西南極中—新生代古地磁與板塊重建研究進(jìn)展

高 亮

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院,北京 100083

0 引言

橫貫?zāi)蠘O山脈(Transantarctic Mountains)將南極大陸分為東南極 (East Antarctica)與西南極(West Antarctica)。其中東南極位于橫貫?zāi)蠘O山脈以東,是在前寒武紀(jì)變質(zhì)基底之上發(fā)育而成,其上覆蓋有古生代沉積巖,并被以侏羅紀(jì)杜費(fèi)克雜巖體(Dufex Complex)、弗拉爾粒玄巖巖床 (Ferrar Dolerite)及柯克帕特里克(Kirkpatrick)玄武巖為代表的的基性巖漿侵入或覆蓋(Fitzsimons, 2000;陳廷愚等, 2008),普遍發(fā)育格林維爾與泛非兩期高級(jí)變質(zhì)事件(Zhao et al., 1992, 1995;趙越, 1993;Liu et al., 2003, 2006;陳廷愚等, 2008;劉曉春, 2018)。西南極位于橫貫?zāi)蠘O山脈以西,其東側(cè)為威德?tīng)柡?西側(cè)受到太平洋板塊自古生代以來(lái)俯沖作用的持續(xù)影響,主要包括以下5個(gè)地質(zhì)單元:斯科舍弧(Scotia Arc)、南極半島(Antarctic Peninsula)、瑟斯頓島-埃茨海岸(Thurston Island-Eights Coast)、瑪麗·伯德地(Marie Byrd Land)與埃爾斯沃思山脈(Ellsworth Mountains) (Dalziel, 1982)。這些地質(zhì)單元經(jīng)歷了不同的構(gòu)造演化,具有不同的地質(zhì)記錄,由大規(guī)模斷層或洋殼分隔。新西蘭曾為西南極的一部分,與瑪麗·伯德地相連,晚白堊世之后逐漸向北運(yùn)動(dòng)到目前的位置 (Cande et al., 1995;Mukasa and Dalziel, 2000)。與東南極相對(duì)穩(wěn)定的克拉通相比,西南極地塊中生代以來(lái)經(jīng)歷了板塊運(yùn)動(dòng)及與之相關(guān)的構(gòu)造-巖漿-成礦作用,這與岡瓦納大陸的形成與裂解息息相關(guān)。因此,對(duì)不同地塊開(kāi)展古大陸重建對(duì)理解岡瓦納大陸邊緣板塊匯聚、裂解過(guò)程、成礦成藏效應(yīng)及其地球動(dòng)力學(xué)背景具有重要意義。古地磁學(xué)能半定量約束板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程,從不同空間與時(shí)間尺度重建巖石圈構(gòu)造演化,在板塊構(gòu)造研究中發(fā)揮著重要作用,相關(guān)學(xué)者們?cè)谖髂蠘O開(kāi)展了一定程度的古地磁與古大陸重建工作,文章總結(jié)了這些在西南極發(fā)表的中—新生代古地磁數(shù)據(jù),結(jié)合東南極同期視極移曲線,對(duì)東南極與西南極不同地塊開(kāi)展了古大陸重建,探討了其代表的大地構(gòu)造意義。

1 南極半島與南設(shè)得蘭群島中—新生代古地磁學(xué)研究

1.1 地質(zhì)背景

南極半島位于西南極最北端,靠近南美板塊,其形成過(guò)程及構(gòu)造屬性仍存在一定爭(zhēng)議(圖1)。Suárez(1976)提出南極半島是發(fā)育在岡瓦納大陸邊緣,在古太平洋板塊俯沖下形成的以中—新生代的巖漿弧為主的地體,發(fā)育了完整的溝-弧-盆體系。 之 后,Vaughan and Storey(2000) 和Vaughan et al.(2002)在南極半島南部識(shí)別出大規(guī)模脆性-脆韌性東帕默地剪切帶(Eastern Palmer Land Shear Zone),并通過(guò)對(duì)同變形期花崗巖脈40Ar-39Ar同位素定年,將剪切事件發(fā)生時(shí)間限定在106.9±1.1與102.8±3.3 Ma,并將這次構(gòu)造事件被命名為“帕默地事件”。在此基礎(chǔ)上Vaughan and Storey(2000)根據(jù)剪切帶兩側(cè)地質(zhì)特征的不同,將南極半島劃分為3個(gè)構(gòu)造域,包括西部構(gòu)造域 (Western domain)、中部構(gòu)造域 (Central domain)與東部構(gòu)造域(Eastern domain),提出了兩個(gè)南極半島拼合模型:一是中西部構(gòu)造域作為外來(lái)地體在中—晚侏羅世時(shí)向東俯沖至東部構(gòu)造域之下;二是東部構(gòu)造域中—晚侏羅世時(shí)向西俯沖至中-西部構(gòu)造域之下。兩種模式中的中部與東部構(gòu)造域都是在晚侏羅世發(fā)生了“軟碰撞”和之后的走滑擠壓以及抬升剝蝕,中白堊世時(shí)發(fā)生了“硬碰撞” (帕默地事件) (Vaughan and Storey, 2000;Vaughan et al., 2002)。其中,西部構(gòu)造域包括南極半島南部的亞歷山大島 (Alexander Island)、阿德萊德島 (Adelaide Island) 與南極半島北部的南設(shè)得蘭群島 (South Shetland Islands),主要地層為亞歷山大島濁積巖、外來(lái)洋底玄武巖與沉積巖組成的侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)勒梅群(LeMay Group)和南設(shè)得蘭群島斯科舍雜巖群 (Scotia Metamorphic Complex) (Holdsworth and Nell, 1992;Vaughan et al., 2002)。在亞歷山大島出露了大面積的三疊系和上石炭統(tǒng)—二疊系含生物化石砂巖(Willan, 2003),亞歷山大島弧前盆地的增生雜巖楔形成時(shí)間為中侏羅世—中白堊世。Vaughan and Storey(2000)通過(guò)將西部構(gòu)造域與新西蘭東部、智利中南部以西和北巴塔哥尼亞增生變質(zhì)雜巖進(jìn)行對(duì)比,提出西部構(gòu)造域可能是古太平洋板塊向中部構(gòu)造域俯沖過(guò)程中發(fā)育在中部構(gòu)造域西側(cè)的弧前增生楔或者外來(lái)地體。

圖1 南極半島地質(zhì)簡(jiǎn)圖 (據(jù)Hathway et al., 1999; Vaughan and Storey, 2000; Burton-Johnson and Riley, 2015修改)Fig.1 Simplified geological map of the Antarctic Peninsula (modified after Hathway et al., 1999; Vaughan and Storey, 2000; Burton-Johnson and Riley, 2015)(a) Location of different geological domains of Antarctica;(b) Simplified geological map of the Antarctic Peninsula

中部構(gòu)造域位于東帕默地剪切帶以西,正片麻巖變質(zhì)基底主要出露在帕默地西北部,被侏羅紀(jì)—新生代輝長(zhǎng)巖、花崗巖等侵入(Vaughan and Storey, 2000; Zheng et al., 2018)。對(duì)喬治六世海峽(George VI Sound)開(kāi)展的多倍地震反射與寬角反射/折射地震圖像顯示,南極半島南部中、西部構(gòu)造域被伸展背景下的正斷層所分隔 (Bell and King, 1998)。根據(jù)航空物探資料以及不同的巖石組合,Ferraccioli et al.(2006)將中部構(gòu)造域進(jìn)一步分為西部(長(zhǎng)英質(zhì))與東部(鎂鐵質(zhì))地區(qū),提出東西部拼貼導(dǎo)致東帕默地剪切帶的形成。Vaughan and Storey(2000)將中部構(gòu)造域與新西蘭中部構(gòu)造帶、瑪麗·伯德地、智利北部的科迪勒拉山系進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為其為外來(lái)地體拼貼到東部構(gòu)造域。

