xù)。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育伸展斷層,大部分正斷層傾角為60°～90°,相對偏移距離較短。主要斷層和次級斷層走向皆為南北向或者北北東向。南北向正斷層的產(chǎn)出表明裂谷作用主要沿東西向發(fā)育。

在峽谷拉張斷陷的邊緣,典型地震剖面上呈上陡下緩的凹面向上鏟狀同沉積斷層(圖5),下降盤地層明顯增厚,斷距隨地層年齡和深度明顯增大。該套同沉積斷層組合呈骨牌式,即由走向、傾向相同的多條斷層平行排列構(gòu)成,向海一側(cè)的海底高地上斷層整體走向為北東—南西,傾向為北西?？筷懸粋?cè)的冰下峽谷處發(fā)育一套走向為北西—南東、傾向南東的斷層,并于高地處形成半地塹(圖5)。由于斷層傾向大致相同,傾角基本相近,推測這些斷層應(yīng)該在相同的時期形成。這套同沉積斷層的形成是在拉張應(yīng)力作用下,巖石塊體沿剪切破裂面發(fā)生斷裂的結(jié)果。

圖5 北西—南東向同沉積斷層二維地震典型剖面Fig.5 Seismic reflection profiles of NW-SE syn-sedimentary faults

在構(gòu)造活動盆地中,構(gòu)造活動控制的古地貌影響著物源的輸入、可容納空間的變化以及沉降和沉積中心的分布。同沉積斷層的組合特質(zhì)及其形成的特定構(gòu)造古地貌,制約著沉積體系的分散過程及堆積位置及展布范圍。根據(jù)邊界斷層、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、平面展布、構(gòu)造位置以及發(fā)育演化階段等特點,將該區(qū)劃分為斷崖型和同向斷階型兩類斷裂組合樣式。斷崖式斷裂構(gòu)成樣式往往由盆地邊緣控制斷層形成,地形強烈變化,斷層產(chǎn)狀高陡,往往在斷層下為沉降最強烈部位,水體較深。物源體系進入峽谷后,就近迅速堆積形成類似扇三角洲的河道。水系分散和沉積體規(guī)模小、沉積相帶窄是最顯著的特點。同向斷階型可以形成在盆地的陡坡帶,也可以形成盆地的緩坡帶,向盆地方向地貌變陡。同向斷階型在每一個斷層下降盤形成可容納空間突變,從而在不同斷階部位控制主體沉積相發(fā)生突變。

在地塹區(qū)RSS-4地層中發(fā)育一套伸展層間斷層,其他區(qū)域鮮有發(fā)現(xiàn),在剖面上表現(xiàn)為板狀正斷層(圖6)。由于該組層間斷層只在此地層中發(fā)育,沒有刺穿RS-U3,對其上的地層沒有影響,推測層間斷層的形成至少在RS-U3以后,即10 Ma以來形成,可能與該區(qū)第二期斷層活動一致;形成深度在1.5～2 km之間;走向同樣為北東和北西兩個方向;傾角不大,有的近乎直立;影響范圍大約2 km。Cartwright and Dewhurst(1998)對北海盆地等其他27個盆地中層間斷層進行研究發(fā)現(xiàn),全球?qū)娱g斷層主要發(fā)育在新生代(在個別白堊紀地層中也有發(fā)現(xiàn))被動大陸邊緣深海、半深海和近海上超環(huán)境及陸內(nèi)克拉通盆地的細粒沉積物地層中。

圖6 北西—南東向?qū)娱g斷層二維地震典型剖面Fig.6 Seismic reflection profiles of NW-SE intra-layer faults

通過鉆孔可知,RSS-4地層為冰川海相沉積和冰磧物,巖性上粒度較粗,孔隙度較高,因此較上下地層更易滑動,這與被當今地質(zhì)學界普遍接受體積收縮模式的前提條件相同,表明其主要是由于地層壓實成巖過程中體積收縮作用形成。因此,推測在拉張作用下的體積收縮機制控制著研究區(qū)層間斷層的形成。

