矿物岩石地球化学通报  2015, Vol. 34 Issue (6): 1109-1122   PDF    
西南极乔治王岛白垩纪末—中新世火山-沉积地层研究新进展
高亮1, 赵越1,2 , 杨振宇3, 刘建民1,2, 刘晓春1,2, 张拴宏1,2    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 国土资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
3. 首都大学资源环境与旅游学院, 北京 100048
摘要: 乔治王岛出露一套白垩纪末—中新世的火山-沉积地层,露头主要分布于菲尔德斯半岛、韦弗半岛、巴顿半岛、波特半岛、华沙地块、克拉克夫地块以及梅尔维尔角等地,地层出露比较完整,对研究南极半岛在白垩纪末—中新世时的地质及古气候演化等科学问题具有非常重要的意义.本文总结了前人对乔治王岛白垩纪末—中新世火山-沉积地层的同位素年代学、地层学以及元素地球化学等方面的研究进展,展示了笔者等的最新研究成果与认识,指出了存在的问题与研究方向.
关键词: 南设得兰群岛     乔治王岛     地层学     同位素年代学     火山岩     沉积岩    
Recent Progress of Late Cretaceous—Miocene Volcanic-sedimentary Strata on King George Island, West Antarctic
GAO Liang1, ZHAO Yue1,2 , YANG Zhen-yu3, LIU Jian-min1,2, LIU Xiao-chun1,2, ZHANG Shuan-hong1,2    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, the Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;
3. College of Resources, Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China
Abstract: King George Island comprises Late Cretaceous-Miocene volcanic-sedimentary strata. The outcrops are well exposed in the Fildes Peninsula, Weaver Peninsula, Barton Peninsula, Potter Peninsula, Warszawa Block, Krakow Block and Cape Melville, and quite important for the research of geology and paleoclimate evolution for the Antarctic Peninsula. In this article, we make a summary of the progress for the isotope geochronology, stratigraphy and geochemistry of the Late Cretaceous-Miocene volcanic-sedimentary strata and show our latest research achievements and understandings, as well as propose the current problems and potential suggestions for future research.
Key words: South Shetland Islands     King George Island     stratigraphy     isotope chronology     volcanic rock     sedimentary rock    

南极半岛(Antarctic Peninsula)和南设得兰群岛(South Shetl and Isl and )是南美安第斯构造岩浆弧向南极板块的延伸,主要由古太平洋大洋岩石圈板块向南极板块的俯冲过程中形成一套统称为安第斯侵入岩套和南极半岛火山岩群(Antarctic Peninsula Volcanic Group,APVG)的钙碱性岛弧型火山岩系组成(Suárez,1976Saunders and Tarney, 1982Thomson,1982Pankhurst, 19821990),时代分布从晚三叠世到上新世(Rex 1976;Thomson and Pankhurst, 1983Barker et al., 1991Haase et al., 2012)。南设得兰群岛位于南极半岛西北部,布兰斯菲尔德海峡(Bransfield Strait)在约上新世之后将南极半岛与南设得兰群岛分开(Barker,1982Barker and Dalziel, 1983)(图 1a)。南设得兰群岛主要包括娄岛(Low Isl and ),史密斯岛(Smith Isl and ),雪岛(Snow Isl and ),欺骗岛(Deception Isl and ),利文斯顿岛(Livingston Isl and ),格林威治岛(Greenwich Isl and ),罗伯特岛(Robert Isl and ),纳尔逊岛(Nelson Isl and )和乔治王岛(King George Isl and )。乔治王岛坐落在南设得兰群岛中部(57°35′~59°01′W;61°54′~62°16′S),整体呈走向北东-南西的长条状,长80 km,宽30 km,总面积为1185 km2,由4个构造地层单元组成,包括中轴巴顿地垒(Barton Horst),北部和西部的菲尔德斯地块(Fildes Block),南部的华沙地块(Warszawa Block)和最南部的克拉克夫地块(Krakow Block)(图 1b)。这4个构造地层单元由两条主要的走滑断层分开,分别为埃斯库拉断裂(Ezcurra Fault)与柯林斯断裂(Collins Fault)(Birkenmajer,1982aBirkenmajer,1998a)。埃斯库拉断裂为右旋走滑正断层(Barton,1965Birkenmajer,1980),沿乔治王岛与纳尔逊岛可追索60 km,走向为北东-南西向。根据其切穿含中新世化石的地层可推断其在中新世晚期或者中新世-上新世还在运动(Birkenmajer,1982a)。其水平走滑量还没有确切的报道,但垂直位移量至少为2.5 km(Birkenmajer,1980),后期又被北西-南东向的断裂错断。柯林斯断裂位于乔治王岛西北部,走向也为北东-南西,运动时间可能与埃斯库拉断裂一致,对于其水平走滑量尚不知,其垂直位移量在菲尔德斯半岛部分大约为4 km(Birkenmajer,1982a)。巴顿地垒夹于这两条断裂之间,随着断裂的垂直运动而被抬升,抬升的距离在2.5~4 km,所以,其地层年代应该晚于其他块体上的地层年代(Birkenmajer,2003Kraus,2005)。除了北东-南西向断裂,北西-南东向走滑断裂在乔治王岛也广泛发育,切穿北东-南西断裂,水平走滑量最大可达15 km,相对于北东-南西向断裂,北西-南东向断裂延伸更短,切穿深度更浅,其形成年代可能是早上新世(Birkenmajer,1982aKraus,2005)。

