西南极中—新生代古地磁与板块重建研究进展

高 亮

中国地质大学(北京)海洋学院,北京 100083

0 引言

横贯南极山脉(Transantarctic Mountains)将南极大陆分为东南极 (East Antarctica)与西南极(West Antarctica)。其中东南极位于横贯南极山脉以东,是在前寒武纪变质基底之上发育而成,其上覆盖有古生代沉积岩,并被以侏罗纪杜费克杂岩体(Dufex Complex)、弗拉尔粒玄岩岩床 (Ferrar Dolerite)及柯克帕特里克(Kirkpatrick)玄武岩为代表的的基性岩浆侵入或覆盖(Fitzsimons, 2000;陈廷愚等, 2008),普遍发育格林维尔与泛非两期高级变质事件(Zhao et al., 1992, 1995;赵越, 1993;Liu et al., 2003, 2006;陈廷愚等, 2008;刘晓春, 2018)。西南极位于横贯南极山脉以西,其东侧为威德尔海,西侧受到太平洋板块自古生代以来俯冲作用的持续影响,主要包括以下5个地质单元:斯科舍弧(Scotia Arc)、南极半岛(Antarctic Peninsula)、瑟斯顿岛-埃茨海岸(Thurston Island-Eights Coast)、玛丽·伯德地(Marie Byrd Land)与埃尔斯沃思山脉(Ellsworth Mountains) (Dalziel, 1982)。这些地质单元经历了不同的构造演化,具有不同的地质记录,由大规模断层或洋壳分隔。新西兰曾为西南极的一部分,与玛丽·伯德地相连,晚白垩世之后逐渐向北运动到目前的位置 (Cande et al., 1995;Mukasa and Dalziel, 2000)。与东南极相对稳定的克拉通相比,西南极地块中生代以来经历了板块运动及与之相关的构造-岩浆-成矿作用,这与冈瓦纳大陆的形成与裂解息息相关。因此,对不同地块开展古大陆重建对理解冈瓦纳大陆边缘板块汇聚、裂解过程、成矿成藏效应及其地球动力学背景具有重要意义。古地磁学能半定量约束板块运动过程,从不同空间与时间尺度重建岩石圈构造演化,在板块构造研究中发挥着重要作用,相关学者们在西南极开展了一定程度的古地磁与古大陆重建工作,文章总结了这些在西南极发表的中—新生代古地磁数据,结合东南极同期视极移曲线,对东南极与西南极不同地块开展了古大陆重建,探讨了其代表的大地构造意义。

1 南极半岛与南设得兰群岛中—新生代古地磁学研究

1.1 地质背景

南极半岛位于西南极最北端,靠近南美板块,其形成过程及构造属性仍存在一定争议(图1)。Suárez(1976)提出南极半岛是发育在冈瓦纳大陆边缘,在古太平洋板块俯冲下形成的以中—新生代的岩浆弧为主的地体,发育了完整的沟-弧-盆体系。 之 后,Vaughan and Storey(2000) 和Vaughan et al.(2002)在南极半岛南部识别出大规模脆性-脆韧性东帕默地剪切带(Eastern Palmer Land Shear Zone),并通过对同变形期花岗岩脉40Ar-39Ar同位素定年,将剪切事件发生时间限定在106.9±1.1与102.8±3.3 Ma,并将这次构造事件被命名为“帕默地事件”。在此基础上Vaughan and Storey(2000)根据剪切带两侧地质特征的不同,将南极半岛划分为3个构造域,包括西部构造域 (Western domain)、中部构造域 (Central domain)与东部构造域(Eastern domain),提出了两个南极半岛拼合模型:一是中西部构造域作为外来地体在中—晚侏罗世时向东俯冲至东部构造域之下;二是东部构造域中—晚侏罗世时向西俯冲至中-西部构造域之下。两种模式中的中部与东部构造域都是在晚侏罗世发生了“软碰撞”和之后的走滑挤压以及抬升剥蚀,中白垩世时发生了“硬碰撞” (帕默地事件) (Vaughan and Storey, 2000;Vaughan et al., 2002)。其中,西部构造域包括南极半岛南部的亚历山大岛 (Alexander Island)、阿德莱德岛 (Adelaide Island) 与南极半岛北部的南设得兰群岛 (South Shetland Islands),主要地层为亚历山大岛浊积岩、外来洋底玄武岩与沉积岩组成的侏罗纪—白垩纪勒梅群(LeMay Group)和南设得兰群岛斯科舍杂岩群 (Scotia Metamorphic Complex) (Holdsworth and Nell, 1992;Vaughan et al., 2002)。在亚历山大岛出露了大面积的三叠系和上石炭统—二叠系含生物化石砂岩(Willan, 2003),亚历山大岛弧前盆地的增生杂岩楔形成时间为中侏罗世—中白垩世。Vaughan and Storey(2000)通过将西部构造域与新西兰东部、智利中南部以西和北巴塔哥尼亚增生变质杂岩进行对比,提出西部构造域可能是古太平洋板块向中部构造域俯冲过程中发育在中部构造域西侧的弧前增生楔或者外来地体。

图1 南极半岛地质简图 (据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

中部构造域位于东帕默地剪切带以西,正片麻岩变质基底主要出露在帕默地西北部,被侏罗纪—新生代辉长岩、花岗岩等侵入(Vaughan and Storey, 2000; Zheng et al., 2018)。对乔治六世海峡(George VI Sound)开展的多倍地震反射与宽角反射/折射地震图像显示,南极半岛南部中、西部构造域被伸展背景下的正断层所分隔 (Bell and King, 1998)。根据航空物探资料以及不同的岩石组合,Ferraccioli et al.(2006)将中部构造域进一步分为西部(长英质)与东部(镁铁质)地区,提出东西部拼贴导致东帕默地剪切带的形成。Vaughan and Storey(2000)将中部构造域与新西兰中部构造带、玛丽·伯德地、智利北部的科迪勒拉山系进行对比,认为其为外来地体拼贴到东部构造域。

