西南極巖漿作用及構造演化

鄭光高劉曉春趙 越裴軍令

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;

2.中國地質調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造重建重點實驗室,北京 100081

0 引言

南極大陸是地球上最古老的大陸塊體之一,經歷并保存了地球演化中一些重大的地質事件。南極大陸可劃分為東南極地盾、西南極活動帶以及夾于其間的橫貫南極山脈 (Transantarctic Mountains)三個構造單元 (Elliot, 1975; 陳廷愚等, 2008)。其中,西南極活動帶東靠橫貫南極山脈,西鄰太平洋,由哈格冰原島峰群 (Haag Nunataks)、南極半島(Antarctic Peninsula)、瑟斯頓島 (Thurston Island)、瑪麗·伯德地 (Marie Byrd Land)和埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈(Ellsworth-Whitmore Mountains)五個各具特色的地殼塊體組成 (Dalziel and Elliot, 1982;Storey et al., 1988a)。與東南極地盾相比,西南極活動帶相對年輕、構造不穩定,除哈格冰原島峰群地塊有前寒武紀基巖出露外,其他四個地塊是自～500 Ma以來,沿著與岡瓦納古太平洋邊緣的洋-陸匯聚帶形成的。其中,南極半島、瑟斯頓島和瑪麗·伯德地三個地塊構成了岡瓦納大陸中生代太平洋邊緣的一部分,而埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊包含了古生代晚期—中生代早期岡瓦納褶皺帶的一部分 (Storey et al., 1988a)。因此,在岡瓦納古陸聚合、裂解和離散過程中,西南極的主體地塊不同程度上記錄了岡瓦納古陸演化的重要信息。文章簡要總結和評述了西南極主要的巖漿作用事件及其所反映的構造環境,并探討了西南極的地質演化過程。

1 前寒武紀巖漿作用

西南極最古老的巖石出露在埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊和南極半島地塊之間的哈格冰原島峰群地塊(圖1,圖2;Storey et al., 1994;Wareham et al., 1998),面積約2km2,巖性為強變形和片理化的花崗閃長質-閃長質片麻巖,被細晶巖-偉晶巖和微粒花崗巖 (microgranite)巖席侵入(Riley et al., 2020)。花崗閃長質片麻巖中的主要構造組構呈南北走向,在剪切帶和褶皺重疊部位有明顯的二次變形,致使區域平面組構發生變形(Storey and Dalziel, 1987; Riley et al., 2020)。 由Rb-Sr全巖等時線方法獲得花崗閃長質片麻巖的原巖結晶年齡為1176±76 Ma,細晶巖-偉晶巖和微粒花崗巖的年齡稍微年輕,分別為1003±18 Ma和1058±53 Ma(Millar and Pankhurst, 1987)。

圖1 南極洲大地構造單元劃分(據Elliot, 1975修改)Fig.1 Division of the geotectonic units of Antarctica (modified after Elliot, 1975)AP-Antarctic Peninsula; EWM-Ellsworth-Whitmore Mountains; HN-Haag Nunataks; MBL-Marie Byrd Land; TI-Thurston Island

后期經U-Pb鋯石年代學方法驗證,該花崗閃長質片麻巖、細晶巖和微粒花崗巖年齡分別為1238±4 Ma、 1064±4 Ma和1056±8 Ma (Riley et al., 2020),進一步確證了在西南極存在元古代巖體,重新修訂了哈格冰原島峰群地塊片麻巖被兩期巖漿侵入的先后次序。同位素組分分析顯示,這些巖石具有極低的初始87Sr/86Sr比值 (0.70293～0.70360;Millar and Pankhurst, 1987),以及正的εNd(t) 值(+3.0～+5.2;Storey et al., 1994) 和εHf(t) 值(+1.6～+9.2;Flowerdew et al., 2007a),表明這些巖石起源于新生地殼的部分熔融,未受到明顯的地殼物質混染,可能形成于一個中元古代的巖漿弧環境 (Millar and Pankhurst, 1987; Jordan et al., 2020)。哈格冰原島峰群地塊的年代學和巖石特征與鄰近年輕的南極半島地塊不同,但與南非的納塔爾灣(Natal Embayment)和東南極基底的年齡和巖石學特征相似(Jordan et al., 2020)。因此,哈格冰原島峰群地塊可能是在約1200 Ma的原卡拉哈里克拉通(proto-Kalahari Craton)增生邊緣發育形成的(Jacobs et al., 2008;Jordan et al., 2020)。

2 古生代巖漿作用

2.1 埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊古生代沉積作用

與哈格冰原島峰群地塊毗鄰的是埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊(圖1,圖2),出露有南極洲的最高峰文森山 (Mount Vinson,海拔4892 m)。埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊是在弧后背景下,形成于與伸展作用有關的快速沉降的陸相斷陷盆地環境(Curtis, 2001),巖漿活動較少,基底未暴露地表。然而,碎屑鋯石Hf同位素特征表明(Flowerdew et al., 2007a),埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊存在元古代基底,且與哈格冰原島峰群地塊片麻巖時代相似 (Jordan et al., 2020)。

圖2 哈格冰原島峰群及埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊位置圖(據Flowerdew et al., 2007a修改)Fig.2 Location map for Haag Nunataks and the Ellsworth-Whitmore Mountains block (modified after Flowerdew et al., 2007a)

埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊出露最老的巖石單元為寒武紀的赫里蒂奇群(Heritage Group),沉積物組合厚約7.5 km,主要巖性為碎屑沉積巖、玄武質火山碎屑巖和含化石的碳酸鹽巖,形成于532～505 Ma期間 (Curtis, 2001;Craddock et al., 2017a;Jordan et al., 2020)。對赫里蒂奇群鋯石年齡數據分析表明,這些沉積物來自于東南極或澳大利亞地區 (Castillo et al., 2017),但也有學者提出是勞倫(Laurentian)和南非沉積物的混合物源(Craddock et al., 2017a)。而Hf同位素組分等特征表明,該沉積物源來源于非洲的南部或當地的基底(Flowerdew et al., 2007a)。盡管沉積物來源存在爭議,但人們普遍認為,在寒武紀時期,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊位于其當前位置的北面,并接受來自岡瓦納超大陸內部的沉積物(Jordan et al., 2020)。晚寒武世—泥盆紀期間,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊沉積了約3 km的淺海相砂巖,形成了克拉什錫特群 (Crashsite Group),標志著一段相對的構造平靜期(Curtis, 2001)。晚石炭世—二疊紀岡瓦納冰川(Gondwanan glaciation)時期,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊沉積形成的一套懷特奧特礫巖(Whiteout Conglomerate),覆蓋在克拉什錫特群之上 (Craddock et al., 2017a)。隨后,一套厚約1 km、以淺海相砂巖為主的二疊紀極星組(Polarstar Formation)形成,并覆蓋在懷特奧特礫巖冰磧層之上,該組地層上層粉砂巖和煤含量增加,標志著由海相三角洲向陸上濱海平原過渡(Craddock et al., 2017a;Jordan et al., 2020)。此外,與極星組互層的火山凝灰巖發育有中—晚二疊世的棱柱狀鋯石,表明凝灰巖與當時古太平洋邊緣的一次大型巖漿噴發事件有關 (Elliot et al., 2015;Craddock et al., 2017a;Jordan et al., 2020)。

2.2 瑪麗·伯德地地塊中—晚古生代發育與匯聚有關的巖漿作用

根據地理位置和分離地塊的演化歷史,瑪麗·伯德地地塊可分為西部的羅斯省(Ross Province)和東部的阿蒙森省(Amundsen Province)(圖1,圖3;Pankhurst et al., 1998; Yakymchuk et al., 2015)。瑪麗·伯德地地塊出露相對較老的侵入巖統稱為福特花崗閃長巖套(Ford Granodiorite suite),廣泛出露在瑪麗·伯德地西部的福特群嶺 (Ford Ranges)地區,Rb-Sr全巖等時線年齡為380～353 Ma(Adams, 1987),后經U-Pb鋯石驗證,年齡主要分布在375～345 Ma之間 (Pankhurst et al., 1998;Mukasa and Dalziel, 2000;Yakymchuk et al., 2015;Nelson and Cottle, 2018)。此外,福特花崗閃長巖套侵入到瑪麗·伯德地地塊最古老的斯旺森組(Swanson Formation)巖石單元中,該組地層是沿岡瓦納邊緣沉積形成的、以濁積巖和復理石為主的新元古代—寒武紀的沉積序列(Adams, 1986;Pankhurst et al., 1998;Mukasa and Dalziel, 2000;Jordan et al., 2020)。同時,在福特群嶺的福斯迪克山(Fosdick Mountains)發育有一套混合巖-花崗巖雜巖,其出露的正、副片麻巖分別是福特花崗閃長巖套和斯旺森組巖石高級變質的產物(Yakymchuk et al., 2015)。福斯迪克混合巖-花崗巖雜巖中的花崗巖的U-Pb鋯石年齡為372～353 Ma(Siddoway and Fanning, 2009; Yakymchuk et al., 2015),二云母花崗巖的U-Pb獨居石年齡約為359 Ma和351 Ma(Tulloch et al., 2009)。

圖3 瑪麗·伯德地地塊位置圖(據Mukasa and Dalziel, 2000修改)Fig.3 Location map for the Marie Byrd Land block (modified after Mukasa and Dalziel, 2000)

福特花崗閃長巖套的主要巖性為鈣堿性、準鋁質-弱過鋁質的I型花崗閃長巖-二長花崗巖,其初始87Sr/86Sr值為0.704～0.706, εNd(t) 值為-3.4～-1.0(Pankhurst et al., 1998),εHf(t) 值在-5.3～+1.9之間,δ18O同位素值為7‰～10.5‰(Yakymchuk et al., 2015);福斯迪克山混合巖的εHf(t) 值在-9.8～-1.3之間,δ18O同位素值為8.5‰～10.6‰(Yakymchuk et al., 2015)。同位素組分表明,該巖套在成巖過程中有一定比例的陸殼物質參與。該巖套微量元素顯示出典型的大陸弧或碰撞后環境的特征 (Mukasa and Dalziel, 2000),表明這些晚泥盆世—早二疊世巖石由新生地殼和陸殼物質混染而成,形成于一個活動大陸邊緣環境(Yakymchuk et al., 2015)。與此同時,這些巖石與維多利亞地(Victoria Land)北部的阿德默勒爾蒂 (Admiralty)侵入雜巖 (390～350 Ma)、新西蘭西部省的卡拉梅亞(Karamea)巖套(371～305 Ma)和澳大利亞東部塔斯馬尼亞(Tasmanides)地區的墨爾本(Melbourne)地體(約360 Ma)同時期巖漿活動形成的巖石具有相關性 (Mukasa and Dalziel, 2000;Yakymchuk et al., 2015),表明岡瓦納太平洋邊緣演化早期是以匯聚有關的巖漿作用為主,處于匯聚板塊邊緣環境。