靠陸一側(cè)的高地除發(fā)育一套走向北東—南西、傾向北西的斷層外,還發(fā)育了負花狀構(gòu)造(圖7)。其形成過程為,各級斷層的上盤巖體由于重力的不均衡而產(chǎn)生次級反向斷層,從而彌合塊體之間形成的空隙,直到應(yīng)力達到重新平衡。該組負花狀構(gòu)造發(fā)育不完全,在形態(tài)上不對稱,一系列走向北西—南東小的扭斷層只朝走向北東—南西的主干斷層一邊散開,形成不對稱的傾斜斷塊(圖7)。分支斷層只在RSS-4中發(fā)育,主干斷層和分支斷層都斷到RS-U3,并在斷層附近發(fā)現(xiàn)一系列削截點。RS-U3在該處為一明顯的角度不整合,證明該時期發(fā)生了一期轉(zhuǎn)換拉張作用,主要影響范圍在區(qū)內(nèi)緊靠陸一側(cè),因而形成了該套具有負花狀特征的斷層。從形態(tài)上看,該負花狀構(gòu)造為背形負花狀構(gòu)造,成因上很容易被解釋成反轉(zhuǎn)機制,并認為它們是受到了擠壓或者壓扭作用而導致的正反轉(zhuǎn)。但該背形負花狀構(gòu)造中的背斜和高角度正走滑斷層均呈雁列式排列,并與主走滑斷層斜交;同時,它們發(fā)育在拉伸作用的背景下。這兩方面因素表明與走滑斷層相關(guān)的褶皺作用更適合解釋背形負花狀構(gòu)造的成因,斷層上覆狹長的褶皺屬于牽引強制褶皺。只要存在走滑斷層牽引非強硬的上覆地層產(chǎn)生皺褶和滑脫,就可以形成背形負花狀構(gòu)造(圖7)。

圖7 北西—南東向負花狀構(gòu)造二維地震典型剖面Fig.7 Seismic reflection profiles of NW-SE negative flower structures

3.2 新生代斷層活動期次

區(qū)內(nèi)斷層活動可以分成三個期次:第一期斷層活動斷到RS-U4,由于區(qū)內(nèi)斷層活動具有明顯的繼承性,即每一期的斷層活動都是在上一期斷層的基礎(chǔ)上受到新的構(gòu)造活動的影響繼續(xù)斷裂地層而成,所以第一期斷層鮮少被發(fā)現(xiàn),僅發(fā)現(xiàn)一條斷層發(fā)育在地塹中;第二期斷層活動斷到RS-U3,有的刺穿該地層,但是沒有刺穿RS-U2,并且在RSS-4中發(fā)育了層間斷層和負花狀構(gòu)造,該期斷層活動的影響范圍較第一期規(guī)模大很多,主要分布在剖面靠近大陸一側(cè)和低洼處,向海一側(cè)沒有發(fā)現(xiàn);第三期斷層活動影響范圍最大,分布范圍覆蓋全區(qū),向海一側(cè)的高地上斷到RS-U2,靠近陸一側(cè)有斷層斷穿RS-U2至更新的地層,說明在上一期構(gòu)造活動后,又發(fā)生了新一期規(guī)模較小的拉張作用。兩組走向的斷層在峽谷低凹處形成地塹(圖5),規(guī)模大于4 km。從時間上看,第一期斷層活動對應(yīng)著區(qū)域北部阿黛爾盆地內(nèi)主要斷層的活動時期,不晚于中中新統(tǒng)。說明當時北部的阿黛爾盆地內(nèi)這期規(guī)模較大的構(gòu)造活動并沒有影響到南部區(qū)域。這一時期也標志著特拉裂谷裂谷作用的開始。第二期斷層活動發(fā)生時間不早于晚中新世,這一時期也正是南部特拉裂谷裂谷作用的主要發(fā)育時期,受到拉張作用的影響,開始在區(qū)域低洼處形成地塹。第三期斷層活動發(fā)生時間不早于上新世,該時期可以看做特拉裂谷裂谷作用的又一活動期,主要發(fā)生了北西—南東向的裂谷作用,也造成羅斯島廣泛的巖漿活動。

