2015, Vol. 34
2. 北京大学 地球与空间科学学院, 北京 100871
2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
在大地构造上，一般将南极大陆划分为东南极地盾、西南极活动带和夹持于其间的横贯南极山脉等3个地质单元。西南极的陆地部分可进一步区分出玛丽伯德地(Marie Byrd L and )、埃尔斯沃斯山脉(Ellsworth-Whitmore Mountains)、瑟斯顿岛(Thurston Isl and )和南极半岛(Antarctic Peninsula)等4个地块(Dalziel and Elliot， 1982；Storey and Garrett， 1988)，这些块体记录了西南极显生宙的增生造山历史。南极半岛地区是一个中新生代活动带，主要由石炭纪—三叠纪浅变质弧前盆地沉积岩或增生杂岩、中生代变质杂岩以及侏罗纪—古近纪碎屑岩和火山岩构成，中侏罗世—古近纪大规模的火山喷发还伴有大量的基性-酸性岩浆侵入，从而形成与南美巴塔哥尼亚安第斯山脉相连的中-新生代构造岩浆带。本文详细总结和评述了南极半岛地区岩浆岩(包括火山岩和侵入岩)的分布、时代、岩石成因、构造环境及构造演化历史，并通过与南美南部巴塔哥尼亚(Patagonia)的地质历史对比来探索二者之间的地质联系。
1 区域地质背景基于东帕默地(Eastern Palmer L and )韧性剪切带的发现，Vaughan和Storey(2000)将南极半岛地区划分出3个构造域，即东部构造域、中部构造域和西部构造域(图 1)，三者在晚侏罗世—早白垩世碰撞造山事件中汇聚在一起。
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图 1 南极半岛大地构造分区简图 (据Vaughan and Storey， 2000修改) Fig. 1 Schematic tectonic division map of the Antarctic Peninsula (modified after Vaughan and Storey， 2000) |
东部构造域(地体)位于南极半岛东侧，从帕默地(Palmer L and )向北连续延伸至格雷厄姆地(Graham L and )，地理位置上邻近冈瓦纳古陆的核心，具有准原地的性质(Kellogg and Rowley， 1989)。东部构造域出露最广泛亦是最古老的地层为晚石炭世—晚三叠世特里尼蒂半岛群(Trinity Peninsula Group)的浊积岩(Smellie and Millar， 1995)，其产出环境类似于增生楔，经历了晚三叠世—早侏罗世变形作用的改造(Storey and Garrett， 1985)。其他中生代沉积岩系，包括早侏罗世博特尼湾群(Botany Bay Group)陆源泥岩/砂岩序列，不整合在特里尼蒂半岛群之上(Farquharson， 1982，1984)。上覆于早中侏罗世陆相沉积岩之上的侏罗纪南极半岛火山群(Antarctic Peninsula Volcanic Group)分布广泛(Thomson and Pankhurst， 1983；Riley and Leat， 1999)，而中晚侏罗世的花岗质深成岩体切穿了南极半岛火山群的火山岩系和博特尼湾群的沉积岩系(Pankhurst et al., 2000)。
1.2 中部构造域中部构造域与东部构造域以东帕默地韧性剪切带为界，其主体由中生代以及一些可能更老的火山岩和侵入岩构成。该构造域中出露的最古老变质沉积岩为角闪岩相云英片岩和石榴黑云斜长片麻岩(Wendt et al., 2008)，它们是早侏罗世或更老俯冲杂岩的一部分(Meneilly，1988)。最老的岩浆岩是晚三叠世含钾长石巨晶的花岗岩类和层状花岗质片麻岩，中侏罗世辉长岩-花岗岩套侵入于片麻岩中(Wever et al., 1994；Scarrow et al., 1996；Vaughan and Storey， 2000)。火山岩主要包括晚侏罗世前变形的安山质凝灰岩、熔岩以及未变质的侏罗纪和更年轻的南极半岛火山群钙碱性凝灰岩和熔岩(Thomson and Pankhurst， 1983；Davies，1984)。在东帕默地，晚侏罗世—早白垩世埃达克质岩石侵入到三叠纪和侏罗纪的片麻岩和岩浆岩中(Vaughan et al., 1997，1998；Wareham et al., 1997)。该构造域经历了晚侏罗世—早白垩世挤压和晚白垩世伸展两期变形事件的影响(Vaughan et al., 1997，1998)。