图 1 西南极南设得兰群岛乔治王岛与纳尔逊岛地质构造单元简图 Fig. 1 Simple geological map of the King George Island and Nelson Island, South Shetland Island, West Antarctic 修改自Birkenmajer,1982bBirkenmajer 1984Birkenmajer,1998aBirkenmajer,2003Yeo et al., 2004Kraus,2005李兆鼐等,1996Wang et al., 2009Nawrocki et al., 2010Uchman and Gaz′dzicki,2010

乔治王岛出露一套白垩纪末—中新世的火山-沉积地层,地层出露比较完整,露头主要分布于菲尔德斯半岛、韦弗半岛、巴顿半岛、波特半岛、华沙地块、克拉克夫地块以及梅尔维尔角等地,对研究南极半岛在白垩纪末—中新世时的地质及古气候演化等科学问题具有非常重要的意义。本文总结了前人对乔治王岛白垩纪末—中新世火山-沉积地层的同位素年代学、地层学以及元素地球化学等方面的研究进展,展示了我们最新研究成果,最后提出了存在的问题与今后研究方向。

1 乔治王岛白垩纪末—中新世火山沉积地层的同位素年代学研究 1.1 菲尔德斯半岛(Fildes Peninsula)

菲尔德斯半岛位于菲尔德斯地块西南部,主要出露一套层状熔岩,火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩(郑祥身等,1991)(图 1图 2)。关于菲尔德斯半岛火山岩的层序划分以及时代前人存在不同的意见,李兆鼐和刘小汉(1987)郑祥身等(1991)沈炎彬(1992)等对上世纪初至80年代前人的研究做了详细的总结。乔治王岛“侏罗系火山群”(Jurassic Volcanic Group)是由Hawkes(1961)最先提出,指分布在海军湾开勒半岛(Keller Peninsula)珍贵峰(Precious Peak)以及乌尔曼脊(Ullmann Spur)的一套层状钙碱系列安山-流纹岩。当时并没有证据说明其属于侏罗纪,主要根据区域火山岩蚀变程度,由于其位于安第侵入岩(Andean intrusive)之下而推测。Barton(1965)把半岛南端火山岩划为上侏罗统,半岛其他地区火山岩归为菲尔德斯半岛群(Fildes Peninsula Group),时代不定,并且简单的将迪法耶尔岛群(Dufayel Isl and Group)、埃斯库拉湾群(Ezcurra Inlet Group)、菲尔德斯群和亨内角群(Point Hennequin Group)都划为晚白垩世—中新世。Hawkes(1961)将菲尔德斯群划为早中新世。Adie(1964)将该群划为晚渐新世。Birkenmajer(1980)将其对海军湾(Admiralty Bay)地层中的埃斯库拉湾群上部和亨内角群下部与Barton(1965)Adie(1964)的菲尔德斯半岛群对比。Smellie等(1984)将菲尔德斯群改为菲尔德斯组,时代定为渐新世。

图 2 西南极南设得兰群岛乔治王岛菲尔德斯半岛和纳尔逊岛斯坦斯伯赖半岛地质图 Fig. 2 Geological map of the Fildes Peninsula, King George Island and Stansbury Peninsula, Nelson Island, South Shetland Island, West Antarctic 修改自李兆鼐等,1996;图中照片为中国第31次南极科学考察队队员刘建民研究员拍摄

