北冰洋地质构造及其演化

第２２卷第３期　２０１０年９月　

极地研究　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ｊｏＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＰＯＬＡＲ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　Ｖｏｌ｜２２。Ｎｏ．３　

Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１０　

北冰洋地质构造及其演化　李学杰万玲万荣胜韩冰杨楚鹏姚永坚　（广州海洋地质调查局，广州５１０７６０）　

提要北冰洋及其周围的陆架海资源十分丰富，尤其是油气和煤炭。但受自然条件的限制，调　查程度很低，许多地质与构造问题尚未解决。区域构造的认识主要依赖航磁测量结果。本文试　图综合各国对北冰洋地区的研究现状，形成对该区地质构造及其演化的认识：（１）欧亚海盆磁条　带清晰，对海盆构造和演化历史认识争议最小，识别的最老磁条带为２５，因此海盆大致于５８　Ｍａ　开始张开。磁条带ｌ３之后，Ｙｅｒｍａｋ高地与莫里斯·杰塞普隆起分离，欧亚海盆与北大西洋连　通。（２）从地壳结构与地壳厚度，以及其他资料来看，阿尔法海岭一门捷列夫海岭与罗蒙诺索夫　海岭一样，应为陆壳，可能是先后从巴伦支陆架裂离形成的。（３）马卡罗夫海盆为典型的洋壳，　其形成方式和时代还很少约束，其中观点之一是在晚赛诺曼期一早始新世，随阿尔法海岭一门捷　列夫海岭裂离巴伦支陆架，海底扩张形成，并随Ｇａｋｋｅｌ扩张中心在晚古新世的形成而逐步衰　退。（４）加拿大海盆可能是北冰洋最早形成的海盆，其形成时间与机制至今仍所知甚少，但可能　是从１４０—１３５　Ｍａ至９５—８Ｏ　Ｍａ，随新西伯利亚一楚科奇～阿拉斯加微板块旋转裂离加拿大北部　陆缘形成。（５）北冰洋的演化大致可以分为３个主要阶段：晚侏罗世一早白垩世、晚白垩世一新生　代早期、新生代。第一阶段，加拿大海盆地的扩张中心形成、演化与消亡，第二阶段是拉布拉多一　巴芬一马卡罗夫扩张中心的形成与演化，在始新世停止活动，第三阶段，极慢速的Ｍｏｈｎａ、　Ｋｎｉｐｏｖｉｃｈ和Ｇａｋｋｅｌ洋中脊的扩张，致使欧亚海盆形成。　关键词　北极　北冰洋　地形地貌　地质构造　构造演化　ｄｏｉ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０８４．２０１０．００２７１　

０　引言　北极地区是指地球北极圈（６６。３３　Ｎ）以北的区域，包括北冰洋及其环绕的岛屿和欧　亚、北美大陆。总面积约２１００×１０　ｋｍ。，其中陆地面积约８００×１０　ｋｍ　。北冰洋为四周　由大陆、岛屿包围形成半封闭的海洋，平均深度约１２２５　ｍ，面积约１４７０×１０４　ｋｍｚ，占世　界海洋总面积的４．１　，由深水海盆、海岭及周围较浅的８个附属海（格陵兰海、挪威海、　巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海和波弗特海）组成。通过挪威海一　

［收稿日期］２０１０年３月收到来稿，２０１０年５月收到修改稿。　［基金项目］国家重点基础研究发展计划项目（２００７ＢＣ４１１７０５）、国家自然科学基金项目（４Ｏ８７６Ｏ３Ｏ）资助。　［作者简介］李学杰，男，博士，教授级高工，主要从事海洋地质研究工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕ￣ｉｅｌｉ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ。　极地研究　第２２卷　格陵兰海、巴芬湾一史密斯海峡和加拿大帕里群岛间各海峡同大西洋连接，并以狭窄的自　令海峡与太平洋与沟通。其中格陵兰一斯匹次卑尔根群岛之间的法拉姆海峡是北冰洋与　外界连通的唯一深水通道。　北极地区的资源极为丰富，尤以煤炭、石油、天然气和一些金属矿产资源著称。估计　所蕴藏的煤炭储量高达约２１０３０×１０。ｔ，占世界煤炭总资源量的９　，远高于南极地区。　石油和天然气的储量也十分可观，最近美国地质调查局（ＵＳＧＳ）对北极未发现的常规油　气资源进行估计，结果为石油近９００×１０。桶、天然气１６６９×１０　ｆｔ。和凝析油４４０　Ｘ　１０。　桶，而且进一步估计认为，８４　的未发现石油和天然气分布于海区¨１　］。因此，Ｋｏｎｔｏｒｏｖ—　ｉｃｈ　Ａ　Ｅ预测一二十年后，石油企业的上游部门的注意力将转向北极陆架口］。　由于受到自然条件的限制，对北冰洋构造的认识至今还存在很大的不一致，本文试图　综述现今对北冰洋构造及其演化的认识。　