1.3 西部构造域西部构造域主要包括南极半岛南部的亚历山大岛(Alex and er Isl and )和北部的南设得兰群岛(South Shetl and Isl and s)，其中亚历山大岛以一个新生代裂谷带—乔治六世海峡(George VI Sound)与中部构造域分隔(Bell and King， 1998)。亚历山大岛的中生代地壳主要由弧前岩石组成，可划分为四个地质单元(McCarron and Millar， 1997)。(1)勒梅群(LeMay Group)，为一套从古生代到白垩纪沉积的变质变形俯冲-增生杂岩，构成了亚历山大岛的基底，古近纪火山岩上覆在这套俯冲-增生杂岩之上(McCarron and Larter， 1998)；(2)福斯尔陡崖群(Fossil Bluff Group)，为中侏罗世-早白垩世弧前盆地沉积形成的浅海相-近地表河流相砂岩和砾岩(Macdonald and Butterworth， 1990)；(3)弧前出露的晚白垩世-古近纪火山岩和花岗岩类(McCarron and Larter， 1998)；(4)少量新近纪(≤7 Ma)碱性火山岩露头，形成于俯冲作用停止之后(Hole et al., 1991)。南设得兰群岛的斯科舍变质杂岩(Scotia Metamorphic Complex)为一套深位俯冲-增生杂岩，其变质条件达蓝片岩-角闪岩相(Trouw et al., 1998)。
2 古生代岩浆岩 2.1 古生代岩浆岩的分布及时代南极半岛古生代岩石主要出露在南帕默地和埃尔斯沃思地东部(图 2a，2b)。Millar等(2002)曾在北东帕默地维尤角(View Piont)特里尼蒂半岛群的一个鹅卵石中获得锆石U-Pb上交点年龄为3161±13 Ma，这是在西南极所获得的最老年龄，但该年龄的出现并不代表太古宙古老基底的存在。早古生代的岩浆岩主要包括出露于东格雷厄姆地伊登冰川(Eden Glacier)和约尔格半岛(Joerg Peninsula)的奥陶纪闪长质片麻岩(487±3 Ma和485±3 Ma)和花岗岩(476±18 Ma)以及北西帕默地艾辛格山(Mount Eissenger)的志留纪灰色片麻岩(435±8 Ma)和条带状正片麻岩岩基(422±18 Ma)，类似年龄的火山岩和花岗岩碎屑也有所报道(Tangeman and Mukasa， 1996；Millar et al., 2002；Bradshaw et al., 2012；Riley et al., 2012a)。塔吉特山丘(Target Hill)变质杂岩通常被认为是南极半岛的古老基底杂岩，泥盆、石炭和二叠纪的原岩和变质年龄已由锆石U-Pb定年方法很好地限定，其中泥盆纪侵入岩的原岩结晶年龄大约在400～370 Ma，石炭纪淡色花岗岩的侵位年龄为327±9 Ma(Millar et al., 2002；Riley et al., 2012a)。二叠纪岩浆岩遍布于帕默地和格雷厄姆地，时代约为280～255 Ma，岩性则包括闪长质片麻岩、花岗闪长岩、花岗岩、混合岩和淡色体等(Millar et al., 2002；Flowerdew et al., 2006；Riley et al., 2012a)。
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图 2 南极半岛不同时代岩浆岩锆石U-Pb和全岩 39Ar/40Ar 年龄分布图 Fig. 2 The distribution of different igneous rocks zircon U-Pb and 39Ar/40Ar age in the Antarctic Peninsula (a)早古生代岩浆岩；(b)晚古生代岩浆岩；(c)中生代岩浆岩；(d)新生代岩浆岩；数据来源于Loske and Miller， 1991；Leat et al., 1995，2009；Tangeman and Musksa， 1996；McCarron and Millar， 1997；Pankhurst et al., 2000；Millar et al., 2002；Vaughan et al., 2002，2012b；Flowerdew et al., 2005，2006；Hunter et al., 2005，2006；Kristjánsson et al., 2005；Hervé et al.， 2006；Smellie et al., 2006；Wang et al., 2009；Bradshaw et al., 2012；Haase et al., 2012；Riley et al., 2012a，2012b；Veevers and Saeed， 2013 |
尽管南极半岛总体上是一个中新生代活动带，但从奥陶纪到二叠纪正片麻岩和各种花岗岩类岩石的存在说明该活动带发育在古老地壳基底之上，因其裂解演化而成。特里尼蒂半岛群的沉积岩中含有大量的古生代碎屑锆石年龄，表明其来自于西冈瓦纳古陆裂解之前的物源区。虽然在古生代岩浆岩中尚无地球化学资料可以利用，但由于这些早期的侵入体一般多伴有变质事件的发生(Millar et al., 2002；Wendt et al., 2008；Riley et al., 2012b)，所以可能是冈瓦纳大陆边缘增生造山作用的结果。