中国南极考察队经过多年研究,根据同位素年代学将菲尔德斯半岛群划为古近纪—新近纪,并且做了详细划分(李兆鼐和刘小汉,1987刘小汉和郑祥身,1988郑祥身等,1991),编制了1︰20000菲尔德斯半岛地质图(图 2)。本区火山作用形成一套亚碱性(拉斑和钙碱性)火山岩组合。根据火山地质学、岩石学与地球化学研究结果,李兆鼐等(1992)将本区火山作用分为两个阶段:第1阶段以玄武岩,玄武安山岩和火山碎屑岩为主,具有高铝拉斑系列和高铝钙碱性系列双重特征;第2阶段主要为玄武安山岩、安山岩和少量英安岩,属于钙碱性系列,所以本区火山岩以基性和中基性熔岩为主,是一套在洋壳基础上发育的岛弧火山岩组合(李兆鼐等,1992)。根据岩性特征、地质分布及接触关系,菲尔德斯半岛群被划分为2个组(长城组和化石山组)5个岩性段,包括(1)碧玉山段玄武质熔岩和火山角砾岩(Eb),底部有火山角砾岩和集块岩,岩层倾向北东,倾角10°~15°,厚53~107 m,主要分布于半岛西南部地理湾和碧玉山一带;(2)玛瑙滩段杏仁状玄武岩和玄武安山质熔岩与火山角砾岩(Em),倾向北东东或南西西,倾角变化为2°~15°,厚度变化较大,分布较广;(3)化石山段火山角砾岩、凝灰岩和火山碎屑沉积岩(Eh)产孢粉、植物叶、茎干及鸟类足印等遗迹化石,与下伏玛瑙滩段之间存在一个明显角度不整合;(4)岩块山段玄武安山岩、安山质和英安质熔岩、角砾熔岩(Ey),厚36~94 m,分布于半岛东部以及(5)长山段玄武安山质熔岩(Ech)及相应的次火山岩(SV)(李兆鼐和刘小汉,1987Li et al., 1989郑祥身等, 19881991)。根据1985~1988年中国南极考察队(一,二,三次队)采集和测定的23个样品以及1970~1984年发表的30个样品的数据将碧玉山段和玛瑙滩段年代归为64.4~54.3±0.6 Ma,化石山段、岩块山段和长山段的年龄区间大致为54.18±0.94~42±1 Ma(李兆鼐和刘小汉,1987)。而朱铭等(1991)根据菲尔德斯半岛火山岩同位素年代研究结果将碧玉山段归为晚古新世,Rb-Sr和40Ar/39Ar 法测定年代为54 Ma和55 Ma,玛瑙滩段K-Ar等时年龄区间为50~40 Ma,属于早始新世;化石山段从中始新世—渐新世,最晚的岩块山段为中中新世早期。Haase等(2012)在菲尔德斯半岛北部与南部以及纳尔逊岛东部得到了56.1±0.3,55.21±0.49 Ma和55.8±1 Ma的火山岩 40Ar - 39Ar/K-Ar年龄,但Haase 等(2012)在文章中没有给出具体采样位置,因此我们不能确定其所采样品属于哪个岩性段。沈炎彬(19901992),曹流(1990)王银喜等(1992)等根据叶化石、孢粉化石和12个沉凝灰岩、凝灰质泥岩样品Rb-Sr 同位素等时线年龄(71.33±0.3 Ma)新建立白垩纪末半三角组。半三角组层型地点在菲尔得斯半岛东南角,靠近半三角海边的一个小礁岩岛上,由灰绿色细火山角砾岩、深灰色层凝灰岩、凝灰质砂岩及凝灰质泥岩组成,厚约5.5 m,其上层覆盖致密玄武岩。凝灰质泥岩小于2 μm粒级组分硼含量为48.4×10-6),与淡水泥质沉积物硼含量相当(薛耀松,1994)。因此,半三角组可能属于临近海岸的湖相沉积。沈炎彬(1992)进一步建议取消长城组和化石山组,将段改为组。并且命名“苏菲尔角火山岩”代表菲尔德斯半岛更新时代的火山活动,玄武岩的年龄数据为22.06 Ma,有些岩脉为23~19 Ma(郑祥身等,1991沈炎彬,1992)。根据岩层区域分布,岩相差别及所含古生物的变化进一步把化石山组划分下部长城湾段和上部磐石湾段。长城湾段为下部,以化石山为代表,主要岩性有火山角砾岩、层凝灰岩、凝灰质粉砂岩、熔岩,夹煤线。属低地或丘间河湖相沉积。与下部玛瑙滩组不整合接触,有一风化剥蚀面。上部在别林斯高晋站油库附近,主要岩性为黄绿色凝灰岩,夹火山角砾岩、熔岩,厚约36 m,未见底,与上部岩块山组不整合接触。主要分布在菲尔德斯半岛东部的阿德雷岛、磐石湾、阿蒂加斯站(Artigas)及柯林斯(Collins)冰盖西缘等地。它与长城湾段的主要区别是沉积环境不同,属小型山间盆地堆积。本段孢粉十分丰富,有100余种(Cao,1992宋之琛,1998)。叶化石较丰富(张善桢和王庆芝,1994Poole et al., 2001)。叶化石与孢粉植物群等证明化石山组属于中始新世的可能性最大(李浩敏和沈炎彬,1990李浩敏,1994宋之琛,1998)。根据从化石山剖面采集的25个双子叶植物化石形态进行的古气候重建显示早中始新世时南极存在夏季季风气候(Jacques et al., 2014)。