１北冰洋地形地貌特征　最近ＵＳＧＳ在网站公布了较详细的地形水深资料，等深线间距１００　ｍ［４］，因此有可能　更清楚地认识北冰洋及邻近海区的海底地形与地貌。图１是根据该数据简化后绘制的结　果。　北冰洋地形最大的特征是被三条近于平行的海岭分割成不同的海盆，其中罗蒙诺索　夫海岭将北冰洋分为欧亚海盆和美亚海盆，Ｇａｋｋｅｌ海岭将欧亚海盆分为阿蒙森海盆和南　森海盆，阿尔法一门捷列夫海岭将美亚海盆分为加拿大海盆和马卡罗夫海盆。　１．１罗蒙诺索夫海岭　罗蒙诺索夫海岭，起自俄罗斯北冰洋岸的新西伯利亚群岛附近，沿１４０。Ｅ线通过北　极，延伸到加拿大北部的埃尔斯米尔岛东北侧。全长１８００　ｋｍ，宽６Ｏ一２０Ｏ　ｋｍ，平均高出　洋底３０００　ｍ，中部山脊距洋面６５０—９６Ｏ　ｍ。坡度大多超过１３。，在北极点附近达３Ｏ。。　１．２欧亚海盆　欧亚海盆，呈长方形，位于北极靠欧亚大陆一侧，被北冰洋洋中脊分为规模大致相当　的南森海盆和阿蒙森海盆。　北冰洋洋中脊，也称Ｇａｋｋｅｌ海岭，从俄罗斯北部勒拿河口到格陵兰岛北侧，长约　２０００　ｋｍ，宽约２００　ｋｍ。北冰洋洋中脊上有许多裂缝，有平行于轴向延伸的磁异常条带　和垂直于轴向的转换断裂带。北冰洋洋中脊实际上是大西洋洋中脊向北延伸的部分。　南森海盆深度最大，北部大多超过４０００　ｍ，最大深度为５４４９　ｍ，是北冰洋的最深处。　海盆底部为平坦的深海平原。　阿蒙森海盆主体部分水深为３５００－－４０００　ｍ，最大水深５１８０　ｍ。该海盆比南森海盆　浅，主要是来自欧亚大陆北部陆架的沉积物堆积的结果，因此该海盆的沉积盖层厚度应比　南森海盆大。　１．３美亚海盆　美亚海盆比欧亚海盆大，但比欧亚海盆略浅，主体深约３８００　ｍ，而欧亚海盆主体深约　４０００　ｍ。总体比阿蒙森海盆浅。　第３期　李学杰等：北冰洋地质构造及其演化　２７３　６ｏ￣ｗ　７０￣Ｗ　８０￣Ｗ　９０￣Ｗ　ｌＯｆｆＷ　１ｌＯ＇Ｗ　１２０￣Ｗ　１３０￣Ｗ　

６　Ｅ　７　Ｅ　Ｆｉｇ．１．　８０￣Ｅ　９　Ｅ　ＩＯ０￣Ｅ　１１０。Ｅ　１２　Ｅ　１３　Ｅ　１４０＂Ｅ　

０　２００　４００　８００　１　２００　１　６００　Ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ　

图１北冰洋海底地形图（数据引自文献Ｅ４１）　Ｂａｔｈｙｍｅｔｒｉｃ　ｍａｐ　ｉｎ　Ａｒｃｔｉｃ　Ｏｃｅａｎ（ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［４］）　

１５０＂Ｗ　１６　Ｗ　１７　Ｗ　

阿尔法海岭一门捷列夫海岭，从亚洲的弗兰格尔岛起，延伸到格陵兰岛一侧的埃尔斯　米尔岛附近，长约１５００　ｋｍ，相对高度小，坡度平缓。海岭距洋面约２０００　ｍ，最高峰距洋　面约８ＯＯ　ｒｎ。　海岭以东为加拿大海盆，以西为马卡罗夫海盆。　加拿大海盆，位于门捷列夫海岭以东、北美及亚洲的北冰洋沿岸大陆坡之间。加拿大　海盆宽１１００　ｋｍ，为北冰洋面积最大的海盆，大部分海域水深为３０００－－３５００　ｍ，最深达　３８７９　ｍ。海盆底部大部分为平坦的加拿大深海平原，海盆的南部有马更些河冲刷形成的　冲积锥。　马卡罗夫海盆，位于罗蒙诺索夫海岭与阿尔法海岭一门捷列夫海岭之间，在四个海盆　２７４　极地研究　第２２卷　中规模最小。　

２北冰洋地质构造特征　北冰洋几乎所有区域终年被冰覆盖，数据的获取十分困难，其调查程度还很低。目前　对该区地质构造的认识很大程度上依赖于航磁观测结果［５］。此外，利用浮冰岛进行的地　震观测是了解该区地质的又一重要途径＿６］。　２．１　欧亚海盆的地质构造　欧亚海盆是北极地区最年轻的海盆，其构造演化历史可以从保存完好的磁条带中得　到很好的约束（图２）［７］。Ｖｏｇｔ等较早利用航磁数据，识别出最老的磁异常条带为２４（５４　Ｍａ），因此提出欧亚海盆的扩张可能始于白垩纪第三纪之交ｌ８］。　