3 中生代岩浆岩 3.1 中生代岩浆岩的分布及时代中生代岩浆侵入和火山作用在南极半岛非常普遍(图 2c)，所形成的火山岩和深成侵入体在地表的出露比例近似相等。南极半岛的火山岩被统称为南极半岛火山岩群(Thomson and Pankhurst， 1983)，主要由钙碱性系列的基性-酸性熔岩、火山碎屑岩和熔结凝灰岩等组成，时代从侏罗纪一直延续到新生代(190～10 Ma)，其中侏罗纪地层主要包括早侏罗世的波斯特山组(Mount Poster Formation)、布伦内克组(Brennecke Formation)和中侏罗世的梅普尔组(Mapple Formation)，而侏罗纪之前主要以岩浆侵入活动为主。
约尔格半岛铁镁质正片麻岩中花岗质淡色伟晶岩的锆石核部和边部U-Pb加权平均年龄分别为239±8 Ma和224±4 Ma，后者反映了伟晶岩的形成时代。该地面理化黑云母花岗岩的锆石边部U-Pb年龄为236±2 Ma，也代表其侵位时间(Riley et al., 2012a)。在帕默地西北部坎贝尔山脊(Campbell Ridge)和艾辛格山等几处片麻岩中获得的锆石U-Pb年龄也主要集中在225～233 Ma和202 Ma，反映该区中晚三叠世有两期明显的岩浆和高级变质作用(Millar et al., 2002)。在帕默地西北部的猎户座山地(Orion Massif)，灰色片麻岩(258±2 Ma)穿插有淡色脉体(206 Ma)，表明片麻岩基岩在晚古生代结晶形成，并在三叠纪经历了熔融(Millar et al., 2002)。
科尔半岛(Cole Peninsula)和伊登冰川等地中酸性侵入体中的锆石记录了早侏罗世(184 Ma)的岩浆结晶时代(Riley et al., 2012a)，且在梅普尔冰川(Mapple Glacier)有中侏罗世(168±1.7 Ma)花岗岩体侵入到梅普尔组熔结凝灰岩中(Pankhurst et al., 2000)，说明南极半岛在中生代存在多期岩浆作用。Hunter和Cantrill(2006)和Pankhurst等(2000)对南极半岛出露的火山岩进行了锆石U-Pb年龄研究，发现南部的帕默地地区火山作用时代集中在早侏罗世，而北部的格雷厄姆地地区火山作用集中在中侏罗世，反映出侏罗纪火山活动在南极半岛上有从南向北迁移的趋势。
白垩纪侵入和火山作用主要集中在帕默地西岸和南设得兰群岛一带。在帕默地南部，在超过100×800 km2面积范围内广泛分布有早白垩世的拉西特海岸侵入岩套(Lassiter Coaster Intrusive Suite)(Vennum and Rowley， 1986)，该岩套的岩性从辉长岩变化到花岗岩，并以花岗闪长岩占主导地位，变质程度可达角闪岩相(Vaughan et al., 2012b)。在南极半岛南部的豪伯格山(Hauberg Mountains)，发育在拉西特海岸侵入岩套内的细小花岗岩脉锆石U-Pb年龄为107±1 Ma，反映帕默地事件应发生在白垩纪中期，而非晚侏罗世—早白垩世(Vaughan et al., 2002)。
3.2 中生代岩浆岩的地球化学特征早侏罗世波斯特山组火山岩以流纹岩为主，可以分成高Ti(TiO2>0.7%、SiO2=70％～74%)和低Ti(TiO2<0.4%、SiO2>76%)两组，且高Ti组常出露于破火山口内部，而低Ti组出露在破火山口外部(Riley et al., 2001)。研究表明，高Ti流纹岩微量元素的变化是斜长石分馏的结果，而低Ti流纹岩相对于高Ti组具有高Sr、低Eu/Eu*值的特点，表明低Ti流纹岩与斜长石的分馏无关。岩石的稀土元素(REE)变化不大，但高Ti流纹岩呈现出轻稀土(LREE)富集、中等程度的负Eu异常以及平坦的重稀土(HREE)，而低Ti流纹岩LREE富集程度变化较大，且负Eu异常明显(Riley et al., 2001)。岩石的 87Sr/86Sr 值变化较大(0.7106～0.7206)，εNd值为-2.4～-7.8，其中高Ti组的 87Sr/86Sr 值为0.7180～0.7206，εNd为-6.9～-7.8，而低Ti组的 87Sr/86Sr 值为0.7106～0.7156，εNd为-2.4～-4.9。东帕默地附近的布伦内克组流纹质和英安质火山岩与其具有相似的 87Sr/86Sr 值(0.7078～0.7157)和εNd(-4.3～-7.7)值(Riley et al., 2001)。
中侏罗世梅普尔组火山岩同样可以分成高Ti和低Ti两组，其中高Ti组(TiO2=0.68％～1.00%)以中等含量的SiO2(SiO2=62％～67%)为特征，低Ti组(TiO2=0.02％～0.56%)以英安岩和流纹岩为主(SiO2=64％～77%)(Riley et al., 2001)。火山岩中微量元素的变化是以斜长石为主的分离结晶作用所引起。低Ti组稀土元素均匀，都呈现出轻稀土富集和显著的负Eu异常，且都是下凹式的中稀土到重稀土的配分模式。高Ti组的稀土配分模式更加平缓，伴有少量的负Eu异常及不明显的轻稀土富集(Riley et al., 2001)。安山-流纹岩的 87Sr/86Sr 值可分为3个亚组：高 87Sr/86Sr 亚组的 87Sr/86Sr 值为 0.7070～0.7074，εNd 为-3.4～-3.6，其SiO2含量为70％～76%；中 87Sr/86Sr 亚组的 87Sr/86Sr 值为 0.7065～0.7067，εNd 为-2.4～-3.4，且包括低Ti和高Ti两组组分；低 87Sr/86Sr 亚组的 87Sr/86Sr 值为 0.7062～0.7065，εNd 为-2.2～-2.8(Riley et al., 2001)。