2.3 南極半島-瑟斯頓島地塊古生代巖漿作用及弧的發育

南極半島是一個弧形地塊(圖1,圖4),已發現最古老的基底為東部伊登冰川(Eden Glacier)的晚寒武世—早奧陶世(487～485 Ma)閃長質片麻巖,代表了早期的弧巖漿活動,經歷了晚二疊世的變質和混合巖化作用,并可能為南極半島地塊晚古生代增生雜巖提供有效的碎屑物源(Riley et al., 2012a;Jordan et al., 2020)。南部帕默地(Palmer Land)西部也發現志留紀(～430 Ma)弧巖漿活動的存在 (Millar et al., 2002;Jordan et al., 2020)。半島東部的塔吉特山丘 (Target Hill)花崗質片麻巖和條帶狀片麻巖的時代為泥盆紀—石炭紀(397±8 Ma、393±1 Ma和327±9 Ma),記錄了泥盆紀巖漿作用的存在,且經歷了石炭紀的變質作用改造 (Millar et al., 2002)。二疊紀時期,南極半島地塊的阿迪灣 (Adie Inlet)、巴斯琴峰(Bastion Peak)和伊登冰川(Eden Glacier)地區廣泛的記錄了280～255 Ma之間的花崗質巖漿作用和變質作用 (Riley et al., 2012a)。與此同時,南極半島地塊出露的特里尼蒂半島群 (Trinity Peninsula Group)變質沉積巖,標志著沉積作用的啟動,且沉積作用始于晚石炭世時期,延續至二疊紀時期,是在一個活動大陸邊緣弧前環境的上覆板塊沉積形成的,代表了弧俯沖發育的早期階段 (Bradshaw et al., 2012; Jordan et al., 2020)。格雷厄姆地(Graham Land)北部和東部的特里尼蒂半島群碎屑鋯石數據分析表明,該地區以二疊紀時代為主,峰期年齡在285～260 Ma之間。帕默地南部的晚二疊世埃瑞紅層(Erewhon Beds)來源于硅質火山巖,同樣包括263 Ma和275 Ma的峰期年齡,表明二疊紀弧火山作用的存在,并從半島的北部延伸到半島的南部 (Jordan et al., 2020)。

圖4 南極半島地塊地質簡圖(據Vaughan and Storey, 2000;鄭光高等, 2015修改)Fig.4 Geological sketch map of the Antarctic Peninsula block (modified after Vaughan and Storey, 2000; Zheng et al., 2015)

瑟斯頓島地塊位于南極半島地塊南端(圖1,圖5),其摩根灣(Morgan Inlet)地區的花崗閃長質片麻巖U-Pb鋯石年齡為349±2 Ma(εHf(t)=+2～+10)、門澤爾角(Cape Menzel)正片麻巖時代為347±1 Ma(εHf(t) =+11)、金陡崖 (King Cliffs) 正片麻巖時代為338±2 Ma(εHf(t) =+2.1)。這些巖石富集大離子親石元素,虧損高場強元素,具有弧巖漿巖的親屬性 (Leat et al., 1993; Riley et al., 2017b; Nelson and Cottle, 2018),表明瑟斯頓島地塊石炭紀弧巖漿作用的存在,且巖漿源區為新生陸殼物質,形成于俯沖環境。

圖5 瑟斯頓島地塊位置圖(據Riley et al., 2017b修改)Fig.5 Location map for the Thurston Island block (modified after Riley et al., 2017b)

3 中生代巖漿作用

3.1 埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊侏羅紀板內巖漿作用

埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊的侏羅紀花崗巖侵入到寒武紀—二疊紀變形地層中,形成了區內中部現有的主體巖體 (Storey et al., 1988b)。埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊花崗巖的U-Pb鋯石年齡范圍主要在200～168Ma,且絕大多數集中在早侏羅世晚期(177～174Ma),是在較短時間內侵位的(Craddock et al., 2017b)。這些花崗巖具有高放射性成因的87Sr/86Sr,初始87Sr/86Sr比值為0.7068～0.7232,εNd(t)值在約-12～-1.5之間,指示在成巖過程中,古老陸殼物質的參與且占主導地位 (Wareham et al., 1998;Craddock et al., 2017b)。地球化學特征顯示,中侏羅世花崗巖具有較高的Nb、Rb、Sm、Y、Th和Yb,缺失與俯沖相關花崗巖的地球化學特征,屬于典型的板內花崗巖 (Storey et al., 1988b;Craddock et al., 2017b;Jordan et al., 2020)。因此,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊侏羅紀花崗巖的發育與裂谷作用有關,形成于板內拉張環境。