东帕默地剪切带将中部构造域与东部构造域分开,东部构造域作为古生代时冈瓦纳大陆的延伸,主要由中生代沉积盆地与冈瓦纳大陆裂解时产出的中侏罗世钙碱性硅质大火成岩省(Chon Aike silicic large igneous province)、格雷厄姆地(Graham Land)晚石炭世—晚三叠世特里尼蒂半岛群(Trinity Peninsula Group)浊积岩、侏罗系普思特山组 (Mount Poster Formation)钙碱性火山岩、拉塔迪组(Latady Formation)海相到陆相的砂岩/泥岩组成 (Hathway, 2000;Riley et al., 2001)。区内出露的最老沉积地层是埃尔斯沃斯地(Ellsworth Land)晚古生代菲茨杰拉德组(Fitzgerald Formation)和厄文组 (Erewhon Formation),含二叠系舌羊齿类化石 (Laudon, 1991;陈廷愚等,2008)。拉塔迪组出露在南极半岛南部的拉塔迪盆地(Latady Basin),在白垩纪时被拉塞特海岸花岗岩-辉长岩 (Lassiter Coast Intrusive Suite)广泛侵入,岩浆活动主要分为3期,分别是130～126 Ma,118～113 Ma,和108～102 Ma(Riley et al., 2018)。 Burton-Johnson and Riley(2015)通过搜集整理南极半岛不同构造域的地质、地球化学、地球物理等资料,提出南极半岛不同构造域具有相同年代与地球化学特征的变质基底,其上发育的地层也可对比,提出南极半岛非外来地体拼贴组成,而是古太平洋板块持续俯冲作用下发育在南极大陆边缘的典型的沟-弧-盆体系,支持Suárez(1976)最初提出的观点。

南极半岛的岩浆活动至少始于泥盆纪(Riley et al., 2012)并且持续到～23 Ma(Jordan et al., 2014),目前已发现两期主要的岩浆活动,第一期可区分出3次与伸展有关的以酸性岩浆岩为主的岩浆作用,分别发生于187～182 Ma、171～167 Ma和157～153 Ma,这些岩浆活动可能与冈瓦纳大陆的裂解有关 (Riley et al., 2010)。第二期以钙碱性与拉斑玄武岩为主,时代从早—中白垩世到中新世(Haase et al., 2012),与古太平洋板块俯冲有关。南设得兰群岛位于南极半岛北西端,布兰斯菲尔德海峡 (Bransfield Strait)在上新世之后将南极半岛与南设得兰群岛分开(Haase et al., 2012)。南设得兰群岛火山活动自早白垩世到中新世,呈现出自西南向东北逐渐变年轻的趋势,但这种趋势在古近纪之后发生了变化,因为在利文斯顿岛赫德半岛 (Hurd Peninsula)以及雪岛总统角(Present head,Snow Island)、罗伯特岛铜矿半岛(Coppermine Peninsula,Robert Island)等地出现了古近纪的基性岩脉、岩墙,晚更新世以来火山活动又开始活跃(刘小汉和郑祥身, 1988;李兆鼐等, 1992;Haase et al., 2012)。

1.2 中—新生代古地磁研究

相关学者在南设得兰群岛与南极半岛开展了比较丰富的古地磁研究。Blundell(1962)最早在南极半岛开展了古地磁研究,通过对安第斯侵入岩的古地磁研究获得了南极半岛白垩纪古地磁极位置。Hamilton(1966)重新解释了 Blundell(1962)的古地磁数据,提出已有的古地磁数据支持南极半岛弧形构造是由构造变形导致。Dalziel et al.(1973)对南设得兰群岛利文斯顿岛(Livingston Island) ～40 Ma的侵入岩进行了古地磁研究,提出南极半岛的弧形构造形成于～40 Ma以前,由于测年方法的限制,其提出的侵入岩年龄可能不准确。Kellogg and Reynolds(1978)对南极半岛南部的拉塞特海岸侵入岩进行了古地磁研究,所有样品均为正极性,对其中3个样品中黑云母与角闪石K-Ar定年得到平均年龄为99 Ma,所以火山岩形成于白垩纪超正极性带,结合Blundell(1962)和Dalziel et al.(1973)在南极半岛北部的古地磁数据,认为南极半岛北部在～100 Ma之后没有发生相对运动。Watts(1982)报道了乔治王岛菲尔德斯半岛 (Fildes Peninsula,King George Island)早始新世古地磁结果,认为早始新世以来,南极半岛相对于东南极没有发生明显相对运动。Watts et al.(1984)对乔治王岛华沙半岛(Warszawa Block)埃斯库拉湾群与亨内克角群(～49 Ma)、雪岛总统角岩脉(～54 Ma)、格林威治岛(Greenwich Island)侵入岩 (～82 Ma) 以及利文斯顿岛拜尔斯半岛 (Byers Peninsula)火山岩(～96 Ma)进行了古地磁研究,对比东南极以及Kellogg(1980)在南极半岛南部奥维尔海岸(Orville Coast)古地磁结果,提出南极半岛北部与奥维尔海岸从～100 Ma至今没有发生相对运动。Longshaw and Griffiths(1983)对东格雷厄姆地侏罗纪侵入岩与火山熔岩开展了古地磁研究,获得了～175 Ma的古地磁极(48.0°S,238.0°E,A95=9.5°)。Grunow(1993)通过在南极半岛北部以及南设得兰群岛古地磁研究,结合相关学者的数据,获得了南极半岛-南设得兰群岛～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°)的古地磁极,在与东南极古地磁极进行对比后,提出南极半岛相对于东南极在175～155 Ma之间发生了顺时针旋转,与之对应的是威德尔海以及莫桑比克和索马里盆地的打开。在155～130 Ma之间,南极半岛相对于东南极发生逆时针旋转,对应于威德尔海盆扩张中心北移,并且Grunow(1993)认为南极半岛东南部帕默地构造事件与威德尔海向南极半岛的俯冲有关,而现在威德尔海盆西南部可能还残存有侏罗纪海盆。

Nawrocki et al.(2010)对乔治王岛华沙半岛火山岩开展了古地磁与同位素年代学研究,重新厘定了华沙半岛内地层的年代,得到的数据显示华沙半岛相对于东南极克拉通发生了逆时针旋转,推断是由大型走滑断裂运动导致的局部构造旋转,但Poblete et al.(2011)认为其多数火山岩数据没有平均掉长期变,而非构造旋转引起的磁偏角异常。Poblete et al.(2011)在南设得兰群岛与南极半岛北部部分地区开展了古地磁研究,结合Grunow(1993)和Watts et al.(1984)的数据,排除掉南设得兰群岛与南极半岛之间存在相对旋转以及火山岩长期变没有被平均掉的可能性后,得到南设得兰群岛与南极半岛北部～60 Ma与～90 Ma的古地磁极,重建了南极半岛与南美板块～60 Ma与～90 Ma的古构造位置,提出南极半岛北部存在比较广泛的～90 Ma的重磁化影响。Milanese et al.(2019, 2020)在南极半岛东侧北端的詹姆斯罗斯岛 (James Ross Island)与内瓦多岛(Nevado Island)开展了古地磁研究,获得了南极半岛～80 Ma的古地磁极,通过与相关学者数据进行对比,支持南极半岛自～90 Ma以来没有发生大规模运动。而在内瓦多岛的古地磁研究显示其相对于西摩岛(Seymour Island)与詹姆斯罗斯岛发生了47.9°±20.0°的逆时针旋转,通过对比西摩岛与内瓦多岛古地磁偏角与地层走向发现两者变化一致,因此将逆时针旋转归结为走滑断层引起的地块旋转。

