南极南极冰架或将坍塌

第4卷第1期南极研究(中文版)Vol.
4,No.
11992年3月ANTARCTICRESEARCH(CHINESEEDITION)March1992南极半岛和东南极间南威德尔海陆架的地壳结构刘建华(国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)提要重力资料结合磁性体埋深计算和地震折射资料的分析,表明在南极半岛和东南极克拉通之间的菲尔希内尔和罗纳冰架之下存在一减薄的地壳.
推测该区地壳的减薄主要由南极半岛和东南极克拉通之间的近东西向拉张作用所造成,该作用很可能发生在陆架盆地发展的早期.
关键词南威德尔海陆架地壳结构前言特定区域的地壳结构是该区域地壳性质、区域应力场、区域地壳构造演化的综合反映.
对于重建冈瓦纳大陆裂离的多数尝试来说,均需要南极半岛和东南极克拉通之间的相对拉张运动(如Lawveretal.
,1985).
Kristoffersen等(1986)认为,威德尔湾演化历史中的一个重要事件是中侏罗世东南极克拉通和南极半岛之间的地壳拉张.
地球物理调查已经在这两大地块之间(图1)的罗纳冰架和菲尔希内尔冰架之下圈出了一个大型的沉积盆地(Masolov,1980).
Kadmina等(1983)综合了重力模拟和地震折射资料(图2),提出了南威德尔海陆架的一个地壳结构剖面,该剖面位于南极半岛和东南极克拉通之间,分布于罗纳冰架和菲尔希内尔冰架边缘,其特点是,从东南极克拉通、南极半岛两端至盆地中心,莫霍面埋深在横向上的变化非常小.
既然在南极半岛和东南极之间存在过拉张应力,在罗纳冰架和菲尔希内尔冰架之下存在沉积物厚达10km的盆地,为何深部构造在横向上几无变化这是一个值得思考的问题.
在本文中,笔者拟对有关问题作分析,意在提出一个尽可能切合实际的地壳结构剖面.
地质背景在菲尔希内尔和罗纳冰架南缘的哈格(Haag)冰原岛峰上有前寒武纪的片麻岩,埃尔斯沃斯2怀特莫尔(Ellsworth2Whitmore)山有古生代层系,后者受到早侏罗世花岗岩的侵入(VennumandStorey,1987).
在冈瓦纳大陆裂离的最初阶段,地壳的拉张伴随有毛德皇后地的火山作用(Aucampetal.
,1972;FunesandMitchell,1978),以及南极横断山脉法勒超群(FerrarSupergroup)的侵入(Elliot,1970;Behrendetal.
,1980).
多道地震探测在0°~40°W间威德尔海内的东南极大陆边缘圈出了两套基底构造.
一套基底位于走1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
Allrightsreserved.
http://www.
cnki.
net图1南极半岛和东南极间地壳剖面位置图Fig.
1.
LocationofthecrustaltransectbetweentheAntarcticPeninsulaandEastAntarctica.
向NE(60°~80°)的勘探2安第斯突起(Explora2AndenesEscarpment)(EAE)的洋侧,由洋壳组成.
另一套基底位于EAE的陆侧,代表了一套走向为NE(50°)的断裂系统,该断裂称为威德尔断裂.
在威德尔断裂的两侧存在对称的火山楔,说明最初的运动为拉张运动,伴随着丰富的火山活动,陆侧40公里宽的洋壳基底可能在此时形成.
此后,区域应力场改变为非洲和南极之间的拉张运动,导致了勘探2安第斯突起的形成,成为一个新的板块边界(HinzandKristoffersen,1987).
地壳剖面根据重力模拟,结合地震折射资料和磁性体埋深计算,Kadmina等(1983)提出了一个横穿南极半岛和东南极克拉通间菲尔希内尔和罗纳冰架的地壳结构模式.
该模式的基本特点是:在两大地块之间存在一大约700km宽、大致对称的沉积盆地,沉积厚度最大可达到10km.
唯一有地震资料的地段是在盆地的东段.
在多道地震剖面上,东南极克拉通42南极研究(中文版)第4卷1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
Allrightsreserved.
http://www.
cnki.
net图2Kadmina等(1983)模拟的南极半岛和东南极间地壳结构剖面(上图)和根据重力模拟得到的地壳结构剖面(下图).
剖面位置见图1.
1.
冰盖;2.
海水;3.
盆地阶段沉积;4.
前盆地阶段地层;5.
花岗岩层;6.
玄武岩层;7.
上地幔;8.
界面速度(据深地震测深);9.
折射层和反射层(据深地震);10.
计算所得的密度界面;11.
磁性体;12.
密度(gcm3);a.
实测自由空间重力异常;b.
正演重力异常;c.
密度(gcm3)Fig.
2.
IntegratedmodelofcrustalstructurebetweentheAntarcticPeninsulaandEastAntarcticaafterKadminaetal.
(1983)(Upperpanel)andpreferredcrustalmodelderivedfromgravitymodellinginthisstudy(Lowerpanel).