南非和東南極的干旱臺地-弗拉爾(Karoo-Ferrar)侏羅紀基性大火成巖省的巖漿作用時代主要為～183 Ma,很好的限定了岡瓦納裂解期間的一個非常短暫的同步侵位事件 (Encarnación et al., 1996;Burgess et al., 2015)。其中,弗拉爾大火成巖省很可能形成于由古太平洋邊緣俯沖變化而形成的伸展和減壓熔融環境 (Jordan et al., 2020)。雖然西南極地區未找到直接歸屬于弗拉爾或干旱臺地大火山巖省的巖漿巖石,但埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊出露有早—中侏羅世的板內花崗巖(Burgess et al., 2015;Jordan et al., 2020)。同時,

埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊花崗巖套與弗拉爾超群(Ferrar Supergroup)具有相似的Sr和Nd同位素特征,且該地塊哈特丘陵(Hart Hills)輝長巖具有弗拉爾巖套(Ferrar suite)相似的地球化學屬性,反映出埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊侏羅紀花崗巖套和弗拉爾輝綠巖兩者之間可能具有成因聯系 (Storey et al., 1988b;Craddock et al., 2017b)。綜合表明,西南極可能存在與岡瓦納裂解有關的中侏羅世雙峰式巖漿巖套,形成了南極-南大西洋地區廣泛巖漿活動的一部分。同時,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊中侏羅世花崗巖,可能是由熱地幔上涌引起的地殼熔融和地幔來源的弗拉爾巖漿直接分餾共同作用的結果(Craddock et al., 2017b;Jordan et al., 2020)。

此外,惠特莫爾山西利格山(Mount Seeling)花崗巖的U-Pb鋯石年齡為207.96±0.06 Ma,該花崗巖比埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊的主體侏羅紀花崗巖要早～30Ma,可解釋為一個單獨的巖漿事件,證明埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊三疊紀末期巖漿作用的存在,盡管目前尚不清楚這種巖漿作用的時空分布范圍(Craddock et al., 2017b)。有學者認為西南極三疊紀花崗巖與沿南美南部和西南極太平洋邊緣的安第斯型俯沖有關,屬于弧巖漿巖 (Millar et al., 2001;Craddock et al., 2017b)。因此,該花崗巖的發現,為西南極三疊紀巖漿弧的持續性發育提供了證據,且具有負εNd(t)值(-2.4),表明其在成巖過程中有古老陸殼物質的貢獻 (Craddock et al., 2017b;Jordan et al., 2020)。

3.2 瑪麗·伯德地地塊白堊紀與裂解有關的巖漿作用啟動及陸內伸展作用

瑪麗·伯德地地塊沿原太平洋邊緣部位的侏羅紀—早白堊世早期巖漿作用非常有限 (Riley et al., 2017b)。福斯迪克山北部的白堊紀花崗巖中,僅有一顆繼承鋯石年齡(181±11 Ma)記錄了早侏羅世巖漿活動的存在(Korhonen et al., 2010)。此外,在福特群嶺東緣地區幾個花崗質巖體獲得的K-Ar或Rb-Sr年齡介于165 Ma與135 Ma之間(Adams, 1987);在瑪麗·伯德地東部派恩艾蘭灣(Pine Island Bay)也有花崗質巖石產出,其Ar-Ar年齡約147 Ma,代表晚侏羅世—早白堊世早期的巖漿記錄 (Kipf et al., 2012)。

瑪麗·伯德地地塊出露有兩套白堊紀中期的花崗質巖石,統稱為伯德海岸花崗巖(Byrd Coast Granite)。相對較早的巖漿作用沿整個瑪麗·伯德地地塊邊緣廣泛出露,除了在瑪麗·伯德地東部厄爾利陡崖 (Early Bluffs)和麥肯齊群島(McKenzie Islands) 兩地區分別獲得103.4±0.3 Ma和96±1 Ma的年輕年齡外,其他地區U-Pb鋯石年齡主要集中在129～110Ma之間 (Mukasa and Dalziel, 2000)。相對較晚的巖漿作用主要分布于瑪麗·伯德地西部的魯伯特-霍布斯特海岸(Ruppert-Hobbs Coast)地區,而瑪麗·伯德地東部地區缺乏,這期巖漿作用的時代在102～95 Ma之間,其中,蘭德冰川(Land Glacier)地區U-Pb鋯石年齡為102～98 Ma(Mukasa and Dalziel, 2000),愛德華茲七世半島(Edward VII Peninsula)的Rb-Sr年齡為 101～95 Ma(Weaver et al., 1992)。早期侵入體為鈣堿性、準鋁質的I型閃長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖,87Sr/86Sr比值為0.7056～0.7079 (Adams, 1987; Mukasa and Dalziel, 2000),微量元素組分具有富集大離子親石元素、虧損高場強元素和明顯Nb負異常特征,形成環境與弧背景有關,可能是大洋沿岡瓦納太平洋邊緣早白堊世俯沖的結果 (Mukasa and Dalziel, 2000)。晚期侵入體為高分異、非造山的A型正長巖和石英正長巖等,高度富集不相容元素、K2O＞Na2O,且部分侵入巖的SiO2含量可達80wt%,具有高而寬泛的初始87Sr/86Sr值(0.7080～0.7212) 和負εNd(t)值(-7.7～-3.6) (Weaver et al., 1992;Korhonen et al., 2010),表明該類巖石可能由非均質大陸地殼物質熔融而成,形成于陸內伸展環境。