中国在南极半岛-南设得兰群岛的古地磁研究始于上世纪80年代,早期的研究主要集中在长城站所在的乔治王岛菲尔德斯半岛内,1986年10月到1987年5月期间,金庆民等在菲尔德斯半岛采集了古地磁样品,提出菲尔德斯半岛自始新世以来向赤道方向移动了大约3°(冯宁生等, 1989)。1986年l1月至1989年3月,郑祥身两次在菲尔德斯半岛利用便携式汽油钻机采集了古地磁样品,绘制了西南极自侏罗纪—白垩纪至始新世的视极移曲线,初步讨论了冈瓦纳裂解过程中澳大利亚与南极洲相对运动以及菲尔德斯半岛古地理位置(刘椿等, 1991)。在这之后,中国在南极半岛-南设德兰群岛的古地磁学研究中断,直到Gao et al.(2018)通过中国第31次南极科学考察(2014～2015年),对西南极南设得兰群岛乔治王岛菲尔德斯半岛与利文斯顿岛拜尔斯半岛白垩纪—始新世火山-沉积地层开展了系统的古地磁学、岩石磁学、岩相学与40Ar/39Ar同位素年代学研究,获得了南极半岛早白垩世(～110 Ma)与早始新世(～55 Ma) 古地磁极;通过玄武岩全岩40Ar/39Ar谱年龄将菲尔德斯半岛玛瑙滩组-长山组火山-沉积地层形成年代限制在56～52 Ma;提出了南设德兰群岛部分地层经历了重磁化影响;同时提出了南极半岛南部的奥威尔海岸(Orville Coast),东埃尔斯沃思地和瑟斯顿岛(Thurston Island)相对于南极半岛北部(拜尔斯半岛与佩诺拉海峡)发生了顺时针旋转,这可能与南极半岛中白垩世的帕默地事件有关;重建了南极半岛与南美板块中白垩世以来的古地理位置,提出南极半岛与南美板块在110～55 Ma时连接在一起,并且共同经历了顺时针旋转与南向移动。因此,自上世纪80～90年代之后,中国在西南极的古地磁研究范围已扩展到除菲尔德斯半岛以外的南设德兰群岛其他地区,但遗憾的是尚未涉及到南设得兰群岛之外的西南极其他地区。

2 瑟斯顿岛-埃茨海岸古地磁学研究

2.1 地质背景

瑟斯顿岛-埃茨海岸位于东经255°～270°与南纬71°～75°之间,发育?于半地堑中的阿博特冰架(Abbot Ice Shelf) 将瑟斯顿岛与埃茨海岸分开(图2)。瑟斯顿岛-埃茨海岸主要出露了晚古生代—中生代岛弧岩浆岩,是在古太平洋板块的持续俯冲下形成的,主要为钙碱性花岗闪长岩,还包括花岗岩、闪长岩、火山碎屑岩、火山凝灰岩与熔岩流等,并且沿着两条东西走向平行于阿博特冰架的断层分布(White and Craddock, 1987;Pankhurst et al., 1993)。瑟斯顿岛的基底由晚石炭世花岗质混合片麻岩组成,主要出露在瑟斯顿岛东部的摩根湾(Morgan Inlet)和门泽尔岬(Cape Menzel)(Leat et al., 1993)。片麻岩被后期的变形较弱的细晶岩和伟晶岩脉以及基性岩脉和角闪辉长岩脉切穿 (Pankhurst et al., 1993)。对片麻岩和细晶岩、伟晶岩脉的Rb-Sr年代学研究分别获得309±5.0 Ma(MSWD 3.4,87Sr/86Sr: 0.7040) 和311±3.0 Ma的年龄,说明岩脉的侵入与基底变质基本同期 (Pankhurst et al., 1993)。Riley et al.(2017)对片麻岩中的锆石开展了年代学研究,获得花岗岩形成年龄为349±2.0 Ma。 锆石的εHf值位于1.0±2.1～9.8±1.2之间,均值为6.2±1.2,对应于～700 Ma的亏损地幔模式年龄。较低的87Sr/86Si值以及εNdi(-0.7～+2.1)代表岩浆主要源于新生下地壳,有古老地壳物质混染。晚石炭世变质基底被晚古生代—早中生代的辉长岩-闪长岩侵入(Lopatin et al., 1972),其主要出露在摩根湾、福伊里山 (Mount Feury)、盖峰(Guy Peaks) 和布拉姆霍尔山(Mount Bramhall)等地,Pankhurst et al.(1993)对从这些侵入岩中分离出的角闪石和黑云母开展的K-Ar、40Ar-39Ar、Rb-Sr同位素年代学研究,显示其形成年代集中在286±8.0～220±6.0 Ma。对闪长岩中分离出的锆石开展U-Pb年代学支持其形成年龄为239±4.0 Ma(Riley et al., 2017)。锆石的εHf值位于0.3±3.7～7.6±4.0之间,对应于～950 Ma的亏损地幔模式年龄,代表其形成过程有古老地壳混染 (Riley et al., 2017),87Sr/86Si=～0.7067以及εNd=-3.7也支持古老地壳混染(Pankhurst et al., 1993)。早侏罗世花岗岩主要分布在埃茨海岸的琼斯山脉(Jones Mountains),全岩Rb-Sr年龄为198±2.0 Ma(MSWD=2.5;Pankhurst et al., 1993),与白云母K-Ar年龄(199±6.0 Ma; Craddock et al., 1964; 183±5.0 Ma,Pankhurst et al., 1993)比较一致。瑟斯顿岛早—中侏罗世的喷出岩和浅成侵入岩主要分布在岛的中南部,其中的火山碎屑岩经历了广泛的低级变质作用,斑晶与基质蚀变为绿泥石、阳起石、白云母和绿帘石等矿物 (Pankhurst et al., 1993)。Pankhurst et al.(1993)从6个样品中获得全岩Rb-Sr等时线年龄为164±9.0 Ma。瑟斯顿岛晚侏罗世—早白垩世花岗岩、花岗闪长岩与闪长岩主要出露在西部(White and Craddock, 1987),全岩与单矿物40Ar-39Ar和Rb-Sr年代学研究结果显示这些岩石主要形成年代为153±10.0～134±2 Ma。Riley et al.(2017)对出露在黑尔冰川 (Hale Glacier)的黑云母花岗岩锆石年代学研究确定其形成年代为151±2 Ma,对应的εHf值位于-7.9±3.5～2.6±2.2之间,代表亏损地幔模式年龄为860 Ma,说明岩浆过程存在古老地壳混染。东部的早白垩世辉长岩-花岗岩主要出露在贝尔纳普冰原岛峰(Belknap Nunatak)、哈里森冰原岛峰 (Harrison Nunatak)、麦纳玛拉岛(McNamara Island)、和达斯廷岛(Dustin Island),其中黑云母和角闪石的K-Ar、Rb-Sr年龄集中在～125 Ma以及～110 Ma。中—晚白垩世的火山岩出露在琼斯山,主要包括火山碎屑岩、中酸性凝灰岩以及熔岩,所有岩石都经历了后期热液蚀变影响,形成了绿泥石等蚀变矿物。对其中部分英安岩、凝灰岩、集块岩和霏细岩全岩开展的Rb-Sr研究获得三组年代学数据,包括102±11.0 Ma、91±1.0 Ma和89±3.0 Ma,考虑到所有样品都经历了后期蚀变影响,因此部分年代学数据可能无法反映真实的成岩年龄(Pankhurst et al., 1993)。位于埃茨海岸最东部的勒普莱冰原岛峰(Lepley Nunatak)的花岗闪长岩黑云母K-Ar与40Ar-39Ar年代学研究也获得了晚白垩世的年龄(87±2 Ma和89±1 Ma;Pankhurst et al., 1993)。Riley et al.(2017)对勒普莱冰原岛峰黑云母花岗岩开展了锆石U-Pb年代学研究,确定其形成年龄为108±1.0 Ma,对应的εHf值位于-8.8±3.5和-1.2±2.3之间,代表亏损地幔模式年龄为860 Ma,说明岩浆形成过程经历了古老地壳的混染。