Leat等(1995)收集了出露在南极半岛上的71个早白垩世侵入岩体的地球化学分析数据，并将其分成如下3组：(1)SiO2为55％～78%的系列，其岩性主要为石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩和花岗岩。该系列中SiO2含量小于58%的样品与其他样品相比具有明显的高P或高Ti的特征。MgO的含量一般小于5%，且随着MgO的递减，FeO并未富集，形成了钙碱性分离趋势。(2)铁镁质硅饱和系列(SiO2=48％～59%)，由脉体和花岗闪长岩中的包体组成，具有较高的全碱、Na/K和Sr值以及低的Ca、Th值。(3)SiO2含量小于45%的镁铁质堆积体，其低P、Si特征表明该堆积体的成因与第2组的镁铁质岩石有关。镁铁质硅饱和系列与中酸性岩系相比，具有较高的εNd值和相似的初始 87Sr/86Sr 值，中酸性岩石的 87Sr/86Sr 值并没有随SiO2的增加而增加，推测硅质上地壳岩石的同化作用在岩石成因上并未起主要作用。然而，在相似的 87Sr/86Sr 值下，镁铁质系列的εNd值明显高于硅质中性系列。同时，南极半岛早白垩世的岩基与白垩纪的MORB亏损地幔相比，Sr同位素比值明显具有高放射性，而Nd同位素明显具有低放射性。
3.3 中生代岩浆岩形成的构造环境南极半岛中生代岩浆岩为以中酸性为主的基性-中性-酸性序列，富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、K)，相对亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti)，这些特征与形成于俯冲带之上的岛弧岩浆岩的地球化学特征相类似(McCulloch and Gamble， 1991)。早侏罗世波斯特山组火山岩Sr、Nd同位素比值清晰表明在其形成过程中有明显的壳源组分的加入。笔者对Riley等(2001)所测得的中生代安山质-流纹质火山岩的地球化学数据进行了投影(图 3)，其中在Nb-Y图解中，绝大多数火山岩样品落在岛弧-同碰撞带区；在Rb-Y+Nb图解中，绝大多数样品都投在岛弧区。显然，这些岩石均形成于岛弧环境，所有样品的投点非常集中，反映出微量元素的初始富集没有被后期的蚀变和变质作用所改造。总之，南极半岛中生代岩浆弧的形成与古太平洋洋底板块沿着南极半岛西缘海沟向东的俯冲作用有关。
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图 3 南极半岛中生代中酸性火山岩的Nb-Y(a)和Rb-Y+Nb(b)构造环境判别图解 Fig. 3 Discrimination diagrams of Nb-Y(a)and Rb-Y+Nb(b)for tectonic settings of the Antarctic Peninsula Mesozoic volcanic rock VAG-岛弧区；SYN-COLG-同碰撞带；WPG-板内区；ORG-洋脊区；底图据Pearce等，1984；数据来源于Riley等，2001 |
南极半岛出露的新生代岩浆岩主要是古近纪火山岩和侵入岩，其主要分布在南极半岛西部的离岸岛屿、南设得兰群岛和亚历山大岛(图 2d)。此外，在詹姆斯·罗斯岛(James Ross Isl and )、布拉班特岛(Brabant Isl and )和迪塞普申岛(Deception Isl and )还产出有新近纪晚期火山岩。
在南设得兰群岛出露的古近纪火山岩以乔治王岛(King George Isl and )的菲尔德斯半岛(Fildes Peninsula)为代表，其成分以玄武质、玄武安山质和安山质为主，另有少量的英安质亚碱性岩石组合。前人的研究表明，纳尔逊岛(Nelson Isl and )东部火山岩年龄为66±23 Ma和56±1 Ma，波特半岛(Potter Peninsula)法尔兹组(Fildes Formation)火山岩年龄为47.6±0.2 Ma(Haase et al., 2012)。在乔治王岛的巴顿半岛(Barton peninsula)和韦弗半岛(Weaver peninsula)地区，玄武质、安山质熔岩和花岗岩类深成体在45～44 Ma短期时间内喷发和侵入，但该期岩浆活动是只发生在巴顿半岛和韦弗半岛上，还是在南极半岛上普遍存在，尚有待进一步证实(Wang et al., 2009)。我们对南极半岛西部布思岛(Booth Isl and )和古迪耶岛(Goudier Isl and )的闪长岩、花岗闪长岩和辉绿玢岩脉进行了LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得的主要年龄集中在60～55 Ma之间(未发表资料)，说明南极半岛在古近纪早期也经历了一次重要的岩浆侵入活动。