考虑到前人在菲尔德斯半岛内火山岩定年主要依靠K-Ar法,而K-Ar法由于自身局限性而难以判断过剩Ar对测年结果的影响,导致所测数据有可能不代表真实的火山岩形成年龄,因此赵越与刘晓春在菲尔德斯半岛化石山附近采集了化石山组底部玛瑙滩组新鲜玄武岩进行了 40Ar/39Ar 阶段加热法测年(美国俄勒冈州立大学 40Ar/39Ar 年代学实验室,具体采样位置见图 2中红五角星),得到~56.4 Ma的高温坪年龄(待发表),代表了火山岩形成时的年龄,说明化石山组年龄不老于~56.4 Ma。

1.2 韦弗半岛与巴顿半岛(Weaver Peninsula与Barton Peninsula)

韦弗半岛与巴顿半岛位于乔治王岛西南部,属于巴顿地垒,主要出露火山碎屑岩、玄武岩、安山岩,以及花岗闪长岩与闪长岩(图 1图 3)。半岛最底部地层为世宗王组(Sejong Formation)(Yoo et al., 2001),分布于巴顿半岛南部和西南部以及韦弗半岛大部分地区,主要岩性为火山角砾岩与集块岩,厚100~200 m,倾向南或南西(Yeo et al., 2004)。植物化石显示其沉积年代为晚古新世—始新世,沉积时的古气候条件为温暖湿润(Chun et al., 1994)。

图 3 西南极南设得兰群岛乔治王岛韦弗与巴顿半岛地质简图(修改自 Yeo et al., 2004Wang et al., 2009) Fig. 3 Geological map of the Weaver and Barton Peninsula,King George Isl and ,South Shetl and Isl and,West Antarctic (Modified from Yeo et al., 2004Wang et al., 2009)

半岛内世宗王组之上广泛分布玄武岩及安山岩,主要为斑状结构,斑晶为斜长石,含有少量单斜辉石与斜方辉石(Tokarski,1988Jin et al., 1991Kim et al., 2000Lee et al., 2002Wang et al., 2009)。Yeo等(2004)根据岩石地球化学特征将韦弗半岛与巴顿半岛内火山岩分为3组,主要属于拉斑玄武岩系列,发育于不成熟的火山岛弧环境(图 3)。第1组分布于韦弗半岛与巴顿半岛中部,岩性主要为玄武岩与玄武安山岩。第2组主要分布于巴顿半岛,岩性为玄武安山岩到安山岩。第1组相对于第2组具有较高的MgO,CaO和Al2O3的质量百分比以及较低的SiO2,K2O和P2O5质量百分比。相对于第2组与第3组,第1组还具有最低的稀土元素含量以及较弱的Eu正异常。第3组主要包括分布于巴顿半岛南部的岩墙和岩脉,其元素组成与第2组相似,但是P2O5,Na2O,TiO2和HREE含量高于第2组。相对于乔治王岛其他地区,本区存在广泛的后期蚀变作用,根据绿泥石古地温计与t-XCO2分析得到变质温度为300℃左右,压强小于0.1 MPa。主要蚀变矿物有方解石、绿泥石、黄铁矿、绢云母以及少量的绿帘石等(Hawkes,1961Littlefair,1978Smellie et al., 1984So et al., 1995Birkenmajer,1998bKim et al., 2002Willan and Armstrong, 2002Wang et al., 2009),所以,对这些火山岩进行定年显得比较困难。前人根据K-Ar定年得到的时代为古新世—始新世(Pankhurst and Smellie, 1983Park,1989Kim et al., 2000Hur et al., 2001),王非等(Wang et al., 2009)最新的 40Ar/39Ar 定年结果显示其喷发年代为中始新世,时代为50~40 Ma。Wang等(2009)的研究还表明韦弗与巴顿半岛内玄武岩、安山岩以及花岗闪长岩与闪长岩具有一致的初始 87Sr/86Sr(0.703342~0.703877)和143Nd/144Nd(0.512858~0.512956),εNd(45 Ma)为+5.4~+7.3,表明本区火山岩的原始岩浆是亏损地幔部分熔融的产物。通过总结南设得兰群岛火山活动,Wang等(2009)提出南设得兰群岛存在一期约45 Ma的峰值火山活动,并且认为可能由于地幔楔脱离导致软流圈物质上涌造成的。Kraus(2005)对韦弗半岛内安山岩与玄武安山岩岩脉的地球化学研究得到了同样的结果。然而Haase等(2012)通过地球化学研究发现乔治王岛自60~40 Ma之间形成的火山岩具有同等程度的代表富集地幔型Nd同位素衰减比值,所以南设得兰群岛在古近纪并不存在明显的软流圈物质上涌。考虑到Haase等(2012)的地球化学数据位于乔治王岛菲尔德斯地块与华沙地块,而Wang等(2009)地球化学数据来自巴顿地垒,两者之间地球化学数据的不同可能说明两地块属于具有不同基底的地质构造体。