東帕默地剪切帶將中部構(gòu)造域與東部構(gòu)造域分開(kāi),東部構(gòu)造域作為古生代時(shí)岡瓦納大陸的延伸,主要由中生代沉積盆地與岡瓦納大陸裂解時(shí)產(chǎn)出的中侏羅世鈣堿性硅質(zhì)大火成巖省(Chon Aike silicic large igneous province)、格雷厄姆地(Graham Land)晚石炭世—晚三疊世特里尼蒂半島群(Trinity Peninsula Group)濁積巖、侏羅系普思特山組 (Mount Poster Formation)鈣堿性火山巖、拉塔迪組(Latady Formation)海相到陸相的砂巖/泥巖組成 (Hathway, 2000;Riley et al., 2001)。區(qū)內(nèi)出露的最老沉積地層是埃爾斯沃斯地(Ellsworth Land)晚古生代菲茨杰拉德組(Fitzgerald Formation)和厄文組 (Erewhon Formation),含二疊系舌羊齒類(lèi)化石 (Laudon, 1991;陳廷愚等,2008)。拉塔迪組出露在南極半島南部的拉塔迪盆地(Latady Basin),在白堊紀(jì)時(shí)被拉塞特海岸花崗巖-輝長(zhǎng)巖 (Lassiter Coast Intrusive Suite)廣泛侵入,巖漿活動(dòng)主要分為3期,分別是130～126 Ma,118～113 Ma,和108～102 Ma(Riley et al., 2018)。 Burton-Johnson and Riley(2015)通過(guò)搜集整理南極半島不同構(gòu)造域的地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理等資料,提出南極半島不同構(gòu)造域具有相同年代與地球化學(xué)特征的變質(zhì)基底,其上發(fā)育的地層也可對(duì)比,提出南極半島非外來(lái)地體拼貼組成,而是古太平洋板塊持續(xù)俯沖作用下發(fā)育在南極大陸邊緣的典型的溝-弧-盆體系,支持Suárez(1976)最初提出的觀點(diǎn)。

南極半島的巖漿活動(dòng)至少始于泥盆紀(jì)(Riley et al., 2012)并且持續(xù)到～23 Ma(Jordan et al., 2014),目前已發(fā)現(xiàn)兩期主要的巖漿活動(dòng),第一期可區(qū)分出3次與伸展有關(guān)的以酸性巖漿巖為主的巖漿作用,分別發(fā)生于187～182 Ma、171～167 Ma和157～153 Ma,這些巖漿活動(dòng)可能與岡瓦納大陸的裂解有關(guān) (Riley et al., 2010)。第二期以鈣堿性與拉斑玄武巖為主,時(shí)代從早—中白堊世到中新世(Haase et al., 2012),與古太平洋板塊俯沖有關(guān)。南設(shè)得蘭群島位于南極半島北西端,布蘭斯菲爾德海峽 (Bransfield Strait)在上新世之后將南極半島與南設(shè)得蘭群島分開(kāi)(Haase et al., 2012)。南設(shè)得蘭群島火山活動(dòng)自早白堊世到中新世,呈現(xiàn)出自西南向東北逐漸變年輕的趨勢(shì),但這種趨勢(shì)在古近紀(jì)之后發(fā)生了變化,因?yàn)樵诶乃诡D島赫德半島 (Hurd Peninsula)以及雪島總統(tǒng)角(Present head,Snow Island)、羅伯特島銅礦半島(Coppermine Peninsula,Robert Island)等地出現(xiàn)了古近紀(jì)的基性巖脈、巖墻,晚更新世以來(lái)火山活動(dòng)又開(kāi)始活躍(劉小漢和鄭祥身, 1988;李兆鼐等, 1992;Haase et al., 2012)。

1.2 中—新生代古地磁研究

相關(guān)學(xué)者在南設(shè)得蘭群島與南極半島開(kāi)展了比較豐富的古地磁研究。Blundell(1962)最早在南極半島開(kāi)展了古地磁研究,通過(guò)對(duì)安第斯侵入巖的古地磁研究獲得了南極半島白堊紀(jì)古地磁極位置。Hamilton(1966)重新解釋了 Blundell(1962)的古地磁數(shù)據(jù),提出已有的古地磁數(shù)據(jù)支持南極半島弧形構(gòu)造是由構(gòu)造變形導(dǎo)致。Dalziel et al.(1973)對(duì)南設(shè)得蘭群島利文斯頓島(Livingston Island) ～40 Ma的侵入巖進(jìn)行了古地磁研究,提出南極半島的弧形構(gòu)造形成于～40 Ma以前,由于測(cè)年方法的限制,其提出的侵入巖年齡可能不準(zhǔn)確。Kellogg and Reynolds(1978)對(duì)南極半島南部的拉塞特海岸侵入巖進(jìn)行了古地磁研究,所有樣品均為正極性,對(duì)其中3個(gè)樣品中黑云母與角閃石K-Ar定年得到平均年齡為99 Ma,所以火山巖形成于白堊紀(jì)超正極性帶,結(jié)合Blundell(1962)和Dalziel et al.(1973)在南極半島北部的古地磁數(shù)據(jù),認(rèn)為南極半島北部在～100 Ma之后沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。Watts(1982)報(bào)道了喬治王島菲爾德斯半島 (Fildes Peninsula,King George Island)早始新世古地磁結(jié)果,認(rèn)為早始新世以來(lái),南極半島相對(duì)于東南極沒(méi)有發(fā)生明顯相對(duì)運(yùn)動(dòng)。Watts et al.(1984)對(duì)喬治王島華沙半島(Warszawa Block)埃斯庫(kù)拉灣群與亨內(nèi)克角群(～49 Ma)、雪島總統(tǒng)角巖脈(～54 Ma)、格林威治島(Greenwich Island)侵入巖 (～82 Ma) 以及利文斯頓島拜爾斯半島 (Byers Peninsula)火山巖(～96 Ma)進(jìn)行了古地磁研究,對(duì)比東南極以及Kellogg(1980)在南極半島南部奧維爾海岸(Orville Coast)古地磁結(jié)果,提出南極半島北部與奧維爾海岸從～100 Ma至今沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。Longshaw and Griffiths(1983)對(duì)東格雷厄姆地侏羅紀(jì)侵入巖與火山熔巖開(kāi)展了古地磁研究,獲得了～175 Ma的古地磁極(48.0°S,238.0°E,A95=9.5°)。Grunow(1993)通過(guò)在南極半島北部以及南設(shè)得蘭群島古地磁研究,結(jié)合相關(guān)學(xué)者的數(shù)據(jù),獲得了南極半島-南設(shè)得蘭群島～155 Ma(64.0°S,124.0°E,A95=7.1°)、 ～140 Ma(60.0°S,50.0°E,A95=9.5°)、 ～130 Ma(74.0°S,182.0°E,A95=5.9°)、 ～110 Ma(71.0°S,201.0°E,A95=8.1°)、 ～100 Ma (85.0°S, 103.0°E, A95=6.0°)、～90 Ma(86.0°S,152.0°E,A95=7.5°)和～50 Ma(78.0°S,21.0°E,A95=7.5°)的古地磁極,在與東南極古地磁極進(jìn)行對(duì)比后,提出南極半島相對(duì)于東南極在175～155 Ma之間發(fā)生了順時(shí)針旋轉(zhuǎn),與之對(duì)應(yīng)的是威德?tīng)柡Ｒ约澳１瓤撕退黢R里盆地的打開(kāi)。在155～130 Ma之間,南極半島相對(duì)于東南極發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),對(duì)應(yīng)于威德?tīng)柡Ｅ钄U(kuò)張中心北移,并且Grunow(1993)認(rèn)為南極半島東南部帕默地構(gòu)造事件與威德?tīng)柡Ｏ蚰蠘O半島的俯沖有關(guān),而現(xiàn)在威德?tīng)柡Ｅ栉髂喜靠赡苓€殘存有侏羅紀(jì)海盆。

Nawrocki et al.(2010)對(duì)喬治王島華沙半島火山巖開(kāi)展了古地磁與同位素年代學(xué)研究,重新厘定了華沙半島內(nèi)地層的年代,得到的數(shù)據(jù)顯示華沙半島相對(duì)于東南極克拉通發(fā)生了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),推斷是由大型走滑斷裂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的局部構(gòu)造旋轉(zhuǎn),但Poblete et al.(2011)認(rèn)為其多數(shù)火山巖數(shù)據(jù)沒(méi)有平均掉長(zhǎng)期變,而非構(gòu)造旋轉(zhuǎn)引起的磁偏角異常。Poblete et al.(2011)在南設(shè)得蘭群島與南極半島北部部分地區(qū)開(kāi)展了古地磁研究,結(jié)合Grunow(1993)和Watts et al.(1984)的數(shù)據(jù),排除掉南設(shè)得蘭群島與南極半島之間存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)以及火山巖長(zhǎng)期變沒(méi)有被平均掉的可能性后,得到南設(shè)得蘭群島與南極半島北部～60 Ma與～90 Ma的古地磁極,重建了南極半島與南美板塊～60 Ma與～90 Ma的古構(gòu)造位置,提出南極半島北部存在比較廣泛的～90 Ma的重磁化影響。Milanese et al.(2019, 2020)在南極半島東側(cè)北端的詹姆斯羅斯島 (James Ross Island)與內(nèi)瓦多島(Nevado Island)開(kāi)展了古地磁研究,獲得了南極半島～80 Ma的古地磁極,通過(guò)與相關(guān)學(xué)者數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,支持南極半島自～90 Ma以來(lái)沒(méi)有發(fā)生大規(guī)模運(yùn)動(dòng)。而在內(nèi)瓦多島的古地磁研究顯示其相對(duì)于西摩島(Seymour Island)與詹姆斯羅斯島發(fā)生了47.9°±20.0°的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),通過(guò)對(duì)比西摩島與內(nèi)瓦多島古地磁偏角與地層走向發(fā)現(xiàn)兩者變化一致,因此將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)歸結(jié)為走滑斷層引起的地塊旋轉(zhuǎn)。