图2 瑟斯顿岛-埃茨海岸地质简图(据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

除了南极半岛古地磁研究从上世纪持续至今,西南极其余地区古地磁研究大多停留在上世纪90年代,主要由“美国-英国联合西南极构造演化研究计划”(United Kingdom-United States West Antarctic Tectonics Project)和“美国-英国-新西兰联合南太平洋边缘构造演化研究考察队”(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) 首先在瑟斯顿岛-埃茨海岸开展了有限的古地磁研究,之后Grunow等人在瑟斯顿岛-埃茨海岸开展了较为系统的古地磁研究(728个样品,114个采点),采集了自古生代至新生代,包括岩墙、岩脉、沉积岩与变质岩样品。Grunow et al.(1987) 对白垩纪的辉长岩、花岗岩开展了研究,分离出了原生特征剩磁分量,获得一个～125 Ma的古地磁极(49.0°S,232.0°E, A95=7.9°; 图2)。 之后Grunow et al.(1991)又对剩余花岗闪长岩、闪长岩、火山碎屑岩开展古地磁研究,获得了～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°) 的古地磁极,建立了一条瑟斯顿岛-埃茨海岸三叠纪—晚白垩世视极移曲线,对西南极不同地块开展了古大陆重建,重点探讨了冈瓦纳大陆裂解、西南极地块运动以及威德尔海打开等之间的关系。

3 玛丽·伯德地古地磁学研究

3.1 地质背景

玛丽·伯德地根据地质特征不同分为西部罗斯区(Ross Province)和东部阿蒙森区(Amundsen province)(Lopatin et al., 1972; Pankhurst et al., 1998;图3)。西部露头主要分布在福特岭(Ford Ranges),出露玛丽·伯德地已知最老地层斯旺森组(Swanson Formation)与福斯迪克杂岩(Fosdick Complex)(Adams, 1986;陈廷愚等, 2008)。其中斯旺森组地层以灰色石英砂岩与页岩为主,经受了一定程度的变质作用,其中砂岩具有平行与交错层理,可能为发育在深海沉积扇的浊流沉积(Adams, 1986;陈廷愚等, 2008)。福斯迪克杂岩主要由片岩与片麻岩组成,出露在福斯迪克山脉(Fosdick Mountains)与海王星冰原岛峰(Neptune Nunataks),其起初被认为是形成于前寒武纪(Adams, 1986),但之后构造、岩性以及年代学证据支持其为经历了白垩纪混合岩化改造的斯旺森组(Adams, 1986;陈廷愚等, 2008)。斯旺森组板岩的全岩K-Ar年龄分为380～350 Ma和450～410 Ma两组,其中较年轻的一组年龄代表区内广泛分布的晚泥盆世福特岭花岗闪长岩形成过程导致的热变质作用,而较老的一组年龄代表晚奥陶世区内发生的一次低级变质作用(Adams, 1986)。斯旺森组板岩的全岩Rb-Sr年龄为～444 Ma,支持晚奥陶世的变质事件(Adams, 1986)。从最浅变质泥质岩中获得的Rb-Sr模式年龄为593 Ma(Adams, 1986),因此斯旺森组的形成年代可能为寒武纪—早奥陶世 (Mukasa and Dalziel, 2000)。同样的岩石组合与变质事件在新西兰坎贝尔岛(Campbell Island)与新西兰南岛西海岸也有报道,说明这些地区可对比,但斯旺森组的变质年代晚于东南极的北维多利亚地与澳大利亚的塔斯马尼亚相关地层的变质年代(晚寒武世—早奥陶世),说明罗斯海两侧经历了不同过程的变质作用(Adams, 1986)。

图3 玛丽·伯德地地质简图(据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

玛丽·伯德地在晚泥盆世—早石炭世发育比较广泛的岩浆活动,主要为I型花岗岩,但缺少罗斯造山运动的地质记录(Adams, 1986;Mukasa and Dalziel, 2000)。在东玛丽·伯德地的鲁珀特海岸(Ruppert Coast)发育一套中—晚泥盆世含植物化石的沉积地层(Grindley, 1981),其上覆盖有以安山岩为主的浅变质火山岩,K-Ar年龄为361～288Ma(Lopatin et al., 1974),火山岩形成之后,该区又经受了比较强的褶皱作用 (Lopatin et al., 1974)。侏罗纪—白垩纪的岩浆活动发育,其中晚侏罗世—早白垩世以I型花岗岩类以及相关的火山岩为主,主要分布在派恩艾兰湾 (Pine Island Bay)、科勒岭(Kohler Range)、鲁珀特海岸东部与福特岭;中白垩世以A型花岗岩类以及基性岩墙与岩脉为主 (Mukasa and Dalziel, 2000),主要分布在鲁珀特海岸。白垩纪与俯冲有关的钙碱性花岗岩在约110±1.0 Ma时停止在东玛丽·伯德地西部的鲁珀特海岸和霍布斯海岸(Hobbs coasts)发育,而在东部派恩艾兰湾的停止时间为96±1.0 Ma,代表太平洋-凤凰板块向玛丽·伯德地的俯冲是自西向东逐渐停止(Mukasa and Dalziel, 2000)。另外,鲁珀特海岸和霍布斯海岸白垩纪钙碱性花岗岩经历了快速的(～9 Ma)从俯冲型花岗岩(110±1.0 Ma) 向伸展型花岗岩(101±1.0 Ma)的转变,代表该区在～100 Ma时经历了一次快速的构造转换(Mukasa and Dalziel, 2000)。