另外,有研究者在巴顿半岛北部得到了早白垩世(120.4±1.6 Ma,119±1.0 Ma)、古新世(61.4±0.9 Ma)和早始新世(53.1±1.5 Ma,52±1.0 Ma)的全岩 40Ar/39Ar 阶段加热坪年龄,表明巴顿半岛内还可能存在早白垩世、古新世和早始新世的岩浆活动(Kim et al., 2000Zheng et al., 2000)。

除了韦弗半岛与巴顿半岛,对海军湾附近属于巴顿地垒的杜法耶尔岛内安山岩与温格峰石英闪长岩中锆石U-Pb定年结果分别为47.8±0.5 Ma与49.1±0.4 Ma(Nawrocki et al., 2010),进一步说明巴顿地垒内在45 Ma左右有一次比较集中的火山活动(Wang et al., 2009)。

1.3 波特半岛(Potter Peninsula)

波特半岛位于巴顿半岛东南部,属于华沙地块的一部分(图 1图 4)。Ferguson(1921)Tyrrell(1921)首先在半岛内开展了工作,之后Barton(1965)Hawkes(1961)Smellie等(1984)Birkenmajer(1998a)更加详细的报道了岛内地质特征。Fourcade(1960)González-Ferrán和Katsui(1970)Birkenmajer(1998a)随后发表了波特半岛地质简图。Kraus(2005)发表了更为详细的半岛地质与地形图。岛内主要出露约80 m厚的玄武岩与安山质熔岩,夹火山碎屑岩,另外还有部分浅成侵入体。玄武岩与安山质熔岩主要代表早期火山活动,火山活动后期主要形成火山碎屑岩以及浅成侵入体。半岛内存在3个火山喷发口,包括两个复合型火山口(stratovolcanoes):三兄弟峰(Three Brothers Hill)和佛罗伦斯冰原岛峰(Florence Nunatak)以及位于半岛东部的一个小型火山口(double-vented volcano)(图 4)。前人将半岛内火山岩地层归于菲尔德斯半岛群(Smellie et al., 1984)。半岛内火山岩年代主要通过K-Ar与 40Ar/39Ar 法确定,Watts等(1982)报道了三兄弟峰的K-Ar年龄为50.6±0.7 Ma,另外3处火山熔岩年龄为57.9±0.8~49.1±0.9 Ma。Smellie等(1984)对6块玄武-安山质熔岩以及浅成侵入体的定年结果为49±1~42±1 Ma,其中三兄弟峰的火山岩年龄为47±1 Ma。最新的 40Ar/39Ar 年代学结果为47.6±0.22 Ma(Haase et al., 2012)。Kraus(2005)对岛内玄武岩、安山岩与流纹岩岩脉 40Ar/39Ar 阶段加热法坪年龄为47.19±0.5~45.7±1.2 Ma。所以根据最新的同位素年代学结果确定波特半岛内火山岩主要形成于47~45 Ma。

图 4 西南极南设得兰群岛乔治王岛波特半岛地质图(改自Kraus,2005) Fig. 4 Geological map of the Potter Peninsula,King George Isl and ,South Shetl and Isl and, West Antarctic(Modified after Kraus,2005)
1.4 华沙地块(Warszawa Block)

华沙地块位于海军湾西海岸,主要出露玄武安山岩以及闪长岩岩墙(图 1图 5)。地层年代为白垩纪末到始新世或渐新世(Birkenmajer, 20012003)。白垩纪末期地层主要出露于海军湾东北部海岸,包括5个群:天堂湾群(Paradise Cove Group),巴拉诺夫斯基冰川群(Baranowski Glacier Group),埃斯库拉湾群(Ezcurra Inlet Group),亨内克角群(Point Hennequin Group)和海军湾群(Admiralty Bay Group)以及9个组。天堂湾群与巴拉诺夫斯基冰河群包括5个组:Uchatka Point组(玄武岩;厚度大于50 m),Creeping Slope 组(红色页岩,绿色凝灰岩和砾岩;厚约60 m),Demay Point 组(主要为长英质火山岩,以及凝灰岩,火山角砾岩,砾岩,含有大块硅化木;厚60~170 m),Llano Point组(拉斑玄武岩,安山质熔岩,火山碎屑岩与凝灰质砂岩;厚度大于1100 m)和Zamek组(灰黑色到绿色玄武岩和安山质熔岩及火山灰;厚度大于40 m)(Birkenmajer, 20012003)。K-Ar年龄结果显示巴拉诺夫斯基冰河群年代为白垩纪末(77±4 Ma)(Birkenmajer et al., 1983)。巴拉诺夫斯基冰河群之上为埃斯库拉湾群(Ezcurra Inlet Group),包括Arctowski Cove组(包括4个段:自下往上为,Rakusa Point 段主要岩性为黑色玄武质与安山质熔岩,厚度大于60 m;Hala 段,主要岩性为红紫色角砾熔岩,集块岩,夹砾岩,厚100~140 m左右;Petrified Forest 段,主要岩性为泥岩、砂岩、砾岩夹有棕色煤层,含植物化石,厚30~50 m;Skua Cliff 段,主要岩性为玄武安山质集块岩,含植物化石,厚6~24 m)和Point Thomas组(主要为玄武安山质熔岩,夹有厚层火山角砾岩,厚300~430 m),玄武安山质熔岩K-Ar年龄显示Arctowski Cove 组底界年龄为66.7±1.5 Ma,Point Thomas 组底界年龄为37.4±1.1 Ma(Birkenmajer,2003)。亨内克角群主要分布于亨内克角及其北侧海边,其组成岩石主要为火山熔岩及凝灰角砾岩夹薄层沉积碎屑岩,成互层状,未见顶底,视厚度约为500 m,根据岩性可分为下部Vieville Glacial组和上部Mount Wawel组,时代为晚始新世—渐新世(Birkenmajer, 19872003; Birkenmajer et al., 2005段威武和曹流,1998)。孢粉化石显示其年代可能为渐新世,沉积环境为近中低山地区的湖沼环境,气候温暖潮湿(段威武和曹流,1998)。海军湾群主要包括一系列后期的浅成侵入体,最新的SHRIMP锆石U-Pb年龄显示其年代为27.9~25.4 Ma(Pańczyk et al., 2009)。