中國(guó)在南極半島-南設(shè)得蘭群島的古地磁研究始于上世紀(jì)80年代,早期的研究主要集中在長(zhǎng)城站所在的喬治王島菲爾德斯半島內(nèi),1986年10月到1987年5月期間,金慶民等在菲爾德斯半島采集了古地磁樣品,提出菲爾德斯半島自始新世以來(lái)向赤道方向移動(dòng)了大約3°(馮寧生等, 1989)。1986年l1月至1989年3月,鄭祥身兩次在菲爾德斯半島利用便攜式汽油鉆機(jī)采集了古地磁樣品,繪制了西南極自侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)至始新世的視極移曲線,初步討論了岡瓦納裂解過(guò)程中澳大利亞與南極洲相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及菲爾德斯半島古地理位置(劉椿等, 1991)。在這之后,中國(guó)在南極半島-南設(shè)德蘭群島的古地磁學(xué)研究中斷,直到Gao et al.(2018)通過(guò)中國(guó)第31次南極科學(xué)考察(2014～2015年),對(duì)西南極南設(shè)得蘭群島喬治王島菲爾德斯半島與利文斯頓島拜爾斯半島白堊紀(jì)—始新世火山-沉積地層開(kāi)展了系統(tǒng)的古地磁學(xué)、巖石磁學(xué)、巖相學(xué)與40Ar/39Ar同位素年代學(xué)研究,獲得了南極半島早白堊世(～110 Ma)與早始新世(～55 Ma) 古地磁極;通過(guò)玄武巖全巖40Ar/39Ar譜年齡將菲爾德斯半島瑪瑙灘組-長(zhǎng)山組火山-沉積地層形成年代限制在56～52 Ma;提出了南設(shè)德蘭群島部分地層經(jīng)歷了重磁化影響;同時(shí)提出了南極半島南部的奧威爾海岸(Orville Coast),東埃爾斯沃思地和瑟斯頓島(Thurston Island)相對(duì)于南極半島北部(拜爾斯半島與佩諾拉海峽)發(fā)生了順時(shí)針旋轉(zhuǎn),這可能與南極半島中白堊世的帕默地事件有關(guān);重建了南極半島與南美板塊中白堊世以來(lái)的古地理位置,提出南極半島與南美板塊在110～55 Ma時(shí)連接在一起,并且共同經(jīng)歷了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與南向移動(dòng)。因此,自上世紀(jì)80～90年代之后,中國(guó)在西南極的古地磁研究范圍已擴(kuò)展到除菲爾德斯半島以外的南設(shè)德蘭群島其他地區(qū),但遺憾的是尚未涉及到南設(shè)得蘭群島之外的西南極其他地區(qū)。

2 瑟斯頓島-埃茨海岸古地磁學(xué)研究

2.1 地質(zhì)背景

瑟斯頓島-埃茨海岸位于東經(jīng)255°～270°與南緯71°～75°之間,發(fā)育?于半地塹中的阿博特冰架(Abbot Ice Shelf) 將瑟斯頓島與埃茨海岸分開(kāi)(圖2)。瑟斯頓島-埃茨海岸主要出露了晚古生代—中生代島弧巖漿巖,是在古太平洋板塊的持續(xù)俯沖下形成的,主要為鈣堿性花崗閃長(zhǎng)巖,還包括花崗巖、閃長(zhǎng)巖、火山碎屑巖、火山凝灰?guī)r與熔巖流等,并且沿著兩條東西走向平行于阿博特冰架的斷層分布(White and Craddock, 1987;Pankhurst et al., 1993)。瑟斯頓島的基底由晚石炭世花崗質(zhì)混合片麻巖組成,主要出露在瑟斯頓島東部的摩根灣(Morgan Inlet)和門(mén)澤爾岬(Cape Menzel)(Leat et al., 1993)。片麻巖被后期的變形較弱的細(xì)晶巖和偉晶巖脈以及基性巖脈和角閃輝長(zhǎng)巖脈切穿 (Pankhurst et al., 1993)。對(duì)片麻巖和細(xì)晶巖、偉晶巖脈的Rb-Sr年代學(xué)研究分別獲得309±5.0 Ma(MSWD 3.4,87Sr/86Sr: 0.7040) 和311±3.0 Ma的年齡,說(shuō)明巖脈的侵入與基底變質(zhì)基本同期 (Pankhurst et al., 1993)。Riley et al.(2017)對(duì)片麻巖中的鋯石開(kāi)展了年代學(xué)研究,獲得花崗巖形成年齡為349±2.0 Ma。 鋯石的εHf值位于1.0±2.1～9.8±1.2之間,均值為6.2±1.2,對(duì)應(yīng)于～700 Ma的虧損地幔模式年齡。較低的87Sr/86Si值以及εNdi(-0.7～+2.1)代表巖漿主要源于新生下地殼,有古老地殼物質(zhì)混染。晚石炭世變質(zhì)基底被晚古生代—早中生代的輝長(zhǎng)巖-閃長(zhǎng)巖侵入(Lopatin et al., 1972),其主要出露在摩根灣、福伊里山 (Mount Feury)、蓋峰(Guy Peaks) 和布拉姆霍爾山(Mount Bramhall)等地,Pankhurst et al.(1993)對(duì)從這些侵入巖中分離出的角閃石和黑云母開(kāi)展的K-Ar、40Ar-39Ar、Rb-Sr同位素年代學(xué)研究,顯示其形成年代集中在286±8.0～220±6.0 Ma。對(duì)閃長(zhǎng)巖中分離出的鋯石開(kāi)展U-Pb年代學(xué)支持其形成年齡為239±4.0 Ma(Riley et al., 2017)。鋯石的εHf值位于0.3±3.7～7.6±4.0之間,對(duì)應(yīng)于～950 Ma的虧損地幔模式年齡,代表其形成過(guò)程有古老地殼混染 (Riley et al., 2017),87Sr/86Si=～0.7067以及εNd=-3.7也支持古老地殼混染(Pankhurst et al., 1993)。早侏羅世花崗巖主要分布在埃茨海岸的瓊斯山脈(Jones Mountains),全巖Rb-Sr年齡為198±2.0 Ma(MSWD=2.5;Pankhurst et al., 1993),與白云母K-Ar年齡(199±6.0 Ma; Craddock et al., 1964; 183±5.0 Ma,Pankhurst et al., 1993)比較一致。瑟斯頓島早—中侏羅世的噴出巖和淺成侵入巖主要分布在島的中南部,其中的火山碎屑巖經(jīng)歷了廣泛的低級(jí)變質(zhì)作用,斑晶與基質(zhì)蝕變?yōu)榫G泥石、陽(yáng)起石、白云母和綠簾石等礦物 (Pankhurst et al., 1993)。Pankhurst et al.(1993)從6個(gè)樣品中獲得全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡為164±9.0 Ma。瑟斯頓島晚侏羅世—早白堊世花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖與閃長(zhǎng)巖主要出露在西部(White and Craddock, 1987),全巖與單礦物40Ar-39Ar和Rb-Sr年代學(xué)研究結(jié)果顯示這些巖石主要形成年代為153±10.0～134±2 Ma。Riley et al.(2017)對(duì)出露在黑爾冰川 (Hale Glacier)的黑云母花崗巖鋯石年代學(xué)研究確定其形成年代為151±2 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf值位于-7.9±3.5～2.6±2.2之間,代表虧損地幔模式年齡為860 Ma,說(shuō)明巖漿過(guò)程存在古老地殼混染。東部的早白堊世輝長(zhǎng)巖-花崗巖主要出露在貝爾納普冰原島峰(Belknap Nunatak)、哈里森冰原島峰 (Harrison Nunatak)、麥納瑪拉島(McNamara Island)、和達(dá)斯廷島(Dustin Island),其中黑云母和角閃石的K-Ar、Rb-Sr年齡集中在～125 Ma以及～110 Ma。中—晚白堊世的火山巖出露在瓊斯山,主要包括火山碎屑巖、中酸性凝灰?guī)r以及熔巖,所有巖石都經(jīng)歷了后期熱液蝕變影響,形成了綠泥石等蝕變礦物。對(duì)其中部分英安巖、凝灰?guī)r、集塊巖和霏細(xì)巖全巖開(kāi)展的Rb-Sr研究獲得三組年代學(xué)數(shù)據(jù),包括102±11.0 Ma、91±1.0 Ma和89±3.0 Ma,考慮到所有樣品都經(jīng)歷了后期蝕變影響,因此部分年代學(xué)數(shù)據(jù)可能無(wú)法反映真實(shí)的成巖年齡(Pankhurst et al., 1993)。位于埃茨海岸最東部的勒普萊冰原島峰(Lepley Nunatak)的花崗閃長(zhǎng)巖黑云母K-Ar與40Ar-39Ar年代學(xué)研究也獲得了晚白堊世的年齡(87±2 Ma和89±1 Ma;Pankhurst et al., 1993)。Riley et al.(2017)對(duì)勒普萊冰原島峰黑云母花崗巖開(kāi)展了鋯石U-Pb年代學(xué)研究,確定其形成年齡為108±1.0 Ma,對(duì)應(yīng)的εHf值位于-8.8±3.5和-1.2±2.3之間,代表虧損地幔模式年齡為860 Ma,說(shuō)明巖漿形成過(guò)程經(jīng)歷了古老地殼的混染。