3.2 中生代古地磁研究

玛丽·伯德地古地磁采样点分布较广(图3),Grindley and Oliver(1983)首先在东玛丽·伯德地的鲁珀特海岸和霍布斯海岸开展了古地磁研究,从流纹岩与基性岩脉中采集了26个采点,获得一个112～91 Ma的古地磁极 (66.0°S,241.0°E,A95:dp=8.7°,dm=8.8°),通过与东南极同期古地磁极对比后,推断玛丽·伯德地自中白垩世以来相对东南极发生了200～500 km 的北东向运动和顺时针旋转。DiVenere et al. (1994, 1995) 在鲁珀特海岸和霍布斯海岸开展了古地磁研究,从伊克斯山 脉 (Ickes Mountains)、麦当劳高地(McDonald Heights)、佩特拉斯山(Mount Petras)、万斯山(Mount Vance)等地的正长岩、辉长岩和花岗岩、玄武岩中获得了～100 Ma(75.7°S,224.1°E,A95=3.8°), ～117 Ma(56.8°S,185.6°E,A95=8.7°) 两个古地磁极。DiVenere et al.(1994)与Grindley and Oliver(1983)获得的古地磁极位置不一致,但是与南极半岛和瑟斯顿岛同期的古地磁极互相重合,因此DiVenere et al.(1994) 推断Grindley and Oliver(1983)获得的数据可能受到了地层倾斜的影响。Luyendyk et al.(1996)从西玛丽·伯德地菲利普斯山脉(Phillips Mountains)、切斯特山脉(Chester Mountains)和福斯迪克山29个采点中获得一个～100 Ma的古地磁极(70.5°S,222.3°E;A95=6.1°),其中泥盆纪—石炭纪花岗闪长岩、英云闪长岩以及福斯迪克变质杂岩中的片麻岩分离出的重磁化方向与从中白垩世岩脉中获得的方向一致,代表玛丽·伯德地在～100 Ma时经历了大范围的重磁化事件。Luyendyk et al.(1996)综合相关学者在南极半岛、玛丽·伯德地和瑟斯顿岛～100 Ma的古地磁极,计算了一个西南极平 均古地磁 极 (73.5°S,215.2°E,A95=4.0°)。通过与不同研究所报道的东南极古地磁极进行对比后,Luyendyk et al.(1996)提出选择不同的东南极古地磁极可能得到东南极与西南极相互运动过程截然相反的结论,其中Grunow et al.(1991)选择的东南极古地磁极与西南极的古地磁极在误差范围内互相重合,代表两地区自～100 Ma以来缺少相对运动;然而DiVenere et al.(1994)和Luyendyk et al.(1996)选择的东南极古地磁极显示自～100 Ma以来西南极不同地块相对于东南极发生了不同程度的顺时针旋转与纬向移动。

4 埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉古地磁学研究

4.1 地质背景

埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉 (Ellsworth-Whitmore Mountains)位于南极半岛与横贯南极山脉之间,根据岩性与构造解析,此区域被分为三部分:蒂埃尔山脉(Thiel Mountains)、哈格冰原岛峰(Haag Nunataks)和埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉(图4)。其中,蒂埃尔山脉为横贯南极山脉的一部分,主要出露前寒武纪基底、早古生代花岗岩、比肯超群以及弗拉尔粒玄岩岩床(Storey and Dalziel, 1987)。哈格冰原岛峰主要出露前寒武纪的正片麻岩 (Storey and Dalziel, 1987)。埃尔斯沃思山脉至蒂埃尔山脉被进一步分为埃尔斯沃思山脉构造域、边缘构造域以及沃拉德山 (Mount Voollard) (Storey and Dalziel, 1987)。其中埃尔斯沃思山脉构造域主要出露寒武纪—二叠纪的浅海相沉积地层,后被花岗岩侵入,地层中发育了西北—东南向的褶皱,褶皱时间可能为二叠纪—中侏罗世之间(Dalziel et al., 1987);边缘构造域的地层相比于埃尔斯沃思山脉构造域经历了更强烈的构造变形。沃拉德山可能在构造上属于埃尔斯沃思山脉构造域,但是其经历了更高级的变质作用 (Storey and Dalziel, 1987)。构造变形产生的褶皱与断层等的走向在埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉的边缘与内部不同地区不同,可能与埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉后期构造旋转有关 (Dalziel et al., 1987)。埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉的岩浆岩主要包括中侏罗世的岩基与零星出现的火山岩与侵入岩 (Dalziel et al., 1987)。其中后者主要包括寒武纪的双峰式火山岩以及侵入寒武纪地层中与哈特山(Hart Hills)变沉积岩中的辉长岩岩株与岩脉(Dalziel et al., 1987)。中侏罗世的花岗岩尽管分布广泛,但年代集中在～175 Ma,岩相学与地球化学证据显示其为S型花岗岩,可能形成于陆内伸展背景下的地壳熔融,同期岩浆作用也发生于横贯南极山脉(弗拉尔粒玄岩岩床Ferrar Supergroup)、南非 (南非干旱台地高原溢流玄武岩Karoo dolerites)、与南美 (陶比发拉群Tobifera Group硅质火山岩与达尔文组S型花岗岩Darwin Granite Suite),代表了冈瓦纳超大陆裂解前广泛分布的一次构造伸展背景下的岩浆事件 (Dalziel et al., 1987)。

图4 埃尔斯沃思-惠特莫尔山地质简图(据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

相关学者在埃尔斯沃思山脉、哈格冰原岛峰、哈特山、马丁山(Martin Hills)、莫尔兰冰原岛峰(Moreland Nunatak)、约翰斯山(Mount Johns)、摩尔山(Mount Moore)、沃拉德山、纳什山 (Nash Hills)、帕格诺冰原岛峰 (Pagano Nunatak)、皮瑞特山 (Pirrit Hills)、惠特莫尔山脉等地开展了古地磁研究,报道了寒武纪和中侏罗世 (175 Ma)两个古地磁极 (Grunow et al., 1987;Randall and Mac Niocaill, 2004;图4)。其中,寒武纪的古地磁数据显示埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉相对于东南极自寒武纪以来发生了约90°的逆时针旋转 (Randall and Mac Niocaill, 2004)。中侏罗 世 古 地 磁 极 (41.2°S,232.2°E, A95=5.3°)与在南极半岛格雷厄姆地(Graham Land)(48.0°S,238.0°E,A95=9.5°) 获得的同期古地磁极互相重合,代表两地块在中侏罗世位置比较接近。Grunow et al.(1987)将这两个古地磁极平均后,获得南极半岛-惠特莫尔山脉中侏罗世平均古地磁极 (45.8°S,237°E,A95=6.4°)。在与横贯南极山脉同期古地磁极 (54.8°S,220.3°E,A95=3.9°) 对比后显示南极半岛-埃尔斯沃思山与横贯南极山脉之间自中侏罗世以来存在约15°±10°的相对旋转。

