晚渐新世Oi2b冰盖消退期沉积控制及其对南极区域冰盖格局的指示意义——以乔治王岛波洛涅兹湾组与博伊角组为例

《Geological Magazine》：Controls on sedimentation during retreat of the Late Oligocene (c. 26-27 Ma) Oi2b ice sheet on King George Island (South Shetland Islands, Antarctica) and implications for regional ice configuration

　　

Oi2b同位素事件是晚渐新世一次重要的全球降温期，目前关于其物理证据和认识十分匮乏。该事件以乔治王岛（南设得兰群岛）的冰海相波洛涅兹湾组（Polonez Cove Formation, PCF）为代表，该组是南极出露的最古老且研究最为深入的新生代冰川沉积单元。PCF之上覆盖着研究程度低得多、时代略新的博伊角组（Boy Point Formation, BPF），后者同样保存了关键的环境信息。岩相以同期火山作用阶段为主导。本研究首次识别出自生（autogenic）与异源（allogenic）过程，并据此厘定两套地层的演化历史。PCF记录了冰体末端位置、其退缩过程及亚极地热状态。冰川退缩之后依次发生均衡抬升（isostatic uplift）和由海平面变化（eustasy）引起的持续海侵。南设得兰群岛当时支撑着一个冰穹（ice dome），该冰穹很可能与南极半岛上的另一冰穹相互分离，二者之间至少存在季节性开阔水域（原布兰斯菲尔德海峡，proto-Bransfield Strait）。威德尔海存在开阔水域，这解释了来自东南极和南极半岛的冰山搬运漂砾（erratics）的出现；本研究首次实现了Oi2b冰期南极冰盖格局的重建。快速抬升终止了海相沉积，促使陆上冰体在乔治王岛一次此前未被识别的冰进过程中积累。稍年轻的另一次冰川作用中，湿基冰体（wet-based ice）很可能造成了深部侵蚀，切穿了BPF和PCF，下切逾200 m至现今海平面。

晚渐新世Oi2b冰盖消退期沉积控制及其对南极区域冰盖格局的指示意义——以乔治王岛波洛涅兹湾组与博伊角组为例

一、研究背景与科学问题

晚渐新世（约26–27 Ma）的Oi2b同位素事件是新生代南极冰盖演化史上一次重要的全球降温事件，其物理证据极为稀少。乔治王岛（King George Island）位于南极半岛北端的南设得兰群岛（South Shetland Islands），其上出露的波洛涅兹湾组（Polonez Cove Formation, PCF）是南极现存最古老、研究最深入的新生代冰川沉积单元，被认为是Oi2b事件的唯一陆上记录。然而，长期以来对该地层的研究存在若干关键问题：其一，PCF中大量来自东南极（如埃尔斯沃思山、彭萨科拉山和塞隆山）的外来砾石（erratics）曾引发关于Oi2b冰盖是否横跨威德尔海直达乔治王岛的争论，早期“泛南极大陆冰盖”假说因威德尔海深水和南极半岛高地形障碍而难以成立；其二，PCF内火山作用与沉积作用之间的成因联系从未被仔细检验，火山活动究竟是仅作为物源被动存在，还是作为沉积盆地内的活动火山作用主动参与，尚不清楚；其三，自生（autogenic）与异源（allogenic）过程对沉积的控制相对贡献不明；其四，覆盖于PCF之上的博伊角组（Boy Point Formation, BPF）研究极少，但其记录了PCF沉积之后区域地貌、冰盖及基准面演化的独特信息。因此，本研究旨在通过对两套地层的系统重新评价，重建晚渐新世南极半岛北部区域的冰盖格局与地貌演化历史。

二、研究内容与主要结论

研究人员对乔治王岛PCF和BPF进行了为期5周的野外考察，结合航拍照片摄影测量绘制了详细地质图，采集岩石样品进行岩相学、全岩地球化学和⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素定年，共观察了105张薄片。样本来自Low Head至Magda Nunatak之间的主研究区，以及Vauréal Peak和Three Sisters Point等外围露头，全部岩石样品存档于英国南极调查局地质标本馆。研究得出以下主要结论：PCF记录了海洋终止型冰体的末端位置、退缩过程及其亚极地热状态；冰川退缩后依次发生均衡抬升和由海平面变化引起的持续海侵；南设得兰群岛当时支撑一个与南极半岛冰穹分离的本地冰穹，二者间存在至少季节性开阔水域（原布兰斯菲尔德海峡）；威德尔海的开阔水域解释了外来漂砾的来源；快速抬升终止了海相沉积，促使陆上冰体在乔治王岛一次此前未被识别的冰进中积累；更年轻的湿基冰体可能造成深部侵蚀，下切逾200 m至现今海平面。该研究首次实现了Oi2b冰期南极冰盖格局的重建。