亚历山大岛出露的岩性以中生代增生杂岩组成的变质沉积岩系和局部枕状熔岩及相关燧石为主，在古太平洋板块沿南极半岛俯冲作用停止之后，亚历山大岛出露有新生代的碧玄岩、碱玄岩和碱性橄榄玄武岩组合。在亚历山大岛北部地区，古近纪花岗岩侵入到增生杂岩中，时代为56±3 Ma(McCarron and Millar， 1997)。
在南极半岛东部出露的新生代火山侵入岩体统称为詹姆斯·罗斯岛火山群(James Ross Isl and Volcanic Group)(Nelson，1975)，由大量的熔岩深成体和成分类似的拉斑玄武岩、碱性玄武岩、夏威夷岩及少量的碧玄岩、橄榄粗安岩等组成(Smellie，1999)。詹姆斯·罗斯岛是詹姆斯·罗斯岛火山群出露最大的露头，主要岩性是碎屑角砾、枕状熔岩和近地面的熔岩流等。根据玄武岩的 40Ar/39Ar 年龄，已确定出布兰迪湾(Br and y Bay)地区绝大多数玄武岩的形成时间在3.95～6.16 Ma之间(Kristjánsson et al., 2005)。邓迪岛(Dundee Isl and )珀维斯角(Cape Purvis)和七扶垛(Seven Buttresses)火山岩年龄在1.69±0.03 Ma到0.132±0.019 Ma之间，证实了詹姆斯·罗斯岛火山岩群的活动一直持续到新近纪晚期(Smellie et al., 2006)。
4.2 新生代岩浆岩的地球化学特征乔治王岛的菲尔德斯半岛古近纪玄武岩类的SiO2含量一般为48％～55%，具有富Al2O3、高CaO，低MgO、FeO和TiO2的特征，其硅碱指数为0.79～2.65，且绝大多数样品小于1.8(金庆民等，1988；李兆鼐等，1992)。与南设得兰群岛玄武岩相比，菲尔德斯半岛玄武安山岩硅和碱质平均值略低，FeO、MgO含量相近，但Al2O3和CaO则明显偏高。巴顿半岛和韦弗半岛上的玄武岩和玄武质岩石SiO2含量为45％～51%，Al2O3和TiO2含量分别为16.6％～18.5%和0.6％～0.8%，Na2O和K2O含量一般分别少于4.0和1.5%，且都具有高度富FeO、中度富MgO的特征(Wang et al., 2009)。玄武岩和玄武质岩石均具有轻稀土富集、重稀土亏损的特征，并普遍发育弱的负Eu异常，其中高铝玄武岩的弱负Eu异常反映了岩浆经历了一定程度的斜长石分离结晶(邢光福，2003)。乔治王岛古近纪火山岩的 87Sr/86Sr 值为0.7032～0.7039，εNd为2.8～7.3(主要集中在5.0～7.0)(Smellie et al., 1984；郑祥身等，1988；李兆鼐等，1992；Keller et al., 1992；邢光福等，1997；邢光福，2003；Wang et al., 2009)。
乔治王岛的巴顿半岛和韦弗半岛上的花岗闪长岩和闪长岩侵入岩样品的SiO2含量分别为62%和51%，Al2O3含量分别为16.4%和19.0，TiO2含量分别为0.5%和0.7%，Na2O含量分别为3.9%和5.0，K2O 含量分别为2.7%和1.1%。这些样品都具有SiO2含量随MgO含量的增加而减少，而FeO和Al2O3含量随MgO含量的增加而增加的趋势。它们具有与玄武岩和玄武质岩石同样的稀土富集规律，但富集程度更强，其中花岗闪长岩具有明显的负Eu异常(Wang et al., 2009)。花岗闪长岩和闪长岩的 87Sr/86Sr 值和εNd值与玄武岩、玄武质安山岩一致，分别为0.7033～0.7039和5.4～7.3，反映出该岛上的火山岩和侵入岩具有相同的地幔来源(Wang et al., 2009)。
亚历山大岛玄武岩以高MgO含量(8.5％～11.2%)为特征，MgO在碱玄岩和橄榄玄武岩中的含量为6.5％～8.5%。有关亚历山大岛火山岩中的不相容微量元素，其富集规律有：橄榄玄武岩<碱性玄武岩<碱玄岩<碧玄岩，且碱性橄榄玄武岩和碱玄岩比碧玄岩具有更高的Zr/Nb和Sr/Nb值(陈廷愚等，2008)。玄武岩的 87Sr/86Sr和143Nd/144Nd 值分别限制在0.7028～0.7034和0.5129～0.5130范围内。碱性玄武岩和碧玄岩几乎具有相同的Sr、Nd同位素组分(87Sr/86Sr=0.7030，143Nd/144Nd=0.5130)，橄榄玄武岩与其他玄武岩相比具有更强的放射性Sr(87Sr/86Sr=0.7034)和更弱的放射性Nd(143Nd/144Nd=0.5129)(陈廷愚等，2008)。中性至硅质的岩石具有较低的 87Sr/86Sr 比值(Pankhurst，1982)，且接近于软流圈值，由此推测它们包含有大量的来源于玄武质岩浆的组分(Hole et al., 1991)。