TransectlocationshowninFig.
1.
1.
icesheet;2.
seawater;3.
"basin-stage"sedimentaryfill;4.
"pre-basinstage"supracrustalsequence;5.
crystallinebasement("granitic"layer);6.
"basaltic"layer;7.
uppermantle;8.
boundaryvelocitiesfromdeepseismicsoundingdata;9.
reflectorsandrefractorsobtainedbydeepseismicsoundings;10.
computedpositionofdensityinterfaces;11.
calculatedpositionofupperboundariesofmagneticbodies;12.
"model"densityingcm3;a.
measuredfree-areaanomalyofgravity;b.
computerizedanomalyofgravity;c.
densityingcm3.
52第1期刘建华:南极半岛和东南极间南威德尔海陆架的地壳结构1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
Allrightsreserved.
http://www.
cnki.
net基底可追踪深度达3km,倾角为5°(Hauglandetal.
,1985).
在此之西的200km之内,有两个地震折射点,其中之一给出的莫霍面埋深为34km(Kadminaetal.
,1983).
沉积盆地的主体系根据磁性体埋深圈出,假设磁性体是在结晶基底之内(Mosolov,1980).
根据该区的重力异常资料(Hinz,1986),横穿盆地的自由空间重力异常变化在-10~-50*10-5ms2之间;以盆地中心为准,东、西两半部分异常基本是对称的;盆地中部为幅值达10~20*10-5ms2的相对重力高.
笔者注意到Kadmina等提供的重力异常面貌与上述重力异常面貌有所差异.
在前者的布格异常剖面中(图2),剖面中部为幅值达20~30*10-5ms2的相对重力低.
考虑到剖面所穿部位,海底水深变化不大,一般均在400~600m,仅东南端水深稍大,可达近千米.
若将布格异常换算成自由空间异常,其面貌仍会同布格异常类似,在剖面中部出现相对重力低.
造成此差异的原因尚不清楚.
笔者推得一密度分布结构,部分是根据有效速度测量及Nafe和Drake的速度和密度关系推得的(GrantandWest,1965).
利用实测重力资料,根据Airy的均衡理论,采用Talwani等(1959)的二维重力正演计算方法,得到了南威德尔海二维地壳结构剖面,示于图2.
该模拟的最大特点是沉积盆地之下需要一减薄的地壳.
讨论和结论如果仅依靠在沉积物负载的作用下未变簿的地壳的挠曲,东南极克拉通和南极半岛之间的相对平滑的重力异常是不可能产生的(图2).
所以,必须考虑密度的横向变化,即在盆地之下必须要有减簿的地壳.
假设在减簿地壳的下部有一较高的密度,则观察重力值和计算重力值能较好吻合.
上述事实说明在地壳的下部受到了基性岩浆侵入活动的作用.
沉积层系的年青部分并未表现出明显的拉张构造作用.
地震剖面中出现的严重的海底面多次波干扰了沉积层有效深度信息,接近克拉通处可追踪至3km之内,横穿盆地可追踪至0.
5km.
因此地壳的拉张想必在盆地演化的早期阶段出现,而沉积剖面的上部是非常年青的.
联系区域构造演化情况:冈瓦纳的裂离始于侏罗纪,侏罗纪火山岩的广泛分布便是佐证(Cradock,1982);Kristoffersen等(1986)已指出,南极半岛和东南极克拉通之间在侏罗纪存在近东、西向的拉张.
地壳结构剖面分析得出的早期阶段的拉张作用,反映的可能是该阶段的拉张作用.
勘探2安第斯凸起陆侧夭折了的断裂系统,很可能便是该阶段形成的.
此后,应力场方向改变.
晚侏罗2早白垩世之后,非洲和南极大陆分离,应力场方向改为近南北向,作为新的板块边界的勘探2安第斯突起便是此时形成的.
而威德尔海盆,则主要在此之后发展和演化.
致谢笔者感谢原联邦德国地球科学和自然资源研究所K.
Hinz教授提供重力异常资料,同时感谢挪威卑尔根大学Y.
Kristoffersen教授和A.
Austergard副教授在成文过程中给予的热情帮助.
[本文于1991年8月收到]62南极研究(中文版)第4卷1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
Allrightsreserved.
http://www.
cnki.
net参考文献Aucamp,A.
P.
H.
,Wolmarans,L.
G.
andNeethling,D.
C.
(1972):TheUrfjellGroup,adeformedEarlyPaleozoicsedimentarysequence,Kirwanveggen,westernDronningMaudLand,InR.
J.
Adie(ed),AntarcticGeologyandGeophysics,Universitetsforlaget,Oslo,557-561.
Behrendt,J.
C.
,Drewry,D.
J.
,Jankowsky,E.
andGrim,M.
S.
(1980):AeromagneticandradioechosoundingmeasurementsshowmuchgreaterareaoftheDufekintrusion,Antarctica,Science,209(4460),1014-1017.
Craddock,C.