此外,普林斯山(Mount Prince)花崗巖年齡為110±1 Ma,是在瑪麗·伯德地西部魯伯特-霍布斯特海岸發現的最年輕的弧巖漿巖,其內被大量的基性和中性巖脈侵入,標志著與裂解有關巖漿作用的啟動。其中一個巖脈的年齡為101±1 Ma(Mukasa and Dalziel, 2000),表明白堊紀中期110～101 Ma之間的～10 Ma期間,瑪麗·伯德地地塊沿岸地區地球動力學機制由俯沖向陸內伸展轉變。然而,瑪麗·伯德地東部麥肯齊群島～96 Ma的I型花崗閃長巖的產出表明,弧巖漿作用在瑪麗·伯德地西部停止后,在瑪麗·伯德地東部仍持續活動了一段時間(～14 Ma)。

有關學者基于南大洋板塊的重建,認為在侏羅紀末期,在西南極原太平洋部位形成了一個由太平洋、法拉隆 (Farallon)和菲尼克斯(Phoenix)板塊組成的三聯點構造體系,并持續到白堊紀時期 (Hilde et al., 1977;Barker, 1982)。在～100 Ma,菲尼克斯-太平洋脊與岡瓦納原太平洋陸緣由西向東斜向俯沖和碰撞,從而造成瑪麗·伯德地西部俯沖作用停止,轉為陸內伸展過程;而瑪麗·伯德地東部地區俯沖作用持續了一段時間后,隨洋脊與陸緣接觸及碰撞后停止俯沖(Mukasa and Dalziel, 2000)。因此,瑪麗·伯德地地塊巖性的穿時性特征,可能與菲尼克斯-太平洋脊由西向東依次俯沖到岡瓦納西緣之下而終止俯沖有關。

3.3 南極半島-瑟斯頓島地塊中生代弧巖漿活動

三疊紀巖漿作用在南極半島格雷厄姆地北部不發育,主要出露在格雷厄姆地南部和帕默地地區,并延伸到瑟斯頓島地塊,巖漿活動時代在239～202 Ma。其中,格雷厄姆地南部地區,以斯塔布斯山口 (Stubbs Pass)和凱西角 (Cape Casey)等花崗閃長巖為代表,其時代介于239～209 Ma之間 (Riley et al., 2012a);帕默地地區,以喬治六世海峽的片麻巖和花崗閃長巖為代表,年齡為233～202 Ma(Millar et al., 2002);瑟斯頓島地塊,以布拉姆霍爾山(Mount Bramhall)花崗質巖石為代表,年齡為239±4 Ma(Riley et al., 2017b)。這些三疊紀巖漿巖是在匯聚大陸邊緣弧背景下侵位形成的,并在南極半島地塊南部西緣發育有伴生的亞歷山大島(Alexander Island)的勒梅群 (LeMay Group)俯沖增生雜巖 (Willan, 2003; Jordan et al., 2020)。

南極半島地塊侏羅紀巖漿侵入作用主要發育在東緣,記錄的時代為199～156 Ma(Pankhurst et al., 2000; Flowerdew et al., 2006; Leat et al., 2009;Riley et al., 2012a);火山作用在南部帕默地地區時代為184～178 Ma(Pankhurst et al., 2000;Hunter et al., 2006),而北部格雷厄姆地地區時代集中在173～150 Ma之間(Pankhurst et al., 2000;Hunter et al., 2005; Riley et al., 2012b;Jordan et al., 2014),這些火山活動較好的對應于南美巴塔哥尼亞Chon Aike省識別出的三期火山活動事件 (V1: ～183 Ma, V2: ～170 Ma和V3:～155 Ma) (Pankhurst et al., 2000)。尤其是在帕默地的波斯特山組(Mount Poster Formation)和布倫尼克組(Brennecke Formation)獲得的年齡分別為183.4±1.4 Ma和184.2±2.5 Ma(Pankhurst et al., 2000),與第一期火山活動時間基本吻合。沿南極半島地塊岡瓦納邊緣向南的瑟斯頓島地塊,道林山(Mount Dowling)硅質凝灰巖年齡確定為182～181 Ma (Riley et al., 2017b), 也與Chon Aike Province岡瓦納裂解巖漿作用事件的時代相一致,表明南極半島地塊南部(帕默地)的波斯特山組和布倫尼克組與瑟斯頓島的道林山火山活動的年代重疊。從巖性上看,瑟斯頓島地塊硅質火山活動類似于帕默地主要的硅質凝灰巖和熔結凝灰巖。在Sr-Nd同位素組成上,道林山硅質火山巖的成分與布倫尼克組的流紋質凝灰巖成分接近,說明兩者具有內在的成因聯系 (Riley et al., 2017b)。在此基礎上,有學者在古大陸重建時,認為～180 Ma時期瑟斯頓島地塊位于塊體旋轉部位,此時與南極半島地塊南部是并列的,但對于瑟斯頓島地塊旋轉的角度,存在旋轉180°和旋轉90°等不同的認識 (Veevers, 2012; Elliot et al., 2016; Riley et al., 2017b)。南極半島地塊的晚侏羅世巖漿作用較少,時代為162～150 Ma,主要零星出露在南極半島西緣的阿弗斯島(Avers Island)和阿德萊德角(Adelaide Island)等地區(Pankhurst et al., 2000; Riley et al., 2012b; Jordan et al., 2014)。此外,瑟斯頓島地塊晚侏羅世花崗質巖漿活動廣泛分布于其西部和南部的蘭福爾峰(Landfall Peak)、亨德森圓丘(Henderson Knob)、黑爾冰川 (Hale Glacier)、諾克森山 (Mount Noxon)、辛普山 (Mount Simpson)、博格森山(Mount Borgeson)、郎冰川(Long Glacier)和謝爾頓岬(Shelton Head)等地,Rb-Sr年齡在152～142 Ma之間,可能代表了復合巖基的一部分(Pankhurst et al., 1993; Riley et al., 2017b)。