詹姆斯·罗斯岛火山岩群岩石的Na2O和K2O含量一般分别低于4.0％和1.5%，其K2O/Na2O值比南设得兰群岛火山岩高，且在低SiO2含量情况下，火山岩群的K2O含量类似于来自布兰斯菲尔德海峡(Bransfield Strait)碱性玄武岩的含量(Košler et al., 2009)。詹姆斯·罗斯岛火山岩群玄武岩富集不相容元素，其微量元素配分曲线明显与N-MORB和E-MORB的配分曲线不同，而与OIB组分类似(显著的Rb、Ba、Th和P亏损)，但熔岩的重稀土配分模式与OIB组分能明显的区分出来(Košler et al., 2009)。詹姆斯·罗斯岛火山群大部分的玄武岩中的Sr、Nd和Pb同位素组分基本相同，即εSr值在-19～-21，εNd值在4.4～5.2。大部分岩石的Sr和Nd同位素组分与南极半岛的碱性火山岩相一致，或者跨越了南极半岛碱性火山岩的同位素组分(Hole et al., 1993)与南设得兰群岛和布兰斯菲尔德海峡东部碱性火山岩同位素组分的边界。Pb同位素组分与南设得兰群岛和布兰斯菲尔德海峡的火山岩相比，具有更强的放射性(Košler et al., 2009)。
4.3 新生代岩浆岩形成的构造环境南极半岛新生代古近纪岩浆岩为以中基性为主的基性-中性-酸性连续序列，与中生代岩浆岩相比，同样富集大离子亲石元素，相对亏损高场强元素，具有岛弧岩浆岩的地球化学特征。然而，南极半岛古近纪岩浆岩的 87Sr/86Sr 值较低，εNd均为正值，说明其原始岩浆来源于地幔的部分熔融，且后期经历了分异过程。笔者对李兆鼐等(1992)和Wang等(2009)所测得的古近纪玄武质岩石的地球化学数据进行分析投图(图 4)，在La-Y-Nb图解中主要落在钙碱性玄武岩及其与火山弧玄武岩的重叠区域，进一步说明其形成于岛弧环境。新近纪晚期在詹姆斯·罗斯岛、布拉班特岛和迪塞普申岛形成的火山岩主要形成于菲尼克斯(Phoenix)板块沿南极半岛西缘俯冲的同期及俯冲停止后的弧后伸展背景之中(Smellie，1999；Skilling，2002)，与布兰斯菲尔德海峡和热尔拉什海峡(Gerlache Strait)的打开及帕默地从亚历山大岛彻底的分离相伴(Storey and Garrett；1985)。
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图 4 南极半岛新生代古近纪玄武质岩石的La-Y-Nb构造环境判别图解 Fig. 4 Discrimination diagrams of La-Y-Nb for tectonic settings of the Antarctic Peninsula basaltic rock in Eocene of Cenozoic 1.A-钙碱性玄武岩；1C-火山弧玄武岩；1B-A和1C的重叠区域；2A-大陆玄武岩；2B-弧后盆地玄武岩；3A-大陆裂谷碱性玄武岩；3B-C-E型洋中脊玄武岩；3D-N型洋中脊玄武岩；底图据Cabanis and Lecolle， 1989；数据来源于李兆鼐等，1992；Wang et al., 2009 |
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图 5 南极半岛中新生代构造演化模型(据Vaughan and Storey， 2000修编) Fig. 5 Mesozoic-Cenozoic tectonic evolution model of the Antarctic Peninsula(modified after Vaughan and Storey， 2000) |
如前所述，南极半岛可以划分成东部、中部和西部3个构造域，东部构造域为冈瓦纳古陆的准原地地体，中部和西部构造域可能为外来地体。岩浆侵入作用伴随着火山作用在侏罗纪广泛发生，并且火山作用主要发生在南极半岛的东部构造域。由此推测，古太平洋持续俯冲到东部构造域之下，导致了侏罗纪的连续火山作用。与此同时，西/中部构造域与东部构造域之间被古太平洋所分隔，并在东部构造域的西部因增生作用形成了一套增生杂岩。西部构造域是古太平洋俯冲在中部构造域之下形成的增生杂岩体(Vaughan and Storey， 2000)。
5.2 各构造域初始合并及构造剥蚀(早白垩世，图 5b)在早白垩世，西/中部构造域与东部构造域初始合并，但在中部构造域与东部构造域接触部位，未能找到古太平洋俯冲在东部构造域之下所形成的增生杂岩，推测在西/中部构造域与东部构造域合并之后发生了软碰撞事件(Vaughan and Storey， 2000)，使得所产生的增生杂岩全部消耗殆尽。东部构造域在此阶段经历了构造剥蚀，使得在东部构造域东部形成了拉森(Larsen)盆地和拉塔迪(Latady)盆地。
5.3 帕默地事件(白垩纪中期，图 5c，5d)南极半岛西/中部构造域与东部构造域在中白垩纪发生硬碰撞(Vaughan and Storey， 2000)，碰撞挤压导致中部构造域与东部构造域的缝合带(东帕默地剪切带)发生两期构造事件，即帕默地造山事件。帕默地造山事件第1阶段发生在～107 Ma，构造形迹为纯剪切缩短到左行剪切挤压，在南极半岛广泛发育，但在帕默地南部表现最为明显(Vaughan et al., 2012a)。第2阶段发生在～103 Ma，构造形迹为纯剪切缩短到右行剪切挤压，主要沿东帕默地剪切带发育。拉西特海岸侵入岩套的岩浆侵位事件可能在第1阶段达到高峰，而第2阶段则可能是岩浆作用的平息时期(Vaughan et al., 2012a)。