5 讨论

古地磁是开展古大陆重建与构造演化研究必不可少的手段之一,尽管西南极的古地磁与古大陆重建研究始于上世纪中期,但由于极端恶劣的野外工作环境以及地表露头较少、后勤支撑有限等原因导致目前已发表的中生代以来的古地磁数据依然非常少,尤其是瑟斯顿岛、玛丽·伯德地和埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉部分年代只有一个古地磁极,数据的缺乏导致很难在同一地块对比验证已发表的古地磁数据的可靠性(表1)。南极半岛北部有较多的科考站,相对于西南极其他地区在野外考察过程中更易获得后勤支撑,因此南极半岛的古地磁数据相对丰富,但也主要集中在南极半岛北部的中白垩世至早始新世(图5),缺少白垩纪之前、中始新世以来的数据以及南极半岛南部的数据,因此,文章只能根据已经报道的有限的数据来对西南极不同地块开展古构造重建并且讨论其构造演化意义。

图5 西南极不同地块中—新生代古地磁极与东南极视极移曲线等面积投影图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

为了探讨西南极各地块与东南极之间相对运动,选取了东南极侏罗纪以来的视极移曲线(Torsvik et al., 2012) 进行对比 (图5)。考虑到南设得兰群岛曾被划分为西部构造域(Vaughan and Storey, 2000),可能是外来地体拼贴到南极半岛,因此将南设得兰群岛与南极半岛古地磁数据分开进行讨论。南极半岛～175 Ma的古地磁极是从南极半岛东北部的奥斯卡二世海岸(Oscar Ⅱ Coast)和科尔半岛 (Cole Peninsula)24个采点(82个样品)的花岗岩、花岗闪长岩和英云闪长岩中获得,未经产状校正,两地区相距较远但古地磁方向比较一致,说明区域内后期可能没有经历太强烈的构造影响(Longshaw and Griffiths, 1983),这可能是由于采样区位于大西洋一侧,因此受到太平洋板块俯冲影响较小。埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉～175 Ma的古地磁极是从纳什山(Nash Hills)和帕格诺冰原岛峰 (Pagano Nunatak)8个采点(37个样品)的花岗岩、变沉积岩中获得,采样区分散但是古地磁方向集中,说明区内侏罗纪之后的地层可能变形较弱(Grunow et al., 1987)。这两个古地磁极的位置比较接近,说明南极半岛与埃尔斯沃思-惠特莫尔山脉在～175 Ma时距离较近。南极半岛～160 Ma的古地磁数据是从其太平洋边缘伯恩湾(Bone Bay)的花岗岩与基性岩脉中获得(Grunow, 1993),由于无法确定古水平面,因此数据没有经过产状校正,无法判断这个古地磁极是否可靠。南设得兰群岛～155 Ma的古地磁极是从沉积岩中获得的(Grunow, 1993),进行了地层产状校正,通过了褶皱检验并且与其后的古地磁极都不重合,可能代表了原生剩磁(图5)。南极半岛伯恩湾与南设得兰群岛～160 Ma与～155 Ma古地磁极在误差范围内互相重合(Grunow, 1993)。伯恩湾位于南极半岛的最北端,布兰斯菲尔德海峡将其与南设得兰群岛隔开,在布兰斯菲尔德海峡打开之前,两者位置十分接近,所以伯恩湾有可能属于南设得兰群岛的一部分,只是在菲尔德斯海峡打开时没有随着南设德兰群岛分离出南极半岛,这有待更多的地质证据验证,因此伯恩湾的古地磁数据能否代表整个南极半岛就存在疑问。Grunow(1993)报道的～130 Ma的古地磁极是从南极半岛的杰拉许海峡(Gerlache Strait)的班克山 (Mount Banck)与拜尔斯半岛的斯梅利角(Point Smellie)获得的,其中在班克山花岗岩(～130 Ma,Rb-Sr全岩年龄)中分离出两个分量,低温分量在＜450 ℃解阻,对应的方向为D=21.6°,I=-70.4°,高温分量在＜570 ℃解阻,对应的方向为D=327.1°,I=-77.6°;拜尔斯半岛斯梅利角火山岩与沉积岩形成于～140 Ma,其中从火山岩中获得的方向为D=320.1°,I=-62.2°,从沉积岩中获得的方向为D=24.5°,I=-66.9°,均通过了褶皱检验,但是火山岩中古地磁数据具有正负极性,且通过了倒转检验,而沉积岩只存在正极性,因此Grunow(1993)提出火山岩可能携带了原生剩磁,而沉积岩遭受了后期重磁化,根据地层褶皱时间推断重磁化事件发生在～130 Ma。Grunow(1993)使用班克山花岗岩与斯梅利角沉积岩古地磁方向计算了一个～130 Ma的古地磁极,考虑到班克山花岗岩的高温剩磁分量应该比低温剩磁分量稳定,因此即使发生了重磁化也应该是低温分量记录了后期的重磁化方向,并且斯梅利角的沉积岩重磁化时间也没有很好的限定,因此讨论中没有采用Grunow(1993) ～130 Ma的古地磁极。南极半岛与南设得兰群岛获得的中白垩世数据(120～100 Ma)存在明显差异(图5),其中南极半岛～110 Ma的古地磁数据是从姆特角(Moot Point)闪长岩中获得(Grunow, 1993),尽管没有经过地层产状校正,但是这个古地磁极在误差范围内与东南极参考古地磁极十分接近,说明两者之间在～110 Ma之后可能仅存在小规模的相对运动(图5)。南设得兰群岛～120 Ma与～107 Ma的古地磁数据是从火山熔岩与沉积岩中获得(Grunow, 1993;Gao et al., 2018),经过了产状校正。南极半岛缺失～140 Ma古地磁数据,南设得兰群岛～140 Ma的古地磁数据能否代表整个南极半岛还不确定,此时南设得兰群岛位于较低纬度,而利文斯顿岛晚侏罗世—晚白垩世迈尔斯布拉夫组(Miers Bluff Formation)与南美安迪斯山脉早二叠世—早白垩世迪克德约克混杂岩(Duque de York Complex)的碎屑锆石具有相同的年龄峰值,代表其具有可对比性 (Hervé et al., 2006)。 南设得兰群岛在140～107 Ma之间发生的顺时针旋转与南向位移对应于南美最南端罗斯卡维德斯盆地(Rocas Verdes basin)顺时针打开以及安第斯山脉大型左旋走滑断裂的运动 (Dalziel, 1981;Seymour et al.,2020)。107～90 Ma期间南设得兰群岛发生了大规模逆时针旋转(图5),与大规模逆时针旋转背景下罗斯卡维德斯盆地的关闭同期(Dalziel, 1981;Poblete et al., 2016)。在此期间,南美板块整体发生了大规模的南向运动,对南设得兰群岛与南美南端造成了挤压(Gao et al., 2018),这可能是导致南设得兰群岛与安第斯山脉最南端发生逆时针旋转的主要原因。而南极半岛在110～90 Ma期间发生了小规模的顺时针旋转与南向位移(图6),因此南设得兰群岛与南极半岛在早—中白垩世经历了不同的板块运动过程,说明两者在当时可能并非一个整体。南极半岛与南设得兰群岛在晚白垩世(～90 Ma)之后古地磁极基本重合,并且靠近东南极同期参考古地磁极(图5),说明他们之间自～90 Ma之后缺少大规模的相对运动。