白堊紀是橫跨南極半島和瑟斯頓島兩地塊的大陸邊緣弧巖漿作用的主要階段。在全球板塊重組時期,白堊紀中期巖漿作用沿岡瓦納整個原太平洋廣泛分布。南極半島地塊廣泛記錄的巖漿侵入時代為118～102 Ma(Tangeman et al., 1996;Vaughan et al., 2002; Flowerdew et al., 2005;Riley et al., 2018;Zheng et al., 2018),火山噴發年齡有114 Ma、107 Ma和103 Ma (Leat et al., 2009;Riley et al., 2012b;鄭光高等, 2017)。南極半島的南設得蘭群島 (South Shetland Islands)地區,白堊紀中期巖漿作用主要出露在利文斯頓島(Livingston Island)西南拜爾斯半島 (Byers Peninsula)的內格羅丘陵 (Negro Hill,102.4±1.3 Ma) 和希勒夫角(Cape Shirreff,109.19±0.46 Ma;Haase et al., 2012)。此外,南極半島格雷厄姆地西緣還出露有幾處時代為～85 Ma的晚白堊世侵入體,如蒂克森角(Cape Tuxen)的石英閃長巖、德馬里亞山(Mount Demaria)的花崗質閃長巖和屈韋維爾島(Cuverville Island)的花崗斑巖脈(Tangeman et al., 1996;鄭光高等, 2017;Zheng et al., 2018);南設得蘭群島的格林尼治島(Greenwich Island)斯帕克角 (Spark Point)和羅伯特島 (Robert Island)科珀曼半島 (Coppermine Peninsula)存在～82 Ma火山作用事件 (Haase et al., 2012)。在此階段,影響南極半島帕默地主要構造事件為白堊紀中期～107 Ma左旋走滑擠壓和～103 Ma右旋走滑擠壓的兩期帕默地事件(Vaughan et al., 2012b)。瑟斯頓島地塊的白堊紀巖漿作用同樣發生在110～95 Ma左右,但不像南極半島地塊出露的那樣廣泛 (Jordan et al., 2020)。

對南極半島地塊侏羅紀—白堊紀巖漿作用的時代進行頻率直方圖分析,發現主要集中在190～170 Ma和120～80 Ma兩個階段 (Zheng et al., 2018)。早階段的巖石呈現出較高的初始87Sr/86Sr比值和負εNd(t)值,具有岡瓦納古陸的親屬性(Millar et al., 2001;Vaughan and Livemore, 2005;Riley et al., 2017a);然而,南奧克尼島 (South Orkney Islands)斯科舍俯沖增生雜巖時代為200～180 Ma(Trouw et al., 1998;Vaughan and Livemore, 2005;Flowerdew et al., 2007b;Wendt et al., 2008),表明在此階段,南極半島地塊東緣處于伸展環境,而南極半島地塊西緣則處于俯沖環境。晚階段的巖漿作用呈現兩種顯著不同的同位素特征,其中南極半島地塊南部白堊紀中期巖漿作用主要受控于轉換擠壓變形作用,主要表現為高的初始87Sr/86Sr值 和 負 εNd(t) 值 (Scarrow et al., 1996;Vaughan et al., 2012a;Riley et al., 2018);其他部位出露的白堊紀火成巖,其εHf(t)和εNd(t)值均為較大的正值,屬于典型的島弧巖漿巖 (Zheng et al., 2018)。 此時,象島 (Elephant Island)地區發育一套同期斯科舍俯沖增生雜巖(120～80 Ma; Trouw et al., 1998; Vaughan and Livemore, 2005;Wendt et al., 2008)。瑟斯頓島地塊晚侏羅世—早白堊世巖石大部分初始87Sr/86Sr比值為0.705～0.706,εNd(t)值在-4～+2之間,表明其巖漿來源于輕微富集的地幔或新生下地殼物質,形成于俯沖環境(Pankhurst et al., 1993)。同時,瑟斯頓島地塊弧巖漿作用在～90 Ma左右停止,開始發育東西走向的晚白堊世基性到酸性巖脈,表明該時期可能是太平洋板塊和菲尼克斯板塊的擴張中心與大陸邊緣俯沖帶開始碰撞,構造體制從俯沖擠壓向伸展拉張過渡 (Leat et al., 1993)。