從上述分析可以看出,一套層間斷層和一套負花狀構(gòu)造都發(fā)生在RSS-4地層中,沒有刺穿RSU3(圖5,圖6),其位置位于區(qū)域北部。相較于北部,區(qū)域南部斷層活動比較新,幾乎都發(fā)生在最后一期,很難找到第二期斷層活動的蹤跡。然而,由于新采集的地震剖面覆蓋范圍較小,很難得出總結(jié)性的結(jié)論,進而又參考了西羅斯海的公開地震數(shù)據(jù)(圖2),分別選取位于南部靠近羅斯島,在特拉裂谷附近的一條典型剖面(圖8a;位置見圖2),以及位于西羅斯海最北部阿黛爾盆地內(nèi)的一條典型剖面(圖8b;位置見圖2)進行研究。從圖8中可以對比看出,北部斷層活動時間較早,大多活躍在中中新統(tǒng);而南部顯然斷層活躍的時間更晚,幾乎在上新世甚至之后還在繼續(xù)活動。結(jié)合上文所述,得出斷層活動時間有從北向南逐漸變新的遞變規(guī)律。而這種遞變規(guī)律主要是受到裂谷作用的影響。中中新世以后,自阿黛爾盆地向南經(jīng)北維多利亞地盆地到特拉裂谷盆地拉張量逐漸增加,裂谷作用向南一直增長,阿黛爾盆地大部分拉伸作用已經(jīng)傳遞到北部盆地陸架。因此,從北向南逐漸傳遞的裂谷作用是造成斷層活動時間具有遞變性規(guī)律的根本原因。

圖8 SDLS公開數(shù)據(jù)闡釋斷層活動Fig.8 Seismic line from SDLS illustrating faulting activity(a) Seismic profile in the Terror Rift. The timing of fault activity is even later, and is still active after the Pliocene; (b) Seismic profile in the Adare Basin. The timing of fault activity is earlier, mostly from the Miocene.

3.3 特拉裂谷影響范圍及有效彈性厚度空間變化特征

3.3.1 特拉裂谷影響范圍

特拉裂谷作為西南極裂谷系統(tǒng)裂谷作用的最后發(fā)生地,其形成機制、演化過程等一直被廣泛討論 (Cooper et al., 1987; Hall et al., 2007; Henrys et al., 2008; Ji et al., 2017)。裂谷活動的影響范圍是研究裂谷作用的重要因素。目前,特拉裂谷南部界限較為清晰,影響范圍一直到最南部的羅斯島。羅斯島晚新生代大規(guī)模的巖漿活動,也與該裂谷作用有關(guān)。然而,由于地震資料較老,多次波明顯,可識別深度較淺,分辨率不足,缺乏巖石樣品等原因,造成特拉裂谷北部的影響范圍模糊不清。中國南極科學考察近年來新采集的地震剖面,很好的給出了答案(圖9)。因此,文中利用這些數(shù)據(jù)得出ANT32-1向海一側(cè)的高地處,ANT32-3的低洼處和向海一側(cè)的高地處前緣,ANT32-5的靠陸一側(cè)都受到特拉裂谷裂谷作用最后一期的影響(剖面位置見圖2b)。然而,繼續(xù)向北的剖面中很難發(fā)現(xiàn)特拉裂谷的影響。因此,特拉裂谷的影響范圍并不僅僅在凹陷地區(qū),高地處也受到其拉伸作用的影響。

圖9 特拉裂谷影響范圍(水深圖據(jù)徐澤等,2018修改)Fig.9 Scale of the influence of the Terror Rift(Bathymetric map after Xu et al., 2018)

3.3.2 特拉裂谷有效彈性厚度空間變化特征

為了進一步揭示研究區(qū)的綜合地球物理特征,采用Fan小波相關(guān)法(Kirby and Swain, 2011)獲得了研究區(qū)有效彈性厚度(EET)的空間變化特征(圖10)。該方法基于兼顧表層和內(nèi)部載荷的Forsyth彈性薄板模型(Forsyth, 1985),利用Fan小波分析技術(shù)計算地形和布格重力異常的預測相關(guān)性,通過判斷與觀測相關(guān)性的接近程度確定最終的反演EET值。大多數(shù)譜方法利用傅里葉變換反演EET,存在對反演結(jié)果的空間分辨率和絕對值準確性之間的必要取舍(Lowry and Smith, 1995;Pérez-Gussinyé et al., 2007)。Fan小波相關(guān)法利用連續(xù)小波變換,計算任意網(wǎng)格點的多尺度地形和重力的功率譜,并擬合得到最優(yōu)的EET值,從而克服了需要選擇窗口大小帶來的人為干預問題。文中采用的研究數(shù)據(jù)和具體計算流程可參見Ji et al.(2017),反演結(jié)果見圖10。