圖2 瑟斯頓島-埃茨海岸地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Pankhurst et al., 1993修改)Fig.2 Simplified geological map of Thurston Island-Eights Coast (modified after Pankhurst et al., 1993)(a) Location of different geological domains of Antarctica; (b) Simplified map of Thurston Island-Eights Coast; (c) Simplified geological map of the Thurston Island

2.2 中生代古地磁研究

除了南極半島古地磁研究從上世紀(jì)持續(xù)至今,西南極其余地區(qū)古地磁研究大多停留在上世紀(jì)90年代,主要由“美國(guó)-英國(guó)聯(lián)合西南極構(gòu)造演化研究計(jì)劃”(United Kingdom-United States West Antarctic Tectonics Project)和“美國(guó)-英國(guó)-新西蘭聯(lián)合南太平洋邊緣構(gòu)造演化研究考察隊(duì)”(United States-United Kingdom-New Zealand South Pacific Rim International Tectonics Expedition)完成(Dalziel and Pankhurst, 1987;Grunow et al., 1987, 1991; Grunow, 1987; DiVenere et al., 1994, 1995)。Scharnberger et al.(1972) 首先在瑟斯頓島-埃茨海岸開(kāi)展了有限的古地磁研究,之后Grunow等人在瑟斯頓島-埃茨海岸開(kāi)展了較為系統(tǒng)的古地磁研究(728個(gè)樣品,114個(gè)采點(diǎn)),采集了自古生代至新生代,包括巖墻、巖脈、沉積巖與變質(zhì)巖樣品。Grunow et al.(1987) 對(duì)白堊紀(jì)的輝長(zhǎng)巖、花崗巖開(kāi)展了研究,分離出了原生特征剩磁分量,獲得一個(gè)～125 Ma的古地磁極(49.0°S,232.0°E, A95=7.9°; 圖2)。 之后Grunow et al.(1991)又對(duì)剩余花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、火山碎屑巖開(kāi)展古地磁研究,獲得了～230 Ma(61.0°S,116.0°E, A95=19.4°), ～175 Ma(67.0°S,109.0°E), ～150 Ma(64.0°S,145.0°E,A95=7.0°), ～110 Ma(73.0°S,210.0°E,A95=7.6°)和～90 Ma(80.0°S,161.0°E,A95=3.9°) 的古地磁極,建立了一條瑟斯頓島-埃茨海岸三疊紀(jì)—晚白堊世視極移曲線,對(duì)西南極不同地塊開(kāi)展了古大陸重建,重點(diǎn)探討了岡瓦納大陸裂解、西南極地塊運(yùn)動(dòng)以及威德?tīng)柡４蜷_(kāi)等之間的關(guān)系。

3 瑪麗·伯德地古地磁學(xué)研究

3.1 地質(zhì)背景

瑪麗·伯德地根據(jù)地質(zhì)特征不同分為西部羅斯區(qū)(Ross Province)和東部阿蒙森區(qū)(Amundsen province)(Lopatin et al., 1972; Pankhurst et al., 1998;圖3)。西部露頭主要分布在福特嶺(Ford Ranges),出露瑪麗·伯德地已知最老地層斯旺森組(Swanson Formation)與福斯迪克雜巖(Fosdick Complex)(Adams, 1986;陳廷愚等, 2008)。其中斯旺森組地層以灰色石英砂巖與頁(yè)巖為主,經(jīng)受了一定程度的變質(zhì)作用,其中砂巖具有平行與交錯(cuò)層理,可能為發(fā)育在深海沉積扇的濁流沉積(Adams, 1986;陳廷愚等, 2008)。福斯迪克雜巖主要由片巖與片麻巖組成,出露在福斯迪克山脈(Fosdick Mountains)與海王星冰原島峰(Neptune Nunataks),其起初被認(rèn)為是形成于前寒武紀(jì)(Adams, 1986),但之后構(gòu)造、巖性以及年代學(xué)證據(jù)支持其為經(jīng)歷了白堊紀(jì)混合巖化改造的斯旺森組(Adams, 1986;陳廷愚等, 2008)。斯旺森組板巖的全巖K-Ar年齡分為380～350 Ma和450～410 Ma兩組,其中較年輕的一組年齡代表區(qū)內(nèi)廣泛分布的晚泥盆世福特嶺花崗閃長(zhǎng)巖形成過(guò)程導(dǎo)致的熱變質(zhì)作用,而較老的一組年齡代表晚奧陶世區(qū)內(nèi)發(fā)生的一次低級(jí)變質(zhì)作用(Adams, 1986)。斯旺森組板巖的全巖Rb-Sr年齡為～444 Ma,支持晚奧陶世的變質(zhì)事件(Adams, 1986)。從最淺變質(zhì)泥質(zhì)巖中獲得的Rb-Sr模式年齡為593 Ma(Adams, 1986),因此斯旺森組的形成年代可能為寒武紀(jì)—早奧陶世 (Mukasa and Dalziel, 2000)。同樣的巖石組合與變質(zhì)事件在新西蘭坎貝爾島(Campbell Island)與新西蘭南島西海岸也有報(bào)道,說(shuō)明這些地區(qū)可對(duì)比,但斯旺森組的變質(zhì)年代晚于東南極的北維多利亞地與澳大利亞的塔斯馬尼亞相關(guān)地層的變質(zhì)年代(晚寒武世—早奧陶世),說(shuō)明羅斯海兩側(cè)經(jīng)歷了不同過(guò)程的變質(zhì)作用(Adams, 1986)。

圖3 瑪麗·伯德地地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Mukasa and Dalziel, 2000修改)Fig.3 Simplified geological map of Marie Byrd Land (modified after Mukasa and Dalziel, 2000)(a) Location of different geological domains of Antarctica;(b) Simplified geological map of Marie Byrd Land

瑪麗·伯德地在晚泥盆世—早石炭世發(fā)育比較廣泛的巖漿活動(dòng),主要為I型花崗巖,但缺少羅斯造山運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)記錄(Adams, 1986;Mukasa and Dalziel, 2000)。在東瑪麗·伯德地的魯珀特海岸(Ruppert Coast)發(fā)育一套中—晚泥盆世含植物化石的沉積地層(Grindley, 1981),其上覆蓋有以安山巖為主的淺變質(zhì)火山巖,K-Ar年齡為361～288Ma(Lopatin et al., 1974),火山巖形成之后,該區(qū)又經(jīng)受了比較強(qiáng)的褶皺作用 (Lopatin et al., 1974)。侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)的巖漿活動(dòng)發(fā)育,其中晚侏羅世—早白堊世以I型花崗巖類(lèi)以及相關(guān)的火山巖為主,主要分布在派恩艾蘭灣 (Pine Island Bay)、科勒嶺(Kohler Range)、魯珀特海岸東部與福特嶺;中白堊世以A型花崗巖類(lèi)以及基性巖墻與巖脈為主 (Mukasa and Dalziel, 2000),主要分布在魯珀特海岸。白堊紀(jì)與俯沖有關(guān)的鈣堿性花崗巖在約110±1.0 Ma時(shí)停止在東瑪麗·伯德地西部的魯珀特海岸和霍布斯海岸(Hobbs coasts)發(fā)育,而在東部派恩艾蘭灣的停止時(shí)間為96±1.0 Ma,代表太平洋-鳳凰板塊向瑪麗·伯德地的俯沖是自西向東逐漸停止(Mukasa and Dalziel, 2000)。另外,魯珀特海岸和霍布斯海岸白堊紀(jì)鈣堿性花崗巖經(jīng)歷了快速的(～9 Ma)從俯沖型花崗巖(110±1.0 Ma) 向伸展型花崗巖(101±1.0 Ma)的轉(zhuǎn)變,代表該區(qū)在～100 Ma時(shí)經(jīng)歷了一次快速的構(gòu)造轉(zhuǎn)換(Mukasa and Dalziel, 2000)。