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图6 东南极与西南极在～120 Ma,～100 Ma和～90 Ma时期的古大陆重建Fig.6 Plate reconstructions of East Antarctica and West Antarctica at ～120 Ma, ～100 Ma, and ～90 Ma

Kellogg and Rowley(1978)从南极半岛南部的拉塞特海岸4个采点(23个样品)的花岗闪长岩、闪长岩以及安山岩岩脉中获得一个～100 Ma的古地磁极,没有经过地层产状校正。Kellogg(1980)从南极半岛南部的奥维尔海岸与埃尔沃斯地13个采点(92个样品)的花岗岩、花岗闪长岩与岩脉中获得一个～108 Ma的古地磁极,样品取自不同地区,但是各采点的方向比较一致,说明采样地点在～108 Ma之后没有经历大范围的褶皱或者地层倾斜。古地磁数据显示半岛南部的奥维尔海岸相对于同时代的南极半岛北部地区发生了顺时针旋转。Kellogg(1980)提出顺时针旋转与埃尔斯沃思断裂 (Ellsworth fault)的右旋走滑有关。另外,此处顺时针旋转也可能与南极半岛弧形构造的形成有关,Vaughan et al.(2012)在南极半岛南部的帕默地识别出两期构造挤压事件,分别发生在～107 Ma与～103 Ma,对应的主应力方向分别为341°与259.5°。而对南极半岛不同时期的古地磁数据分析,Grunow(1993)提出南极半岛南北部古地磁数据的差异是由于南极半岛在不同时期发生板块运动导致的,与弧形构造的形成无关。但是Gao et al.(2018)在将南极半岛北部发表的117～104 Ma的古地磁数据分析后发现～110 Ma的古地磁极与东南极的参考古地磁极位置比较一致。但是南极半岛南部的奥维尔海岸～108 Ma的古地磁数据相对于南极半岛北部仍表现出较大规模的顺时针旋转。因此,南极半岛的弧形构造可能是～108 Ma之后形成的。马尼希基海底高原(Manihiki Plateau)是太平洋板块翁通爪哇-马尼希基-希库朗基 (Ontong Java-Manihiki-Hikurangi)大火成岩省的一部分,在105～100 Ma与南极半岛南部帕默地发生俯冲碰撞(Hochmuth and Gohl, 2017),与“帕默地事件” 时间接近 (Vaughan et al., 2012),这可能导致了南极半岛南部弧形构造的形成。DiVenere et al.(1994)曾将南极半岛南部与北部的数据平均后获得～106 Ma的南极半岛古地磁极,它与瑟斯顿岛-埃茨海岸和玛丽·伯德地约同时期的古地磁极位置接近,因此 DiVenere et al.(1994)计算了这三个地块的平均古地磁极,但是南极半岛南部与北部可能存在相对运动,因此,平均后的数据消除了两地区之间的相对运动,并不适合代表南极半岛～106 Ma的位置。

瑟斯顿岛-埃茨海岸～230 Ma的古地磁极是从布拉姆霍尔山3个采点(18个样品)的花岗闪长岩与闪长岩中获得,未经过地层校正(Grunow et al., 1991)。 ～175 Ma的古地磁极是从道林山(Mount Dowling)2个采点(12个样品)的火山碎屑岩中获得,通过了烘烤检验,没有褶皱检验,并且进行了地层校正,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未经地层产状校正的古地磁极可能并不可靠。～150 Ma 的古地磁极是从兰德福峰(Landfall Peak)和辛普森山 (Mount Simpson)5个采点(30个样品)的花岗岩、闪长岩与花岗闪长岩中获得,未经过地层产状校正 (Grunow et al., 1991)。 ～125 Ma的古地磁极是从贝尔纳普冰原岛峰5个采点(34个样品)的辉长岩、花岗岩脉与基性岩脉中获得(Grunow et al., 1991),未经过地层产状校正。除此以外,Grunow et al.(1991)在瑟斯顿岛-埃茨海岸还获得了～123 Ma,～142 Ma和～145 Ma的古地磁极,由于这些数据没有很好的年代学限制,所以没有被采用,但是～142 Ma的古地磁极靠近～150 Ma的古地磁极,～120 Ma的古地磁极也互相靠近,这些样品的采集地区相对分散,但都显示了比较低的古纬度,这说明尽管此区地层可能发生了倾斜,但是规模可能并不大。～110 Ma的古地磁极是从达斯廷岛和麦纳玛拉岛7个采点(44个样品)的闪长岩和辉长岩中获得,未经过地层产状校正 (Grunow et al., 1991)。 ～90 Ma 的古地磁极是从勒普莱冰原岛峰和琼斯山脉18个采点(102个样品)的花岗岩、长英质岩脉与基性岩脉中获得,未进行过地层产状校正(Grunow et al., 1991)。这两个古地磁极靠近南极半岛与玛丽·伯德地同时期的古地磁极,因此也可能仅经历了比较有限的地层倾斜的影响(图5)。瑟斯顿岛-埃茨海岸175～150 Ma的古地磁极位置比较接近,而～125 Ma的古地磁极与～150 Ma的古地磁极相距较远(图5),显示瑟斯顿岛-埃茨海岸150～125 Ma期间发生了大规模逆时针旋转。125～90 Ma瑟斯顿岛-埃茨海岸又发生了大规模顺时针旋转与快速的南向位移(图6),说明瑟斯顿岛-埃茨海岸在～125 Ma发生了一次构造转换。