4 新生代巖漿作用

西南極新生代巖漿活動以南極半島-南設得蘭群島地區為代表,記錄岡瓦納古陸的最后裂解和離散的過程。南極半島地塊西緣發育古近紀早期的侵入體,U-Pb鋯石年齡在62～54 Ma之間,典型的有布思島(Booth Island)花崗閃長巖-閃長巖(61.6±0.5 Ma、59.3±1.1 Ma)、茹格拉角 (Jougla Point)閃長巖和輝綠玢巖 (56.3±0.9 Ma、55.1±0.9 Ma)及杜梅島 (Doumer Island)閃長巖(54.4±1.0 Ma) 等 (Leat et al., 1995; Veevers and Saeed, 2013;Zheng et al., 2018)。該期侵入體呈現出大離子親石元素富集、高場強元素虧損,具有正的εNd(t)值(+3.6～+7.2)和εHf(t)值(+6.7～+12.2),屬于島弧巖漿巖 (Zheng et al., 2018;Cui et al., 2019)。南設得蘭群島是發育在一個片巖和變沉積巖硅質基底上的(?)侏羅紀—第四紀的島弧(Smellie et al., 1984),新生代島弧巖漿作用主要出露在納爾遜島(Nelson Island)和喬治王島(King George Island)地區,巖性主要為玄武-安山質火山巖,并發育有少量的基性和中性巖脈,Ar-Ar年齡集中在61～35 Ma之間 (Kim et al., 2000;Wang et al., 2009;Kraus et al., 2010;Nawrocki et al., 2010; Pańczyk and Nawrocki, 2011; Haase et al., 2012; Gao et al., 2018)。 南設得蘭群島史密斯島(Smith Island)地區發育的斯科舍俯沖增生雜巖的時代在65～47 Ma之間(Trouw et al., 1998;Vaughan and Livemore, 2005;Wendt et al., 2008),與新生代弧巖漿巖的時代重疊,表明兩者是俯沖體系不同部位出露的巖性組合。此外,新近紀末期—第四紀火山作用記錄在南極半島地塊北部的詹姆斯·羅斯島(James Ross Island)和鄧迪島(Dundee Island)等地,巖性為堿性玄武質火山巖,時代在6～0.132 Ma之間(Kristjánsson et al., 2005; Smellie et al., 2006),表明巖漿活動在南極半島地塊持續至今。

年齡數據資料表明,在南極半島地塊西緣地區的新生代弧巖漿作用主要發生在54 Ma以前,且中新生代弧巖漿作用在半島北部有自東向西遷移的趨勢(Zheng et al., 2018);而在南設得蘭群島地區,新生代島弧巖漿作用則主要發生在35 Ma以前,且中新生代弧巖漿作用有自西南向東北遷移的趨勢 (Pankhurst and Smellie, 1983)。如上文所述,持續到白堊紀時期,岡瓦納原太平洋存在太平洋-法拉隆-菲尼克斯板塊三聯點體系,白堊紀中期從瑪麗·伯德地西部開始斜向由西朝東向海溝處俯沖和碰撞。南極半島地塊目前位于南極板塊、斯科舍板塊和德雷克板塊的交匯部位(Barker, 1982),其中,南極板塊是太平洋板塊的一部分,納茲卡(Nazca)板塊是法拉隆板塊向南美板塊之下俯沖的殘余,而德雷克板塊是菲尼克斯板塊現在所能見到的部分(劉小漢等, 1991)。在～50 Ma時期,該太平洋-菲尼克斯擴張脊左旋錯斷成若干擴張脊分支,西部的擴張脊分支首先到達南極半島的亞歷山大島西緣,隨后各擴張脊分支由西向東依次到達海溝處發生碰撞及停止俯沖,弧巖漿作用隨即相應的依次停止活動。在4 Ma左右,隨著板塊俯沖和洋脊擴張作用的全部停止,已俯沖在南極半島地塊之下的板塊繼續下沉,由于缺失擴張洋脊的推動力,使得下沉板塊產生回卷,最終導致布蘭斯菲爾德海峽(Bransfield Strait)弧后盆地的打開 (Grunow et al., 1992;Johnson, 1996)。南極半島-南設得蘭群島板內堿性玄武巖的爆發,正是由于太平洋-菲尼克斯擴張脊分段俯沖碰撞后的結果。此過程中,南美與南極半島之間的伸展作用,以及斯科舍俯沖帶的弧后伸展作用,導致了德雷克海峽通道在～34 Ma時期打開,從而使南極繞極流得以發展,形成現今南極洲的位置格局 (Eagles et al., 2006;Jordan et al., 2020)。