图 5 西南极南设得兰群岛乔治王岛华沙地块地质简图(a,b)和剖面照片(c,d) (a,b和c改自Birkenmajer,2003Nawrocki et al., 2010;照片d为中国第31次南极科学考察队队员赵越研究员拍摄) Fig. 5 Simple geological map of the Warszawa Block,King George Isl and (a,b),South Shetl and Isl and , West Antarctic and section pictures(c,d)(a,b and c modified after Birkenmajer,2003Nawrocki et al., 2010; d:photo by Prof. Zhao Yue from the Chinas 31th scientific expedition to Antarctica)

最新的锆石U-Pb与 40Ar/39Ar 同位素年代学以及古地磁学对华沙地块内天堂湾群,巴拉诺夫斯基冰川群和埃斯库拉湾群进行了重新划分,将天堂湾群置于Campanian阶与Maastrichtian阶之间(Uchatka Point组: 40Ar/39Ar 坪年龄为75.4±0.9 Ma),并且将Demay Point组归于巴拉诺夫斯基冰河群,年龄可能在52~51 Ma之间(40Ar/39Ar 坪年龄:52.7±0.6 Ma;锆石SHRIMP U-Pb∶53.0±0.7 Ma)。Point Thomas 组含有一套冰碛岩,被称为赫维湾冰碛岩(Herve′ Cove tillite),前人K-Ar年代学结果为年代为45~41 Ma,考虑到K-Ar定年结果的不确定性,Nawrocki等(2010)利用锆石U-Pb与古地磁方法重新确定其年代为49.4~48.6 Ma(48.9±0.7 Ma)(图 5)。