5.4 乔治六世海峡的形成(晚白垩世—早新生代，～50 Ma以前，图 5e)南极—菲尼克斯板块扩张脊随时间从南极半岛西岸南部向北部迁移，导致大部分的菲尼克斯板块俯冲在南极半岛陆缘西岸之下(Larter and Barker， 1991，2002；Yegorova et al., 2011)。在～50 Ma 以前，南极-菲尼克斯扩张脊首先到达亚历山大岛海沟部位，并与海沟发生碰撞，导致洋脊扩张和菲尼克斯板块俯冲全部停止。西部构造域与中部构造域接触部位因俯冲挤压应力消失，产生应力松弛，沿着两构造域接触部位发生伸展垮塌，形成地堑式乔治六世海峡，西部构造域与中部构造域分离。
5.5 布兰斯菲尔德海峡的打开(～4 Ma，图 5f)在布兰斯菲尔德海峡打开之前，南极半岛北部的南设得兰群岛在50～40 Ma期间发生拆沉事件。拆沉作用之前，俯冲作用的驱动力和地幔楔浮力相平衡，岩浆作用与板块俯冲有关。随后，菲尼克斯板块的俯冲加厚了南设得兰群岛下部的岩石圈地幔，且逐渐增强的应力足以使厚层岩石发生拆沉，导致软流圈上涌，并阻挡了俯冲作用的继续，从而使得菲尼克斯板块回卷(roll back)，会聚速率突然降低。上涌软流圈地幔所带的热量触发了安山质-英安质熔岩的形成(Wang et al., 2009)。
拆沉作用在40～30 Ma结束，软流圈地幔上涌减弱，导致菲尼克斯板块继续向海沟处俯冲，使得南极-菲尼克斯扩张脊逐步靠近海沟。在菲尼克洋脊扩张停止之后，由于俯冲伴随的回撤和南设得兰群岛海沟后退引发了区域性的拉张。在4 Ma左右，随着板块俯冲和洋脊扩张作用的全部停止，已俯冲在南极半岛之下的板块继续下沉，由于缺失扩张脊的推动力，使得下沉板块产生回卷，最终导致布兰斯菲尔德海峡弧后盆地的打开，形成最深达2000 m的不对称地堑式构造边缘盆地(Barker，1982；Larter and Barker， 1991；Willan and Kelley， 1999；Larter et al., 2002)。
6 与南美巴塔哥尼亚对比 6.1 巴塔哥尼亚地质演化简况巴塔哥尼亚安第斯位于现今南美最南端的活动大陆边缘。巴塔哥尼亚岩基是一套独立的钙碱性深成杂岩，主要出露在南安第斯的智利和阿根廷，是中新生代环太平洋最大的岩基之一。深成岩体以准铝质岩石为主，过铝质岩石所占比例很小。巴塔哥尼亚南部的Deseado地块记录了早寒武世到晚古生代的冈瓦纳裂解作用(Pankhurst et al., 2003，2006)。两个主要构造事件影响了巴塔哥尼亚，分别为南大西洋的打开事件和安第斯俯冲事件(Zaffarana et al., 2014)。沿着巴塔哥尼亚西缘向东的俯冲作用始于晚古生代，随时间发生迁移和方向的改变，在晚侏罗世到达了现今位置(Mpodozis and Ramos， 2008；Breitsprecher and Thorkelson， 2009；Somoza and Ghidella， 2012)。白垩纪冈瓦纳的裂解作用导致南大西洋打开，并在巴塔哥尼亚南部产生伸展作用和大量流纹岩质火山作用(Pankhurst et al., 1998，2000)。随后，巴塔哥尼亚东部边缘以沉降和沉积为主，形成了南国盆地(Austral/Magallanes Basin)。巴塔哥尼亚安第斯新生代的构造演化以南极板块-纳兹卡(Nazca)板块扩张中心与秘鲁-智利海沟碰撞形成的智利边缘三联点为特征。在大约14～15 Ma，智利山脉在纳兹卡和南极板块之间适度扩张，南极板块-纳兹板块扩张中心与秘鲁-智利海沟碰撞形成了智利边缘三联点。而后，随着进一步的俯冲碰撞，该三联点向北迁移(Cande and Leslie， 1986； Zaffarana et al., 2014)。
6.2 地质时代对比Fanning等(2011)对智利巴塔哥尼亚的Duque de York杂岩、南设得兰群岛的迈尔斯陡崖组(Miers Bluff Formation)和南极半岛的特里尼蒂半岛群浊积砂岩中的碎屑锆石进行了U-Pb定年，所测的年龄数据峰期都在290 Ma左右，表明它们都来源于一个类似的物源区。对南极半岛和巴塔哥尼亚熔结凝灰岩的锆石U-Pb年代学研究表明，南极半岛熔结凝灰岩的形成年龄主要集中在184～162 Ma，而巴塔哥尼亚熔结凝灰岩的年龄范围为188～153 Ma(Pankhurst et al., 2000)。这些年龄表明，南极半岛和南美南部火山活动跨越了整个侏罗纪，且可分成3期：第1期为188～178 Ma，发生在巴塔哥尼亚东北部和南极半岛南部与板内有关的火山作用(Pankhurst et al., 2000)，该期的硅质火山岩省发育在冈瓦纳裂解早期阶段(Riley et al., 2001)；第2期为172～162 Ma，火山作用发生在巴塔哥尼亚南部和南极半岛北部(Pankhurst et al., 2000)，且中侏罗世南极半岛梅普尔组硅质火山岩和南美Chon Aike Formation的硅质火山岩都可能是由于“格林威尔期”含有铁镁质下地壳的深熔作用所形成(Riley et al., 2001)；第3期为157～153 Ma，该期火山作用事件发育在整个巴塔哥尼亚地区和南极半岛基岩部位。总之，火山作用事件在巴塔哥尼亚由东向西迁移，而在南极半岛上由南向北迁移(Pankhurst et al., 2000；Riley et al., 2001)(表 1)。