5 西南極構造演化

西南極出露的最古老的巖石為哈格冰原島峰群片麻巖,時代為～1238 Ma,記錄了中元古代的弧巖漿作用。而西南極主體所記錄的～500 Ma以來的地質演化過程,在很大程度上與羅斯增生造山帶(Ross Orogeny;～510 Ma)的發育有關。該造山帶發生在西岡瓦納和澳大利亞-南極板塊(Kuunga造山帶)縫合之后,使俯沖的位置由岡瓦納碰撞前雜巖區向原太平洋邊緣遷移(Cawood, 2005;Boger, 2011; Pereira et al., 2018)。 這一造山事件導致被動沉積邊緣的變形,形成了弧后盆地沉積環境,沉積形成了埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊古生代的地層單元,并導致了隨后的地殼增生到岡瓦納邊緣。沿岡瓦納原太平洋邊緣的匯聚,導致了西南極地區寒武紀—奧陶紀濁積層序的沉積及隨后的增生,以及泥盆紀—石炭紀(375～345 Ma)花崗質巖石的侵入,這些早古生代的巖石記錄在瑪麗·伯德地羅斯海省、瑟斯頓島和南極半島東部地區均有發現 (Pereira et al., 2018)。

晚石炭世時期,岡瓦納與勞倫古陸的碰撞使羅斯造山運動終止,隨后是岡瓦納造山運動(Gondwanide Orogeny)。這一造山運動的轉變,在瑪麗·伯德地、南極半島和瑟斯頓島各地塊中觸發了晚古生代—中生代一系列、大規模鈣堿性花崗質為主的弧巖漿作用 (Pereira et al., 2018)。同時,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊西利格山發育晚三疊世(～208 Ma)與弧有關的巖漿作用,表明岡瓦納西緣俯沖作用的持續性及可能影響其內側部位。

侏羅紀時期,各地塊的構造背景開始明顯分化。岡瓦納的侏羅紀裂解涉及到一個區域性的雙峰式巖漿事件,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊的侏羅紀板內花崗巖套與弗拉爾巖套是早—中侏羅世大火成巖省的一部分,代表了大陸地殼幔源巖漿作用驅動的深部熱事件,為地殼伸展和岡瓦納大陸裂解起到了促進作用 (Craddock et al., 2017b)。瑪麗·伯德地地塊在白堊紀中期爆發了一次大規模的巖漿活動,巖性由侏羅紀早期—早白堊世的I型花崗質巖石及相關的火山巖,轉變為白堊紀中期的A型花崗質巖石,反映了白堊紀中期構造體制從俯沖向陸內裂解的轉變。同時,瑪麗·伯德地地塊西部在～100 Ma俯沖作用的停止,很可能是由于侏羅紀末期形成的太平洋-法拉隆-菲尼克斯板塊三聯點體系,其中的太平洋-菲尼克斯分支脊在白堊紀中期由西向東朝岡瓦納古太平洋邊緣俯沖和碰撞的結果,從而極大地改變了西南極這一地區的構造格架 (Jordan et al., 2020)。南極半島-瑟斯頓島地塊侏羅紀—白堊紀活躍的弧巖漿活動是持續俯沖和西南極裂解相互作用的結果。新生代以來,左行錯斷成若干分支的太平洋-菲尼克斯擴張脊自～50 Ma起,由西向東分段俯沖及碰撞到南極半島的亞歷山大島西緣至南設得蘭群島的海溝部位,形成了南極半島和南設得蘭群島新生代巖漿作用的時空格局。在此期間,～34 Ma時期德雷克海峽通道打開,從而使南極繞極流得以發展,形成現有西南極的構造格局。

6 結論與建議

西南極哈格冰原島峰群地塊記錄了中元古代弧巖漿作用,而南極半島、瑟斯頓島、瑪麗·伯德地和埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈四個地塊記錄的是顯生宙以來的地質演化過程。古生代時期,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊處于快速沉降的陸相斷陷盆地環境,與羅斯造山運動形成的弧后伸展有關;瑪麗·伯德地地塊中—晚古生代發育一套與板塊匯聚有關的巖漿作用,形成于活動大陸邊緣環境;南極半島-瑟斯頓島地塊記錄了石炭紀—二疊紀時期弧的發育。自侏羅紀開始,各地塊的構造背景明顯分化,埃爾斯沃思-惠特莫爾山脈地塊記錄了侏羅紀板內巖漿作用,可能與大火成巖省有關;瑪麗·伯德地地塊發育的侏羅紀—早白堊世I型弧巖漿巖隨時間轉變為白堊紀中期的A型堿性巖漿巖,經歷了由俯沖向裂解機制的轉變;南極半島-瑟斯頓島地塊侏羅紀—白堊紀為弧巖漿活動活躍期,同時也有大火成巖省火山活動的記錄,是持續俯沖和裂解相互作用的產物。新生代巖漿作用以南極半島地塊為代表,弧巖漿作用持續到始新世,其時空分布特征與左行錯斷擴張脊的分段俯沖和碰撞有關。

由于地理位置和南極科學考察條件保障的制約,自長城站建立以來,中國在西南極地質考察工作主要集中在南設得蘭群島地區,近十年開始涉足南極半島格雷厄姆地北部和瑪麗·伯德地羅斯省的部分地區,但中國在西南極大部分領域地質考察仍屬空白。文章通過綜合相關學者們的研究成果,對西南極主要的巖漿活動和構造演化進行簡要綜述,深入的研究工作急需后續實地考察系統展開。同時,希望有更多學者加入到南極地質考察隊伍,一起探索神秘的南極大陸。

致謝:野外工作得到中國第33、34和36次南極科學考察隊相關單位和個人、智利南極研究所等合作單位的大力支持,審稿人提出了建設性修改意見,在此一并表示衷心的感謝。