1.5 克拉克夫地块

克拉克夫地块位于乔治王岛中东部,夹于海军湾与乔治王湾之间,出露一套从基性到酸性的火山岩以及与冰川作用有关的沉积岩(图 1图 6)。除了分布有与华沙地块内相同的亨内克角群、埃斯库拉湾群,本区根据出露岩石主要被分为两个群:肖邦岭群(Chopin Ridge Group)与勒古湾群(Legru Bay Group)。肖邦岭群又可分为四个组:玛祖卡角组(Mazurek Point Formation),波罗乃兹湾组(Polonez Cove Formation),男孩角组(Boy Point Formation),婚礼湾组(Wesele Cove Formation)。最底部的玛祖卡角组为一套橄榄玄武岩,外表风化强烈,K-Ar年龄为42.0±1.0 Ma(Smellie et al., 1984)与74+1-7 Ma(Birkenmajer and Gaździcki,1986Birkenmajer,1990),考虑到肖邦岭群位于埃斯库拉湾群之上,所以此处的K-Ar年龄可能并没有反映火山岩形成的真实年龄。波罗乃兹湾组被进一步分为4段,自下而上为克拉柯瓦克冰川段(Krakowiak Glacier Member),洛岬段(Low Head Member),锡科拉瓦段(Siklawa Member)和奥别列克悬崖段(Oberek Cliff Member)。底部克拉柯瓦克冰川段厚5~15 m,为陆地冰碛岩,由外来的岩石碎屑堆积的杂岩及砂岩组成。洛岬段厚5~15 m,含有丰富的海相动物群,属冰海沉积,主要岩性为玄武质集块岩,含有大量冰山漂移碎屑物,沉积环境可能为陆棚内侧高能环境。锡科拉瓦段主要岩性为砂岩,泥岩和泥页岩,含有少量冰山漂移碎屑物,厚2~10 m,沉积环境可能是低能的浅海环境。奥别列克悬崖段厚10~30 m,主要岩性为砂岩与含海相化石的集块岩,含有冰山漂移碎屑物,对奥别列克悬崖和洛岬段内双壳类贝壳内方解石,石英及钾长石Sr同位素定年结果为29.8+0.8-0.7和29.3+0.7-0.6 Ma(Dingle et al., 1997Dingle and Lavelle, 1998abBirkenmajer,1987)。对洛岬段和奥别列克悬崖段玄武熔岩测年得到26.4±1.2 Ma、27.2±0.7 Ma和26.0±2.59 Ma与25.6±1.3 Ma的 40Ar/39Ar 年龄(Troedson and Smellie, 2002)。男孩角组位于波罗乃兹湾组之上,为酸性火山岩、凝灰岩以及集块岩互层,厚20~100 m,对男孩角组安山岩与英安岩的K-Ar定年得到年龄分别为大于23.6±0.3 Ma和大于22.4+0.2-0.4Ma(Birkenmajer and Gaz′dzicki,1986)。婚礼湾组主要岩性为砂岩与集块岩,厚度75~100 m,对切穿肖邦岭群的岩脉K-Ar定年结果大于21.8±0.6 Ma(Birkenmajer,1987)。肖邦岭群之上为勒古湾群,两者为不整合接触,勒古湾群包括4个组:最底部的尼科夫斯基脊组(Dunikowski Ridge Member)(厚度60~70 m),为辉石安山岩与火山集块岩互层;哈纳斯山组(Harnasie Hill Member)(厚度超过200 m),岩性以火山砾、凝灰岩、火山泥流质集块岩以及火山角砾岩为主;马丁斯角组(Martins Head Member)(厚度超过120 m),主要岩性为辉石安山岩,凝灰岩与火山泥流质集块岩;最上部沃雷亚尔峰组(Vaureal Peak Member)(80~100 m),主要为粗粒的冰碛岩,可能是由局部冰川作用形成的(Birkenmajer,1980)。勒古湾群的年代目前为止没有准确的年代学结果控制,前人玄武岩K-Ar结果为30.8±2.0 Ma(Birkenmajer et al., 1989),25.7±1.3 Ma 与29.5±2.1 Ma(Birkenmajer et al., 1986),但这些结果与波罗乃兹湾组以及男孩角组年代存在矛盾,所以具体年代还有待进一步研究。

图 6 西南极南设得兰群岛乔治王岛克拉克夫地块地质简图(改自Birkenmajer,1982b) Fig. 6 Simple geological map of the Krakow Block,King George Isl and ,South Shetl and Isl and , West Antarctic(Modified after Birkenmajer,1982b)
1.6 梅尔维尔角(Cape Melville)

梅尔维尔角(Cape Melville)位于乔治王岛东北角,自下而上发育谢拉特湾组(Sherratt Bay Formation)、毁灭湾组(Destruction Bay Formation)及梅尔维尔角组(Cape Melville Formation),3个岩性组归于白鲸群(Moby Dick Group)(图 1图 7)。谢拉特湾组为一套安山-玄武岩质熔岩,位于梅尔维尔半岛陡崖下部,年代未定(Troedson and Riding, 2002)。毁灭湾组主要出露于Wrona Buttress,厚90~100 m,另外在梅尔维尔半岛南部和北部有少量出露,属中高能环境下的浅海沉积,以灰、棕色沉火山岩,中细砂岩、粗砂岩、含砾中砂岩为主,偶见薄层泥质夹层(<1 cm),发育大型交错层理,含有双壳类、腕足动物、独居珊瑚以及腹足类化石(Birkenmajer, 1982c19841987Troedson and Riding, 2002Quaglio et al., 2010)。梅尔维尔角组厚大于150 m,底部主要为粗粒冰成碎屑流沉积与冰海相泥岩、粉砂岩以及砂岩,含冰川成因的砾石,向上为细粒沉积,以灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩为主,砾石逐渐渐少,代表冰川作用减弱。上部岩性以砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主,偶尔出现凝灰岩夹层,并且出现少量冰川成因的砾石,沉积环境可能为半深海,类似于冰川末期的冰海相远端沉积。考虑到该组底部间歇出现的冰雪融水相关的沉积以及该组上部出现的类似于冰川末期的冰海相远端沉积推测该组为温带冰川沉积(Troedson and Riding, 2002王改云等,2013)。梅尔维尔角组自下而上记录了冰川作用从极盛期到冰川后退期的沉积序列(Troedson and Riding, 2002王改云等,2013)。毁灭湾组与梅尔维尔角组之间为不整合接触,以砾石的出现作为梅尔维尔角组的开始(Troedson and Riding, 2002)。