(1982):AntarcticaandGondwanaland,InC.
Craddock(ed),AntarcticGeoscience,theUniversityofWisconsinPress,Madison,Wisconsin,p.
3-13.
Elliot,D.
H.
(1970):JurassictholeiitesofthecentralTransantarcticMountains,Antarctica,InE.
H.
GilmourandD.
Stradling(eds),ProceedingsoftheSecondColumbiaRiverBasaltSymposium,Cheney,Washington;EasternWashingTonStateCollegePress,301-335.
Furnes,H.
andMitchell,J.
C.
(1978):AgeRelationshipsofMesozoicbasaltlavasanddykesinVestfjella,DronningMaudLand,Antarctica,NorskPolarinstituttSkrifter,169,45-68.
Grant,F.
S.
andWest,G.
F.
(1965):Interpretationtheoryinappliedgeophysics.
NewYouk;McGraw-HillBookCompany,579pp.
Haugland,K.
,Kristoffersen,Y.
andVelde,A.
(1985):SeismicinvestigationsintheWeddellSeaEmbayment.
Tectonophysics,114(1-4),293-313.
Hinz,K.
andKristoffersen,Y.
(1987):Antarctica-recentadvancesintheunderstandingofthecontinentalmargin,GeologischesJahrbach,E37,3~54.
Kadmina,I.
N.
,Kurinin,R.
G.
,Masolov,V.
N.
andGrikurov,E.
G.
(1983):Antarcticcrustalstructurefromgeophysicalevidence:areview,InR.
L.
Oliver,P.
R.
JamesandJ.
B.
Jago(eds),AntarcticEarthScience,AustralianAcademyofsiences,Cambridge,CambridgeUniversityPress,498-502.
Kristoffersen,Y.
andHaugland,K.
(1986):GeophysicalevidencefortheEastAntarcticaplateboundaryintheweddellSea,Nature,322(6079),538-541.
Lawver,L.
A.
,Sclater,J.
G.
andMeinke,L.
(1985):MesozoicreconstructionsoftheSouthAtlantic.
InE.
SHusebye,G.
L.
JohnsonandY.
Kristoffersen(eds),GeophysicsofthePolarRegions,Tectonophysics,114(1-4),233-255.
Masolov,V.
N.
(1980):StructureofthemagneticallyactivebasementofthesoutheasternpartoftheWeddellSea,InGeophysicalInvestigationsinAntarctica,Leningrad,NauchnoOssledovatel'skijInstitutGeologiiArktiki,16-28(translatedfromRussian).
Vennum,W.
R.
andStorey,B.
C.
(1987):PetrologyandtectonicsettingofgraniticrocksfromtheEllsworth-WhitmoreCrustalBlockandtheThielMountains,WestAntarctica.
InG.
D.
McKenzie(ed),GondwanaSix:Structure,Tectonics,andGeophysics,AmericanGeophysicalUnion,GeophysicalMonograph,Number40,139-150.
72第1期刘建华:南极半岛和东南极间南威德尔海陆架的地壳结构1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
Allrightsreserved.
http://www.
cnki.
netANOTEONTHECRUSTALSTRUCTUREBETWEENTHEANT-ARCTICPENINSULAANDTHEEASTANTARCTICCRATONACROSSTHESHELFOFTHESOUTHERNWEDDELLSEALiuJianhua(SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012)AbstractOnthebasisofanalysisofgravitydataacrosstheshelfbetweentheAntarcticPeninsulaandtheEastAntarcticCraton,constrainedbymagneticdepthestimatesandafewseismicrefractiondata,thepaperisdealingwiththecrustalstructureofsouthernWeddellSeaanditsevolution.
ThefreeairgravityanomalyacrosstheshelfofsouthernWeddellSearangesbetween210~250*1025ms2,arelativelyhighergravityanomalywiththeamplitudeof10~20*1025ms2occursinthemiddleofshelf.
Thewaterdepthalongthecross2sectionvariesfrom400mto600mwithnoabruptchangs,exceptthesoutheastsidewherethewaterisnearly1000mdeep.
ThegeophysicalsurveyindicatedthatthereisalargesedimentarybasinundertheRonneandFilchnerIceShelves,thedepocenterbeinginthemiddleofbasinwithamaximumsedimentthicknessif10km.
InAiry2Typeisostaticequilibrium,apossible22DmodelforthecrustalstructureundertheshelfofsouthernWeddellSeaisproposed.
Aparticularfeatureofthemodelistherequirementforathinnedcrustbelowthesedimentarybasin.
Theyoungerpartofthesedimentarysectiondoesnotdisplaysignificantevidenceofextensionaltectonics.
Soitissuggestedthatextensionofthecrustmustthereforehaveoccurredatanearlystageofbasinevolutionortheupperpartofthesedimentarysectionisveryyoung.
KeywordsAntarctica,WeddellSea,shelf,crustalstructure82南极研究(中文版)第4卷1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
Allrightsreserved.
http://www.
cnki.
net