由于西玛丽·伯德地晚古生代浊流沉积以及泥盆纪花岗闪长岩与东南极的北维多利亚地以及新西兰西部地块同期岩石地层单元可进行对比,而东玛丽·伯德地、新西兰东部地块与南极半岛以及南美相关地层可互相对比 (Dalziel and Grunow, 1985;DiVenere et al., 1995),因此DiVenere et al.(1995)在其重建中将西玛丽·伯德地与新西兰西部地块置于北维多利亚地附近,而将东玛丽·伯德地与西新兰东部地块置于瑟斯顿岛-埃茨海岸附近。东玛丽·伯德地～117 Ma的古地磁极是从鲁珀特海岸与霍布斯海岸的万斯/勒马叙里耶山(Mount Vance/LeMasurier)6个采点(38个样品)的火山岩中获得,通过了烘烤检验,进行了地层产状校正 (DiVenere et al., 1995)。东玛丽·伯德地～100 Ma的古地磁极 (75.7°S,224.1°E,A95=3.8°)是从鲁珀特海岸与霍布斯海岸19个采点(109个样品)的闪长岩和辉长岩样品中获得,通过了褶皱检验 (DiVenere et al., 1994)。西玛丽·伯德地～100 Ma的古地磁极是从菲利普斯山脉、柴斯特山脉和福斯迪克山29个采点中获得,识别出～100 Ma的重磁化方向,与东玛丽·伯德地同时期的古地磁方向在误差范围内基本一致。重磁化时间这与该区发生自挤压到伸展的构造转变时间基本一致(Mukasa and Dalziel, 2000)。类似的重磁化事件也发生在东南极的北维多利亚地 (Lanza and Zanella, 1993)以及澳大利亚东南部(Schmidt and Embleton, 1981)。古大陆重建显示东玛丽·伯德地远离南极其他地区,并且在117～100 Ma之间发生了较大规模的南向运动与逆时针旋转,东玛丽·伯德地向南运动对应于其内广泛分布的110～100 Ma古太平洋板块俯冲作用下产生钙碱性岩浆岩 (Mukasa and Dalziel, 2000)。因此,120～100 Ma期间在西南极可能发生了一次比较快速,且影响范围广泛的构造事件,导致东玛丽·伯德地与瑟斯顿岛-埃茨海岸发生了大规模南向运动(图6)。120～100 Ma快速的板块运动对应了太平洋板块翁通爪哇-马尼希基-希库朗基大火成岩省的喷发以及全球洋壳扩张速率的高峰期 (Larson, 1991;李三忠等, 2019),东玛丽·伯德地与瑟斯顿岛-埃茨海岸位于南极大陆环太平洋部分,因此其快速且大规模的南向位移可能与太平洋中白垩世大火成岩省的喷发导致的洋壳快速扩张有关。玛丽·伯德地东、西两部分～100 Ma的古地磁极互相重合,并且远离东南极同时期参考古地磁极,说明这两部分在～100 Ma已经拼贴在一起,对应于太平洋板块洋壳生长速率的突然降低(Larson, 1991)。南极半岛在120～100 Ma似乎没有发生大规模的板块运动,但是岩浆记录显示～120 Ma的岩浆活动已经从中部构造域以西的帕默地迁移到东部构造域的拉塞特海岸(Riley et al., 2018),代表在此期间古太平洋板块在南极半岛发生了比较强烈的平板俯冲作用,因此南极半岛同样受到了太平洋中白垩世大火成岩省的喷发的影响。如果南极半岛在这段时间仅仅发生了经度上的变化,古地磁数据将难以识别出这次大火成岩省的喷发对南极半岛板块运动造成的影响。

瑟斯顿岛-埃茨海岸与玛丽·伯德地在100～90 Ma发生了北向位移,而南极半岛在这段时间发生了小规模的顺时针旋转(图6)。玛丽·伯德地发育了中白垩世伸展背景下的花岗岩与基性岩脉,对应于古大陆重建显示的板块裂解 (Weaver et al., 1994;Adams et al., 1995)。在东玛丽·伯德地福特岭发育的以岩浆岩为核心的片麻岩穹隆也记录了105～94 Ma期间发生的快速抬升冷却,岩相学与构造研究证实这与岩浆的底辟作用有关(Siddoway et al., 2004)。鲁珀特海岸和霍布斯海岸A型正长岩年代学研究显示裂谷作用开始于～101 Ma,这与古太平洋-凤凰板块洋中脊(Pacific-Phoenix Ridge)俯冲至西南极的时间一致,裂谷作用的进一步发展最终导致了大新西兰(包括坎贝尔高原Campbell Plateau,查塔姆高地Chatham Rise, 北岛North Island,和南岛South Island) 与玛丽·伯德地之间～81 Ma洋壳的形成以及最终的分离 (Cande et al., 1995; Mukasa and Dalziel, 2000)。瑟斯顿岛-埃茨海岸～90 Ma的古地磁极远离南极半岛与东南极同时期的古地磁极,代表瑟斯顿岛-埃茨海岸与玛丽·伯德地可能相对于东南极与南极半岛在～90 Ma之后发生了一定规模的相对运动。因此～100 Ma之后西南极相对于东南极的运动主要集中在瑟斯顿岛-埃茨海岸与玛丽·伯德地,对应于中—晚白垩世西南极罗斯海地区的构造伸展作用。罗斯海地区在43～26 Ma期间又发生了地壳伸展,导致西南极相对于东南极在罗斯海北部发生了～200 km的相对运动 (Cande et al., 2000),这可能进一步导致了西南极瑟斯顿岛-埃茨海岸与玛丽·伯德地晚白垩世的古地磁极远离东南极的同时期参考古地磁极。

6 结论

古地磁数据支持西南极不同地区在中生代经历了复杂的板块运动过程,并且相对东南极克拉通发生了不同程度相对运动。其中,瑟斯顿岛-埃茨海岸与玛丽·伯德地在120～100 Ma期间都发生了大规模南向移动,对应着太平洋板块翁通爪哇-马尼希基-希库朗基大火成岩省的喷发以及全球洋壳扩张速率的高峰期。而～100 Ma以来瑟斯顿岛-埃茨海岸、东玛丽·伯德地向北运动而南极半岛向南运动与顺时针旋转可能与古太平洋板块-凤凰板块洋中脊在西南极的俯冲以及西南极裂谷带的形成有关。南设得兰群岛是从南美安第斯山脉分离出来后逐渐拼贴到南极半岛的,其板块运动与安第斯山脉的构造演化息息相关。因此,古地磁数据记录了西南极不同地质单元拼贴-裂离南极大陆的过程,是理解大洋板块与大陆板块相互作用过程的理想地区,对其开展深入研究有助于进一步理解南极大陆形成过程、南太平洋构造演化历史及其地球动力学机制。

致谢:感谢特邀主编刘晓春研究员在成文过程中的大力帮助,感谢审稿人提出的宝贵意见。