图 7 西南极乔治王岛梅尔维尔半岛地质简图 (改自Birkenmajer 1984Uchman and Gaz′dzicki,2010) Fig. 7 Geological map of the Cape Melville Peninsula,King George Isl and ,South Shetl and Isl and ,West Antarctica(Modified after Birkenmajer 1984Uchman and Gaz′dzicki,2010)

毁灭湾组与梅尔维尔角组顶部腕足类和双壳类碳酸盐骨骸Sr同位素定年结果为25.3±0.8 Ma与22.6±0.4 Ma(Dingle and Lavelle, 1998a1998b)。对梅尔维尔角组顶部凝灰岩中角闪石 40Ar/39Ar 定年得到21.0±3.1 Ma的年龄(Troedson and Riding, 2002)。对切穿白鲸群的安山岩与玄武岩岩脉的K-Ar定年结果分别为20.1±0.2 Ma和大于等于19.9±0.3 Ma(Birkenmajer et al., 1985)。

2 年代学研究的最新认识 2.1 菲尔德斯半岛化石山组年代

笔者最新的研究结果确定菲尔德斯半岛化石山组年龄不老于~56.4 Ma,化石山组代表菲尔德斯半岛火山活动较长的间歇期,间歇期内半岛整体抬升,产生向北东方向的微倾,化石山组与岩块山组地层形成之后,半岛内地层又发生了一定的倾斜,半岛内现在地层主要倾向北北东或北东,倾角变化在10°~15°,局部可达20°~25°,而菲尔德斯半岛东北部的华沙地块新生代最老的地层为Demay Point 组,年龄约为53 Ma,华沙地块中地层产状变化较大,但地层整体成轴向近北西-南东向褶皱,倾角主要在10°~20°之间,局部可达40°左右(李兆鼐等, 1992图 5)。菲尔德斯半岛与华沙地块在地理位置上相距不远,考虑到其出露岩性以及地层倾向基本一致,将两地区地层进行区域上的对比,以华沙地块内新生代最老火山岩年龄(~53 Ma)作为化石山组顶界年龄,代表乔治王岛内早始新世时火山活动间歇期结束后火山活动的重新开始。另外,古地磁结果显示化石山组为正极性时沉积,所以我们进一步限制化石山组的年代为C24.3n(53.98±0.57 Ma)或者C24.2n(53.27±0.08 Ma),可能对应于始新世第二次极热事件(Eocene Thermal Maximum 2;53.7 Ma),后期对于化石山组之上的岩块山组火山岩的准确定年能帮助笔者进一步限定化石山组的顶界年龄(刘椿等,1991Sluijs et al., 2009Vandenberghe et al., 2012)。

2.2 乔治王岛地层的区域性对比

图 1图 7中可以看到乔治王岛内古新世—中新世地层整体呈北东,北北东倾向的单斜地层以及轴向近北西-南东的褶皱,通过结合乔治王岛内新生代火山-沉积地层层位关系可以看出乔治王岛古新世—中新世地层自南西向北东有逐渐变年轻的趋势(图 8)。菲尔德斯半岛与华沙地块内出露的白垩纪末期地层的具体关系有待更准确的年代学结果来进一步确定。

图 8 西南极南设得兰群岛乔治王岛地层对比 Fig. 8 Stratigraphy correlation of the King George Island,South Shetland Island,West Antarct
3 存在问题与研究方向

(1)从目前比较可靠的同位素年代学(40Ar/39Ar 阶段加热坪年龄与锆石 U-Pb定年)证据来看,乔治王岛内存在自白垩纪末到晚渐新世的火山活动。火山岩的年代分布存在区域上的差别,菲尔德斯半岛与华沙地块内存在多期火山活动,而巴顿地垒内能够确定的是存在一期~45 Ma的火山活动,由于巴顿半岛内早白垩世、古新世与早始新世火山活动的报道并不多,所以还需要更多的证据来证明岛内早白垩世、古新世与早始新世火山活动的存在。

(2)根据最新的年代学数据推断化石山组的沉积年代可能对应于C24.3n(53.98±0.57 Ma)或者C24.2n(53.27±0.08 Ma),未来有必要对其上岩块山组火山岩进行详细的同位素年代学研究来限定化石山组顶界年龄,这对于进一步重建南极半岛在化石山组形成时的古气候具有重要的意义。

(3)克拉克夫地块与梅尔维尔角的火山-沉积地层主要以Sr同位素和K-Ar法确定年龄,考虑到很难评估这两种定年方法的准确性,后期可以通过对区内火山岩采用 40Ar/39Ar 阶段加热或者锆石U-Pb法来得到更准确年代,进而讨论两地块地层沉积关系以及南极半岛新生代冰川演化与气候变化。

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