3.2 中生代古地磁研究

瑪麗·伯德地古地磁采樣點(diǎn)分布較廣(圖3),Grindley and Oliver(1983)首先在東瑪麗·伯德地的魯珀特海岸和霍布斯海岸開(kāi)展了古地磁研究,從流紋巖與基性巖脈中采集了26個(gè)采點(diǎn),獲得一個(gè)112～91 Ma的古地磁極 (66.0°S,241.0°E,A95:dp=8.7°,dm=8.8°),通過(guò)與東南極同期古地磁極對(duì)比后,推斷瑪麗·伯德地自中白堊世以來(lái)相對(duì)東南極發(fā)生了200～500 km 的北東向運(yùn)動(dòng)和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。DiVenere et al. (1994, 1995) 在魯珀特海岸和霍布斯海岸開(kāi)展了古地磁研究,從伊克斯山 脈 (Ickes Mountains)、麥當(dāng)勞高地(McDonald Heights)、佩特拉斯山(Mount Petras)、萬(wàn)斯山(Mount Vance)等地的正長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖和花崗巖、玄武巖中獲得了～100 Ma(75.7°S,224.1°E,A95=3.8°), ～117 Ma(56.8°S,185.6°E,A95=8.7°) 兩個(gè)古地磁極。DiVenere et al.(1994)與Grindley and Oliver(1983)獲得的古地磁極位置不一致,但是與南極半島和瑟斯頓島同期的古地磁極互相重合,因此DiVenere et al.(1994) 推斷Grindley and Oliver(1983)獲得的數(shù)據(jù)可能受到了地層傾斜的影響。Luyendyk et al.(1996)從西瑪麗·伯德地菲利普斯山脈(Phillips Mountains)、切斯特山脈(Chester Mountains)和福斯迪克山29個(gè)采點(diǎn)中獲得一個(gè)～100 Ma的古地磁極(70.5°S,222.3°E;A95=6.1°),其中泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖、英云閃長(zhǎng)巖以及福斯迪克變質(zhì)雜巖中的片麻巖分離出的重磁化方向與從中白堊世巖脈中獲得的方向一致,代表瑪麗·伯德地在～100 Ma時(shí)經(jīng)歷了大范圍的重磁化事件。Luyendyk et al.(1996)綜合相關(guān)學(xué)者在南極半島、瑪麗·伯德地和瑟斯頓島～100 Ma的古地磁極,計(jì)算了一個(gè)西南極平 均古地磁 極 (73.5°S,215.2°E,A95=4.0°)。通過(guò)與不同研究所報(bào)道的東南極古地磁極進(jìn)行對(duì)比后,Luyendyk et al.(1996)提出選擇不同的東南極古地磁極可能得到東南極與西南極相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程截然相反的結(jié)論,其中Grunow et al.(1991)選擇的東南極古地磁極與西南極的古地磁極在誤差范圍內(nèi)互相重合,代表兩地區(qū)自～100 Ma以來(lái)缺少相對(duì)運(yùn)動(dòng);然而DiVenere et al.(1994)和Luyendyk et al.(1996)選擇的東南極古地磁極顯示自～100 Ma以來(lái)西南極不同地塊相對(duì)于東南極發(fā)生了不同程度的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與緯向移動(dòng)。

4 埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈古地磁學(xué)研究

4.1 地質(zhì)背景

埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈 (Ellsworth-Whitmore Mountains)位于南極半島與橫貫?zāi)蠘O山脈之間,根據(jù)巖性與構(gòu)造解析,此區(qū)域被分為三部分:蒂埃爾山脈(Thiel Mountains)、哈格冰原島峰(Haag Nunataks)和埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈(圖4)。其中,蒂埃爾山脈為橫貫?zāi)蠘O山脈的一部分,主要出露前寒武紀(jì)基底、早古生代花崗巖、比肯超群以及弗拉爾粒玄巖巖床(Storey and Dalziel, 1987)。哈格冰原島峰主要出露前寒武紀(jì)的正片麻巖 (Storey and Dalziel, 1987)。埃爾斯沃思山脈至蒂埃爾山脈被進(jìn)一步分為埃爾斯沃思山脈構(gòu)造域、邊緣構(gòu)造域以及沃拉德山 (Mount Voollard) (Storey and Dalziel, 1987)。其中埃爾斯沃思山脈構(gòu)造域主要出露寒武紀(jì)—二疊紀(jì)的淺海相沉積地層,后被花崗巖侵入,地層中發(fā)育了西北—東南向的褶皺,褶皺時(shí)間可能為二疊紀(jì)—中侏羅世之間(Dalziel et al., 1987);邊緣構(gòu)造域的地層相比于埃爾斯沃思山脈構(gòu)造域經(jīng)歷了更強(qiáng)烈的構(gòu)造變形。沃拉德山可能在構(gòu)造上屬于埃爾斯沃思山脈構(gòu)造域,但是其經(jīng)歷了更高級(jí)的變質(zhì)作用 (Storey and Dalziel, 1987)。構(gòu)造變形產(chǎn)生的褶皺與斷層等的走向在埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈的邊緣與內(nèi)部不同地區(qū)不同,可能與埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈后期構(gòu)造旋轉(zhuǎn)有關(guān) (Dalziel et al., 1987)。埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈的巖漿巖主要包括中侏羅世的巖基與零星出現(xiàn)的火山巖與侵入巖 (Dalziel et al., 1987)。其中后者主要包括寒武紀(jì)的雙峰式火山巖以及侵入寒武紀(jì)地層中與哈特山(Hart Hills)變沉積巖中的輝長(zhǎng)巖巖株與巖脈(Dalziel et al., 1987)。中侏羅世的花崗巖盡管分布廣泛,但年代集中在～175 Ma,巖相學(xué)與地球化學(xué)證據(jù)顯示其為S型花崗巖,可能形成于陸內(nèi)伸展背景下的地殼熔融,同期巖漿作用也發(fā)生于橫貫?zāi)蠘O山脈(弗拉爾粒玄巖巖床Ferrar Supergroup)、南非 (南非干旱臺(tái)地高原溢流玄武巖Karoo dolerites)、與南美 (陶比發(fā)拉群Tobifera Group硅質(zhì)火山巖與達(dá)爾文組S型花崗巖Darwin Granite Suite),代表了岡瓦納超大陸裂解前廣泛分布的一次構(gòu)造伸展背景下的巖漿事件 (Dalziel et al., 1987)。

圖4 埃爾斯沃思-惠特莫爾山地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)Storey and Dalziel, 1987修改)Fig.4 Simplified geological map of the Ellsworth-Whitmore Mountains (modified after Storey and Dalziel, 1987)

4.2 中生代古地磁研究

相關(guān)學(xué)者在埃爾斯沃思山脈、哈格冰原島峰、哈特山、馬丁山(Martin Hills)、莫爾蘭冰原島峰(Moreland Nunatak)、約翰斯山(Mount Johns)、摩爾山(Mount Moore)、沃拉德山、納什山 (Nash Hills)、帕格諾冰原島峰 (Pagano Nunatak)、皮瑞特山 (Pirrit Hills)、惠特莫爾山脈等地開(kāi)展了古地磁研究,報(bào)道了寒武紀(jì)和中侏羅世 (175 Ma)兩個(gè)古地磁極 (Grunow et al., 1987;Randall and Mac Niocaill, 2004;圖4)。其中,寒武紀(jì)的古地磁數(shù)據(jù)顯示埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈相對(duì)于東南極自寒武紀(jì)以來(lái)發(fā)生了約90°的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) (Randall and Mac Niocaill, 2004)。中侏羅 世 古 地 磁 極 (41.2°S,232.2°E, A95=5.3°)與在南極半島格雷厄姆地(Graham Land)(48.0°S,238.0°E,A95=9.5°) 獲得的同期古地磁極互相重合,代表兩地塊在中侏羅世位置比較接近。Grunow et al.(1987)將這兩個(gè)古地磁極平均后,獲得南極半島-惠特莫爾山脈中侏羅世平均古地磁極 (45.8°S,237°E,A95=6.4°)。在與橫貫?zāi)蠘O山脈同期古地磁極 (54.8°S,220.3°E,A95=3.9°) 對(duì)比后顯示南極半島-埃爾斯沃思山與橫貫?zāi)蠘O山脈之間自中侏羅世以來(lái)存在約15°±10°的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