圖10 西羅斯海地區(qū)有效彈性厚度空間變化特征Fig.10 Variations in the EET values of the western Ross Sea

高EET值位于橫貫南極山脈內(nèi)陸區(qū),與東南極克拉通的高強度特征相一致。橫貫南極山脈前緣是周邊區(qū)域的低值區(qū),走向基本與海岸線平行,由北面阿黛爾盆地向南經(jīng)過北部盆地、維多利亞地盆地一直延伸到羅斯海冰架下方,指示了整個研究區(qū)巖石圈強度最弱的位置。從空間上看,該低值帶在火山形成的島嶼羅斯島附近最寬,可以達到350 km。地震層析成像的研究表明在羅斯島上地幔存在明顯低速異常 (Lawrence et al., 2006; Watson et al., 2006)。近年來橫貫南極山脈北段地區(qū)地震臺網(wǎng)陸續(xù)建立,最新的P波低速度異常和負的徑向各向異性研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部的軟流圈上涌對應(yīng)特拉裂谷的位置,并指示了與裂谷有關(guān)的巖石圈拉張 (Zhang et al., 2020)。

目前傳統(tǒng)的觀點認為,特拉裂谷兩端介于Erebus火山(78°S附近)和北面的Melbourne火山(74°S附近)之間,沿著近南北走向展布(圖1)。由于整個橫貫南極山脈前緣是羅斯海新生代拉張的影響區(qū)域,EET受后期熱活動改造的影響非常明顯(Lowry and Smith, 1995)。因此,EET的低值區(qū)域不僅指示了特拉裂谷的拉張活動,同時包含了北部盆地和阿黛爾盆地的熱活動,表現(xiàn)為與低地震波速度和低密度異常區(qū)具有高度的空間一

致性 (Graw et al., 2016; 紀飛等, 2019; Zhang et al., 2020)。由此可以斷定,橫貫南極山脈前緣的巖石圈強度的低值區(qū)域與本研究中地震反射剖面揭示的結(jié)果類似,即特拉裂谷的影響范圍在東西向上更為寬闊,可能延伸到凹陷區(qū)域以外。然而,目前從熱力學角度無法確定特拉裂谷的南北向邊界,高分辨率的地震反射數(shù)據(jù)仍是圈定該構(gòu)造單元邊界的關(guān)鍵手段。

4 結(jié)論

基于中國南極科考采集的二維地震數(shù)據(jù)(ANT32)和SDLS(Antarctic Seismic Data Library System)國際共享的地震數(shù)據(jù),并結(jié)合鉆井資料對西南極特拉裂谷綜合地球物理特征進行研究,主要結(jié)論如下。

(1)總結(jié)了研究區(qū)斷層組合樣式,包括同沉積、層間和負花狀斷層。圈定了特拉裂谷的影響范圍,發(fā)現(xiàn)不僅在凹陷地區(qū),在高地處也受到其拉伸作用的影響。區(qū)內(nèi)新生代斷層活動分為三期,對應(yīng)特拉裂谷的發(fā)育期次;其中第三期斷層活動發(fā)生時間不早于上新世,與羅斯島廣泛的巖漿活動有關(guān)。每期斷層活動間具有明顯的繼承性,活動時間由北部阿黛爾盆地向南部特拉裂谷越來越新,呈遞變性,其根本原因是從北向南逐漸傳遞的裂谷作用。

(2)研究區(qū)有效彈性厚度的低值區(qū)指示了整個新生代裂谷活動的影響范圍,沿著橫貫南極山脈自北端的阿黛爾盆地向南延伸到羅斯冰架,然而EET無法分辨次級的構(gòu)造單元之間的邊界。此外,與地震反射剖面解釋結(jié)果類似,東西向受裂谷活動熱影響區(qū)域較為寬闊,可能延伸到凹陷以外區(qū)域。