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表 1 南极半岛与南美巴塔哥尼亚的地质联系 Table 1 The geological relationships between the Antarctic Peninsula and Patagonia |
Fanning等(2011)对巴塔哥尼亚西部和南极半岛地区增生楔中的二叠纪碎屑变质沉积物也进行了Lu-Hf同位素物源分析，结果表明εHf值大部分都在-15～+4，且超过85%的样品的εHf值在-6～+1，指示这些变质沉积岩的物源来源于二叠纪岩浆岩，且负εHf值反应出其更可能来自于成熟的地壳物源。由于南极半岛和巴塔哥尼亚南部的地理位置从二叠纪到侏罗纪非常接近，从而进一步证实两地区二叠纪变质沉积物来自于统一的碎屑物源。巴塔哥尼亚和南极半岛发育一个统一的侏罗纪—白垩纪早期(大约188～140 Ma)以流纹岩为主的硅质大火山岩省，其地球化学具有钙碱性分异及贫铁的特征，且东部高Zr和Nb，西部则显示与岛弧有关的亚碱性，其岩石成因模型是玄武质岩浆底侵导致的不成熟下地壳的部分熔融(Pankhurst et al., 1998)(表 1)。
6.4 构造联系在晚侏罗世—白垩纪超级大陆裂解之前，沿冈瓦纳太平洋边缘，尤其是现今的巴塔哥尼亚、西南极和新西兰一带发育有大量的增生杂岩，说明三者具有紧密的成因联系(Dalziel， 1981，1982；Dalziel and Brown， 1989)。南极半岛和巴塔哥尼亚造山带都位于南美板块、斯科舍板块和南极板块三者的接触部位。亚历山大岛俯冲杂岩中保存有中侏罗世—早白垩世的左行剪切挤压构造形迹(Doubleday and Storey， 1998)，南极半岛北部早白垩世断层也表现为北西-南东的古应力轴及左行剪切挤压变形(Vaughan and Storey， 2000；Whitham and Storey， 1989)，像岛白垩纪俯冲杂岩中同样保存了左行剪切挤压构造形迹的证据(Trouw et al., 2000)。与此相对应，智利南部Liquine-Ofqui断层带中的早白垩世及更老的花岗岩同样保留了左行剪切挤压构造形迹(Cembrano et al., 2000；Vaughan et al., 2012a)。这说明，这两个地区至少在白垩纪处于同一挤压变形构造体制之下(表 1)。
总之，尽管巴塔哥尼亚和南极半岛目前被德雷克海峡和斯科舍海所分割，但两地区侏罗纪火山作用时间大致相同(Pankhurst et al., 2000)。前侏罗世的浊积岩又来自于同一个类似的物源区(Pankhurst et al., 2000；Fanning et al., 2011)，表明巴塔哥尼亚和南极半岛在白垩纪及以前可能是连续的。晚白垩世以来，南极半岛和南美安第斯南部开始向西南运移，且南安第斯向西迁移速率比南极半岛快。大约从45 Ma开始，南极半岛向南运移，而南美南部向北运移，两者发生相对离散运动，即形成了现有的斯科舍海。现今，南美板块和南极板块间的离散方向变为东西向(Cunningham，1993；Eagles and Jokat， 2014)，从而形成了现在的南极半岛和巴塔哥尼亚的地理对应关系(图 6)。
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图 6 南极半岛与南美巴塔哥尼亚的构造连接图 (据Pankhurst et al., 1998；Wang et al., 2009修编) Fig. 6 Sketch map of tectonic relationship between the Antarctic Peninsula and Patagonia of South America(modified after Pankhurst et al., 1998；Wang et al., 2009) |
(1)南极半岛可以分成准原地的东部冈瓦纳构造域、外来的中部岩浆弧构造域和西部增生杂岩构造域，3个构造域在白垩纪中期通过碰撞汇聚在一起。
(2)中新生代岛弧岩浆作用在南极半岛有随时间从东南向西北逐渐迁移的规律，在南设得兰群岛则随时间从西南向东北逐渐迁移，这与大洋板块的俯冲和后撤有关。
(3)南极半岛和南美巴塔哥尼亚在二叠纪具有共同的沉积物源，且两地区侏罗纪—白垩纪火山作用的时代和地球化学性质大致相同，推测二者至少在白垩纪以前是相连的。
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