5 討論

古地磁是開(kāi)展古大陸重建與構(gòu)造演化研究必不可少的手段之一,盡管西南極的古地磁與古大陸重建研究始于上世紀(jì)中期,但由于極端惡劣的野外工作環(huán)境以及地表露頭較少、后勤支撐有限等原因?qū)е履壳耙寻l(fā)表的中生代以來(lái)的古地磁數(shù)據(jù)依然非常少,尤其是瑟斯頓島、瑪麗·伯德地和埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈部分年代只有一個(gè)古地磁極,數(shù)據(jù)的缺乏導(dǎo)致很難在同一地塊對(duì)比驗(yàn)證已發(fā)表的古地磁數(shù)據(jù)的可靠性(表1)。南極半島北部有較多的科考站,相對(duì)于西南極其他地區(qū)在野外考察過(guò)程中更易獲得后勤支撐,因此南極半島的古地磁數(shù)據(jù)相對(duì)豐富,但也主要集中在南極半島北部的中白堊世至早始新世(圖5),缺少白堊紀(jì)之前、中始新世以來(lái)的數(shù)據(jù)以及南極半島南部的數(shù)據(jù),因此,文章只能根據(jù)已經(jīng)報(bào)道的有限的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)西南極不同地塊開(kāi)展古構(gòu)造重建并且討論其構(gòu)造演化意義。

圖5 西南極不同地塊中—新生代古地磁極與東南極視極移曲線等面積投影圖Fig.5 Equal-area projection for Mesozoic-Cenozoic paleopoles of different crustal blocks of West Antarctica,and synthetic apparent polar wander path for East Antarctica LC-Lassiter Coast;OC-Orville Coast;EEL-eastern Ellsworth Land

為了探討西南極各地塊與東南極之間相對(duì)運(yùn)動(dòng),選取了東南極侏羅紀(jì)以來(lái)的視極移曲線(Torsvik et al., 2012) 進(jìn)行對(duì)比 (圖5)?？紤]到南設(shè)得蘭群島曾被劃分為西部構(gòu)造域(Vaughan and Storey, 2000),可能是外來(lái)地體拼貼到南極半島,因此將南設(shè)得蘭群島與南極半島古地磁數(shù)據(jù)分開(kāi)進(jìn)行討論。南極半島～175 Ma的古地磁極是從南極半島東北部的奧斯卡二世海岸(Oscar Ⅱ Coast)和科爾半島 (Cole Peninsula)24個(gè)采點(diǎn)(82個(gè)樣品)的花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖和英云閃長(zhǎng)巖中獲得,未經(jīng)產(chǎn)狀校正,兩地區(qū)相距較遠(yuǎn)但古地磁方向比較一致,說(shuō)明區(qū)域內(nèi)后期可能沒(méi)有經(jīng)歷太強(qiáng)烈的構(gòu)造影響(Longshaw and Griffiths, 1983),這可能是由于采樣區(qū)位于大西洋一側(cè),因此受到太平洋板塊俯沖影響較小。埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈～175 Ma的古地磁極是從納什山(Nash Hills)和帕格諾冰原島峰 (Pagano Nunatak)8個(gè)采點(diǎn)(37個(gè)樣品)的花崗巖、變沉積巖中獲得,采樣區(qū)分散但是古地磁方向集中,說(shuō)明區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)之后的地層可能變形較弱(Grunow et al., 1987)。這兩個(gè)古地磁極的位置比較接近,說(shuō)明南極半島與埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈在～175 Ma時(shí)距離較近。南極半島～160 Ma的古地磁數(shù)據(jù)是從其太平洋邊緣伯恩灣(Bone Bay)的花崗巖與基性巖脈中獲得(Grunow, 1993),由于無(wú)法確定古水平面,因此數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)產(chǎn)狀校正,無(wú)法判斷這個(gè)古地磁極是否可靠。南設(shè)得蘭群島～155 Ma的古地磁極是從沉積巖中獲得的(Grunow, 1993),進(jìn)行了地層產(chǎn)狀校正,通過(guò)了褶皺檢驗(yàn)并且與其后的古地磁極都不重合,可能代表了原生剩磁(圖5)。南極半島伯恩灣與南設(shè)得蘭群島～160 Ma與～155 Ma古地磁極在誤差范圍內(nèi)互相重合(Grunow, 1993)。伯恩灣位于南極半島的最北端,布蘭斯菲爾德海峽將其與南設(shè)得蘭群島隔開(kāi),在布蘭斯菲爾德海峽打開(kāi)之前,兩者位置十分接近,所以伯恩灣有可能屬于南設(shè)得蘭群島的一部分,只是在菲爾德斯海峽打開(kāi)時(shí)沒(méi)有隨著南設(shè)德蘭群島分離出南極半島,這有待更多的地質(zhì)證據(jù)驗(yàn)證,因此伯恩灣的古地磁數(shù)據(jù)能否代表整個(gè)南極半島就存在疑問(wèn)。Grunow(1993)報(bào)道的～130 Ma的古地磁極是從南極半島的杰拉許海峽(Gerlache Strait)的班克山 (Mount Banck)與拜爾斯半島的斯梅利角(Point Smellie)獲得的,其中在班克山花崗巖(～130 Ma,Rb-Sr全巖年齡)中分離出兩個(gè)分量,低溫分量在＜450 ℃解阻,對(duì)應(yīng)的方向?yàn)镈=21.6°,I=-70.4°,高溫分量在＜570 ℃解阻,對(duì)應(yīng)的方向?yàn)镈=327.1°,I=-77.6°;拜爾斯半島斯梅利角火山巖與沉積巖形成于～140 Ma,其中從火山巖中獲得的方向?yàn)镈=320.1°,I=-62.2°,從沉積巖中獲得的方向?yàn)镈=24.5°,I=-66.9°,均通過(guò)了褶皺檢驗(yàn),但是火山巖中古地磁數(shù)據(jù)具有正負(fù)極性,且通過(guò)了倒轉(zhuǎn)檢驗(yàn),而沉積巖只存在正極性,因此Grunow(1993)提出火山巖可能攜帶了原生剩磁,而沉積巖遭受了后期重磁化,根據(jù)地層褶皺時(shí)間推斷重磁化事件發(fā)生在～130 Ma。Grunow(1993)使用班克山花崗巖與斯梅利角沉積巖古地磁方向計(jì)算了一個(gè)～130 Ma的古地磁極,考慮到班克山花崗巖的高溫剩磁分量應(yīng)該比低溫剩磁分量穩(wěn)定,因此即使發(fā)生了重磁化也應(yīng)該是低溫分量記錄了后期的重磁化方向,并且斯梅利角的沉積巖重磁化時(shí)間也沒(méi)有很好的限定,因此討論中沒(méi)有采用Grunow(1993) ～130 Ma的古地磁極。南極半島與南設(shè)得蘭群島獲得的中白堊世數(shù)據(jù)(120～100 Ma)存在明顯差異(圖5),其中南極半島～110 Ma的古地磁數(shù)據(jù)是從姆特角(Moot Point)閃長(zhǎng)巖中獲得(Grunow, 1993),盡管沒(méi)有經(jīng)過(guò)地層產(chǎn)狀校正,但是這個(gè)古地磁極在誤差范圍內(nèi)與東南極參考古地磁極十分接近,說(shuō)明兩者之間在～110 Ma之后可能僅存在小規(guī)模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(圖5)。南設(shè)得蘭群島～120 Ma與～107 Ma的古地磁數(shù)據(jù)是從火山熔巖與沉積巖中獲得(Grunow, 1993;Gao et al., 2018),經(jīng)過(guò)了產(chǎn)狀校正。南極半島缺失～140 Ma古地磁數(shù)據(jù),南設(shè)得蘭群島～140 Ma的古地磁數(shù)據(jù)能否代表整個(gè)南極半島還不確定,此時(shí)南設(shè)得蘭群島位于較低緯度,而利文斯頓島晚侏羅世—晚白堊世邁爾斯布拉夫組(Miers Bluff Formation)與南美安迪斯山脈早二疊世—早白堊世迪克德約克混雜巖(Duque de York Complex)的碎屑鋯石具有相同的年齡峰值,代表其具有可對(duì)比性 (Hervé et al., 2006)。 南設(shè)得蘭群島在140～107 Ma之間發(fā)生的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與南向位移對(duì)應(yīng)于南美最南端羅斯卡維德斯盆地(Rocas Verdes basin)順時(shí)針打開(kāi)以及安第斯山脈大型左旋走滑斷裂的運(yùn)動(dòng) (Dalziel, 1981;Seymour et al.,2020)。107～90 Ma期間南設(shè)得蘭群島發(fā)生了大規(guī)模逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖5),與大規(guī)模逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)背景下羅斯卡維德斯盆地的關(guān)閉同期(Dalziel, 1981;Poblete et al., 2016)。在此期間,南美板塊整體發(fā)生了大規(guī)模的南向運(yùn)動(dòng),對(duì)南設(shè)得蘭群島與南美南端造成了擠壓(Gao et al., 2018),這可能是導(dǎo)致南設(shè)得蘭群島與安第斯山脈最南端發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的主要原因。而南極半島在110～90 Ma期間發(fā)生了小規(guī)模的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與南向位移(圖6),因此南設(shè)得蘭群島與南極半島在早—中白堊世經(jīng)歷了不同的板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程,說(shuō)明兩者在當(dāng)時(shí)可能并非一個(gè)整體。南極半島與南設(shè)得蘭群島在晚白堊世(～90 Ma)之后古地磁極基本重合,并且靠近東南極同期參考古地磁極(圖5),說(shuō)明他們之間自～90 Ma之后缺少大規(guī)模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