磁场异常强度，ｎＴ　６Ｏｏ－４Ｏｏ＿２Ｏｏ．１００－５０－２０　０　２５　５０　１００　２００　４００　６ＯＯ　图２欧亚海盆的磁条带分布（引自文献［７］）．１．板块漂移路线；２．已识别的磁异常轴（点代表剖面位　置）；３．根据磁地质年代标尺标定的磁条带编号和年代；４．重力资料确定的陆壳一洋壳边界（ＣＯＴ）　Ｆｉｇ．２．Ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ａｘｅｓ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｎｏｍａｌｉｅｓ（ｆｒｏｍ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［７］）　

后来，他在罗蒙诺索夫海岭西侧还识别到了磁条带２５（５６　Ｍａ）。该磁条带在海岭西　端可以追踪，并延伸至Ｎｅｉｒｅｓ海峡。因此罗蒙诺索夫海岭从巴伦支海大陆边缘开始分离　的时间应早于５６　Ｍａ。这样，欧亚海盆形成要早于挪威一格陵兰海盆，因为那里没有识别　到早于２４号的磁条带。　Ｇｌｅｂｉｖｓｋｙ　Ｖ　Ｙｕ等［７　利用近年来新资料，对磁条带进行更详细的研究（图２），也认为　欧亚海盆的陆壳裂离要早于磁条带２５形成，即裂离发生在５８　Ｍａ前或更早。从磁条带　的分布来看，至磁条带１３（３５　Ｍａ）之前，海岭西端位于Ｙｅｒｍａｋ高地和莫里斯·杰塞普隆　第３期　李学杰等：北冰洋地质构造及其演化　２７５　起组成的统一高地。　磁条带１３之后，Ｙｅｒｍａｋ高地和莫里斯·杰塞普隆起分离，使欧亚海盆与挪威一格陵　兰海盆连通（图３Ｂ、图３Ｃ）。　

圈１　叠２垂３匿４互５　６　图３欧亚海盆的演化（根据文献［７］修改）．Ａ：５３　Ｍａ前，２４号磁条带；Ｂ：３２　Ｍａ前，ｌ３号磁条带；Ｃ：现　今．１：依据磁测数据标定的扩张轴；２：推测扩张轴；３：联接欧亚海盆、巴芬湾和拉布拉多海的挤压　走滑带；４：联接欧亚与挪威一格陵兰海盆的走滑带；５：１６００　ｍ等深线；６：扩张方向．ＹＭ：Ｙｅｒｍａｋ　高地，ＭＪ：莫里斯·杰塞普隆起　Ｆｉｇ．３．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｕｒａｓｉａ　Ｂａｓｉｎ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｆｒｏｍ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｒ７］）　

从磁条带的分布特征来看，扩张速率的绝对值在逐渐减小的情况下，欧亚海盆扩张速　率的特征沿Ｇａｋｋｅｌ海岭方向基本保持一致（图２）。在早始新世一中始新世（约５３—４４　Ｍａ　磁条带２４—２Ｏ）海盆打开初始阶段（图３），总扩张速率相对较大，为２．２—２．７　ｃｍ／ａ。之　后，到渐新世一早中新世，扩张速率急速下降到０．５—０．９　ｃｍ／ａ（磁条带１３—６）。自２０　Ｍａ　（磁条带６）至今，扩张速率略有增加，达到０．７—１．２　ｃｍ／ａ。　欧亚海盆具有独特的地壳结构，其厚度小于３　ｋｍ，上覆的沉积物平均厚度在１—２　ｋｍ＿９Ｊ，而世界洋盆的层２和层３实测平均厚度为６．５　ｋｍ＿ｌ　。欧亚海盆薄的地壳被认为　是洋中脊以５　ｍｍ／ａ的速率缓慢扩张的产物，因此从轴部的岩浆房溢出的岩浆也更少。　２．２　罗蒙诺索夫海岭、门捷列夫海岭与阿尔法海岭的地质构造　罗蒙诺索夫海岭、阿尔法海岭和门捷列夫海岭（又称门捷列夫隆起）统称为北冰洋中　央隆起口　，这些海岭的地质构造特征对认识北冰洋构造是至关重要的，但受调查程度的　限制，其地质特征仍存许多争议。　２．２．１　罗蒙诺索夫海岭的地质构造　近十年来，俄罗斯和西方研究机构对北极地区进行的地质一地球物理研究，使地学界　逐步形成对罗蒙诺索夫海岭为陆壳的一致观点［１　。　由于欧亚海盆的磁条带清晰，海盆演化历史的重建得到广泛的认同，因此罗蒙诺索夫