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圖6 東南極與西南極在～120 Ma,～100 Ma和～90 Ma時(shí)期的古大陸重建Fig.6 Plate reconstructions of East Antarctica and West Antarctica at ～120 Ma, ～100 Ma, and ～90 Ma

Kellogg and Rowley(1978)從南極半島南部的拉塞特海岸4個(gè)采點(diǎn)(23個(gè)樣品)的花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖以及安山巖巖脈中獲得一個(gè)～100 Ma的古地磁極,沒(méi)有經(jīng)過(guò)地層產(chǎn)狀校正。Kellogg(1980)從南極半島南部的奧維爾海岸與埃爾沃斯地13個(gè)采點(diǎn)(92個(gè)樣品)的花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖與巖脈中獲得一個(gè)～108 Ma的古地磁極,樣品取自不同地區(qū),但是各采點(diǎn)的方向比較一致,說(shuō)明采樣地點(diǎn)在～108 Ma之后沒(méi)有經(jīng)歷大范圍的褶皺或者地層傾斜。古地磁數(shù)據(jù)顯示半島南部的奧維爾海岸相對(duì)于同時(shí)代的南極半島北部地區(qū)發(fā)生了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。Kellogg(1980)提出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與埃爾斯沃思斷裂 (Ellsworth fault)的右旋走滑有關(guān)。另外,此處順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可能與南極半島弧形構(gòu)造的形成有關(guān),Vaughan et al.(2012)在南極半島南部的帕默地識(shí)別出兩期構(gòu)造擠壓事件,分別發(fā)生在～107 Ma與～103 Ma,對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力方向分別為341°與259.5°。而對(duì)南極半島不同時(shí)期的古地磁數(shù)據(jù)分析,Grunow(1993)提出南極半島南北部古地磁數(shù)據(jù)的差異是由于南極半島在不同時(shí)期發(fā)生板塊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的,與弧形構(gòu)造的形成無(wú)關(guān)。但是Gao et al.(2018)在將南極半島北部發(fā)表的117～104 Ma的古地磁數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)～110 Ma的古地磁極與東南極的參考古地磁極位置比較一致。但是南極半島南部的奧維爾海岸～108 Ma的古地磁數(shù)據(jù)相對(duì)于南極半島北部仍表現(xiàn)出較大規(guī)模的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此,南極半島的弧形構(gòu)造可能是～108 Ma之后形成的。馬尼?；５赘咴?Manihiki Plateau)是太平洋板塊翁通爪哇-馬尼希基-希庫(kù)朗基 (Ontong Java-Manihiki-Hikurangi)大火成巖省的一部分,在105～100 Ma與南極半島南部帕默地發(fā)生俯沖碰撞(Hochmuth and Gohl, 2017),與“帕默地事件” 時(shí)間接近 (Vaughan et al., 2012),這可能導(dǎo)致了南極半島南部弧形構(gòu)造的形成。DiVenere et al.(1994)曾將南極半島南部與北部的數(shù)據(jù)平均后獲得～106 Ma的南極半島古地磁極,它與瑟斯頓島-埃茨海岸和瑪麗·伯德地約同時(shí)期的古地磁極位置接近,因此 DiVenere et al.(1994)計(jì)算了這三個(gè)地塊的平均古地磁極,但是南極半島南部與北部可能存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此,平均后的數(shù)據(jù)消除了兩地區(qū)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),并不適合代表南極半島～106 Ma的位置。

瑟斯頓島-埃茨海岸～230 Ma的古地磁極是從布拉姆霍爾山3個(gè)采點(diǎn)(18個(gè)樣品)的花崗閃長(zhǎng)巖與閃長(zhǎng)巖中獲得,未經(jīng)過(guò)地層校正(Grunow et al., 1991)。 ～175 Ma的古地磁極是從道林山(Mount Dowling)2個(gè)采點(diǎn)(12個(gè)樣品)的火山碎屑巖中獲得,通過(guò)了烘烤檢驗(yàn),沒(méi)有褶皺檢驗(yàn),并且進(jìn)行了地層校正,校正前 (D=56°,I=-76.3°)后(D=16.3°,I=-67.6°)的古地磁方向有一定差距 (Grunow et al., 1991)。因此,～230 Ma未經(jīng)地層產(chǎn)狀校正的古地磁極可能并不可靠。～150 Ma 的古地磁極是從蘭德福峰(Landfall Peak)和辛普森山 (Mount Simpson)5個(gè)采點(diǎn)(30個(gè)樣品)的花崗巖、閃長(zhǎng)巖與花崗閃長(zhǎng)巖中獲得,未經(jīng)過(guò)地層產(chǎn)狀校正 (Grunow et al., 1991)。 ～125 Ma的古地磁極是從貝爾納普冰原島峰5個(gè)采點(diǎn)(34個(gè)樣品)的輝長(zhǎng)巖、花崗巖脈與基性巖脈中獲得(Grunow et al., 1991),未經(jīng)過(guò)地層產(chǎn)狀校正。除此以外,Grunow et al.(1991)在瑟斯頓島-埃茨海岸還獲得了～123 Ma,～142 Ma和～145 Ma的古地磁極,由于這些數(shù)據(jù)沒(méi)有很好的年代學(xué)限制,所以沒(méi)有被采用,但是～142 Ma的古地磁極靠近～150 Ma的古地磁極,～120 Ma的古地磁極也互相靠近,這些樣品的采集地區(qū)相對(duì)分散,但都顯示了比較低的古緯度,這說(shuō)明盡管此區(qū)地層可能發(fā)生了傾斜,但是規(guī)?？赡懿⒉淮蟆！?10 Ma的古地磁極是從達(dá)斯廷島和麥納瑪拉島7個(gè)采點(diǎn)(44個(gè)樣品)的閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖中獲得,未經(jīng)過(guò)地層產(chǎn)狀校正 (Grunow et al., 1991)。 ～90 Ma 的古地磁極是從勒普萊冰原島峰和瓊斯山脈18個(gè)采點(diǎn)(102個(gè)樣品)的花崗巖、長(zhǎng)英質(zhì)巖脈與基性巖脈中獲得,未進(jìn)行過(guò)地層產(chǎn)狀校正(Grunow et al., 1991)。這兩個(gè)古地磁極靠近南極半島與瑪麗·伯德地同時(shí)期的古地磁極,因此也可能僅經(jīng)歷了比較有限的地層傾斜的影響(圖5)。瑟斯頓島-埃茨海岸175～150 Ma的古地磁極位置比較接近,而～125 Ma的古地磁極與～150 Ma的古地磁極相距較遠(yuǎn)(圖5),顯示瑟斯頓島-埃茨海岸150～125 Ma期間發(fā)生了大規(guī)模逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。125～90 Ma瑟斯頓島-埃茨海岸又發(fā)生了大規(guī)模順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與快速的南向位移(圖6),說(shuō)明瑟斯頓島-埃茨海岸在～125 Ma發(fā)生了一次構(gòu)造轉(zhuǎn)換。

由于西瑪麗·伯德地晚古生代濁流沉積以及泥盆紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖與東南極的北維多利亞地以及新西蘭西部地塊同期巖石地層單元可進(jìn)行對(duì)比,而東瑪麗·伯德地、新西蘭東部地塊與南極半島以及南美相關(guān)地層可互相對(duì)比 (Dalziel and Grunow, 1985;DiVenere et al., 1995),因此DiVenere et al.(1995)在其重建中將西瑪麗·伯德地與新西蘭西部地塊置于北維多利亞地附近,而將東瑪麗·伯德地與西新蘭東部地塊置于瑟斯頓島-埃茨海岸附近。東瑪麗·伯德地～117 Ma的古地磁極是從魯珀特海岸與霍布斯海岸的萬(wàn)斯/勒馬敘里耶山(Mount Vance/LeMasurier)6個(gè)采點(diǎn)(38個(gè)樣品)的火山巖中獲得,通過(guò)了烘烤檢驗(yàn),進(jìn)行了地層產(chǎn)狀校正 (DiVenere et al., 1995)。東瑪麗·伯德地～100 Ma的古地磁極 (75.7°S,224.1°E,A95=3.8°)是從魯珀特海岸與霍布斯海岸19個(gè)采點(diǎn)(109個(gè)樣品)的閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖樣品中獲得,通過(guò)了褶皺檢驗(yàn) (DiVenere et al., 1994)。西瑪麗·伯德地～100 Ma的古地磁極是從菲利普斯山脈、柴斯特山脈和福斯迪克山29個(gè)采點(diǎn)中獲得,識(shí)別出～100 Ma的重磁化方向,與東瑪麗·伯德地同時(shí)期的古地磁方向在誤差范圍內(nèi)基本一致。重磁化時(shí)間這與該區(qū)發(fā)生自擠壓到伸展的構(gòu)造轉(zhuǎn)變時(shí)間基本一致(Mukasa and Dalziel, 2000)。類(lèi)似的重磁化事件也發(fā)生在東南極的北維多利亞地 (Lanza and Zanella, 1993)以及澳大利亞?wèn)|南部(Schmidt and Embleton, 1981)。古大陸重建顯示東瑪麗·伯德地遠(yuǎn)離南極其他地區(qū),并且在117～100 Ma之間發(fā)生了較大規(guī)模的南向運(yùn)動(dòng)與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),東瑪麗·伯德地向南運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于其內(nèi)廣泛分布的110～100 Ma古太平洋板塊俯沖作用下產(chǎn)生鈣堿性巖漿巖 (Mukasa and Dalziel, 2000)。因此,120～100 Ma期間在西南極可能發(fā)生了一次比較快速,且影響范圍廣泛的構(gòu)造事件,導(dǎo)致東瑪麗·伯德地與瑟斯頓島-埃茨海岸發(fā)生了大規(guī)模南向運(yùn)動(dòng)(圖6)。120～100 Ma快速的板塊運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)了太平洋板塊翁通爪哇-馬尼?；?希庫(kù)朗基大火成巖省的噴發(fā)以及全球洋殼擴(kuò)張速率的高峰期 (Larson, 1991;李三忠等, 2019),東瑪麗·伯德地與瑟斯頓島-埃茨海岸位于南極大陸環(huán)太平洋部分,因此其快速且大規(guī)模的南向位移可能與太平洋中白堊世大火成巖省的噴發(fā)導(dǎo)致的洋殼快速擴(kuò)張有關(guān)?，旣悺げ碌貣|、西兩部分～100 Ma的古地磁極互相重合,并且遠(yuǎn)離東南極同時(shí)期參考古地磁極,說(shuō)明這兩部分在～100 Ma已經(jīng)拼貼在一起,對(duì)應(yīng)于太平洋板塊洋殼生長(zhǎng)速率的突然降低(Larson, 1991)。南極半島在120～100 Ma似乎沒(méi)有發(fā)生大規(guī)模的板塊運(yùn)動(dòng),但是巖漿記錄顯示～120 Ma的巖漿活動(dòng)已經(jīng)從中部構(gòu)造域以西的帕默地遷移到東部構(gòu)造域的拉塞特海岸(Riley et al., 2018),代表在此期間古太平洋板塊在南極半島發(fā)生了比較強(qiáng)烈的平板俯沖作用,因此南極半島同樣受到了太平洋中白堊世大火成巖省的噴發(fā)的影響。如果南極半島在這段時(shí)間僅僅發(fā)生了經(jīng)度上的變化,古地磁數(shù)據(jù)將難以識(shí)別出這次大火成巖省的噴發(fā)對(duì)南極半島板塊運(yùn)動(dòng)造成的影響。

瑟斯頓島-埃茨海岸與瑪麗·伯德地在100～90 Ma發(fā)生了北向位移,而南極半島在這段時(shí)間發(fā)生了小規(guī)模的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖6)?，旣悺げ碌匕l(fā)育了中白堊世伸展背景下的花崗巖與基性巖脈,對(duì)應(yīng)于古大陸重建顯示的板塊裂解 (Weaver et al., 1994;Adams et al., 1995)。在東瑪麗·伯德地福特嶺發(fā)育的以巖漿巖為核心的片麻巖穹隆也記錄了105～94 Ma期間發(fā)生的快速抬升冷卻,巖相學(xué)與構(gòu)造研究證實(shí)這與巖漿的底辟作用有關(guān)(Siddoway et al., 2004)。魯珀特海岸和霍布斯海岸A型正長(zhǎng)巖年代學(xué)研究顯示裂谷作用開(kāi)始于～101 Ma,這與古太平洋-鳳凰板塊洋中脊(Pacific-Phoenix Ridge)俯沖至西南極的時(shí)間一致,裂谷作用的進(jìn)一步發(fā)展最終導(dǎo)致了大新西蘭(包括坎貝爾高原Campbell Plateau,查塔姆高地Chatham Rise, 北島North Island,和南島South Island) 與瑪麗·伯德地之間～81 Ma洋殼的形成以及最終的分離 (Cande et al., 1995; Mukasa and Dalziel, 2000)。瑟斯頓島-埃茨海岸～90 Ma的古地磁極遠(yuǎn)離南極半島與東南極同時(shí)期的古地磁極,代表瑟斯頓島-埃茨海岸與瑪麗·伯德地可能相對(duì)于東南極與南極半島在～90 Ma之后發(fā)生了一定規(guī)模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此～100 Ma之后西南極相對(duì)于東南極的運(yùn)動(dòng)主要集中在瑟斯頓島-埃茨海岸與瑪麗·伯德地,對(duì)應(yīng)于中—晚白堊世西南極羅斯海地區(qū)的構(gòu)造伸展作用。羅斯海地區(qū)在43～26 Ma期間又發(fā)生了地殼伸展,導(dǎo)致西南極相對(duì)于東南極在羅斯海北部發(fā)生了～200 km的相對(duì)運(yùn)動(dòng) (Cande et al., 2000),這可能進(jìn)一步導(dǎo)致了西南極瑟斯頓島-埃茨海岸與瑪麗·伯德地晚白堊世的古地磁極遠(yuǎn)離東南極的同時(shí)期參考古地磁極。

6 結(jié)論

古地磁數(shù)據(jù)支持西南極不同地區(qū)在中生代經(jīng)歷了復(fù)雜的板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程,并且相對(duì)東南極克拉通發(fā)生了不同程度相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中,瑟斯頓島-埃茨海岸與瑪麗·伯德地在120～100 Ma期間都發(fā)生了大規(guī)模南向移動(dòng),對(duì)應(yīng)著太平洋板塊翁通爪哇-馬尼?；?希庫(kù)朗基大火成巖省的噴發(fā)以及全球洋殼擴(kuò)張速率的高峰期。而～100 Ma以來(lái)瑟斯頓島-埃茨海岸、東瑪麗·伯德地向北運(yùn)動(dòng)而南極半島向南運(yùn)動(dòng)與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可能與古太平洋板塊-鳳凰板塊洋中脊在西南極的俯沖以及西南極裂谷帶的形成有關(guān)。南設(shè)得蘭群島是從南美安第斯山脈分離出來(lái)后逐漸拼貼到南極半島的,其板塊運(yùn)動(dòng)與安第斯山脈的構(gòu)造演化息息相關(guān)。因此,古地磁數(shù)據(jù)記錄了西南極不同地質(zhì)單元拼貼-裂離南極大陸的過(guò)程,是理解大洋板塊與大陸板塊相互作用過(guò)程的理想地區(qū),對(duì)其開(kāi)展深入研究有助于進(jìn)一步理解南極大陸形成過(guò)程、南太平洋構(gòu)造演化歷史及其地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

致謝:感謝特邀主編劉曉春研究員在成文過(guò)程中的大力幫助,感謝審稿人提出的寶貴意見(jiàn)。