三、关键技术方法

本研究采用野外地质填图与摄影测量相结合的方法，以1:10,000比例尺航拍照片为基础进行逐层地质填图；岩石样品用于岩相学观察（105张薄片）、全岩XRF地球化学分析和⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素定年；手持GPS用于高程和厚度测量（精度约±10 m）。

四、研究结果

4.a 波洛涅兹湾组（Polonez Cove Formation）

克拉科维亚克冰川段（Krakowiak Glacier Member, KGM）：由泥质至砂质混积岩（diamictite）组成，分为三个亚段。KG1以基底剪切、基底擦痕和少量海相化石为特征，解释为海洋终止型侵蚀性冰盖底部的滞碛（lodgement）沉积；KG2以块状混积岩为主，夹砂岩和砾岩透镜体，记录冰盖退缩的开始；KG3显示弱至中等层理，解释为冰缘冰海环境中的再沉积产物。KGM整体代表冰接触和冰缘海相岩相组合，是Oi2b冰盖在乔治王岛接地（grounding）的唯一物理证据，其厚度（10–15 m）、缺乏大型冰水沉积体系以及有限的陆生植被共同指示亚极地热状态。KGM最可能对应于小型冰碛脊（small-moraine ridges），代表冰盖退缩期间冰缘的短暂停顿或振荡。

贝维尤段与西克拉瓦段（Bayview and Siklawa members, BM and SM）：由细砂岩和泥岩组成，缺乏内部侵蚀面和浅水再沉积化石，解释为风暴浪基面之下的低能深水陆架沉积。砂岩具平面层理、波纹交错层理和正粒序，特征类似浊积岩（turbidites），可能为远端三角洲浊流体系的产物。SM2中 laterally persistent 的泥质混积岩和砾质砂岩层解释为碎屑流和超浓缩流（hyperconcentrated flow）沉积，其中Penitella钻孔印模指示沉积间断。

洛黑德段与奥贝雷克崖段（Low Head and Oberek Cliff members, LHM and OCM）：两段均含柱状节理和拼图式破裂（jigsaw-fractured）的玄武岩核心（LH1a, OC2a），外围被块状单成分玄武岩角砾岩（LH1b, OC2b）包裹。研究否定了此前“熔岩扇三角洲”（lava-fed delta）的成因解释，提出这些岩相组合更可能是海底基性熔岩穹窿（submarine mafic lava domes）及其同期侵蚀碎屑的产物。证据包括：缺乏枕状熔岩或其碎屑、碎屑普遍磨圆、层理倾角过低（5–28°，主要为<10°）以及缺乏再活化面。穹窿顶部浅水区的自碎角砾岩被波浪和潮汐流再搬运，形成LH2a/OC3a角砾岩和LH2b/OC3b角砾砾岩与砾岩，其中具反-正粒序的层理指示浓缩密度流（concentrated density flow）沉积。OC1碎屑流沉积在物源上与上覆OC2不同，可能来自其他未出露的海底穹窿。

克拉米斯缘段（Chlamys Ledge Member, CLM）：为厚达25 m的持续单元，由黄褐色至深灰棕色中细粒砂岩组成，具平面层理、正粒序和少量反粒序，含分散的异地砾石和稀疏海相化石。解释为风暴浪基面之下的超比重流（hyperpycnal）三角洲砂岩沉积。

4.b 博伊角组（Boy Point Formation）

韦塞莱湾段（Wesele Cove Member, WCM）：由沉积单元S0–S4和两套厚层安山岩-英安岩熔岩（L1, L2）组成。S1–S3为厚层长石砂岩，含大量角闪石斑晶碎屑，具微弱层理和少量交错层理。S4为块状中粗砂岩和粒级砾岩，底部含保存不良的双壳类印模（chlamys/austrochlamys spp.和Cardiidae spp.）。L2顶部发育冰磨光擦痕面（图7c,d），擦痕方位大致垂直于克拉科维亚克崖，指示一次此前未被识别的冰进事件。S0位于L1底部与CLM之间，含暗棕绿色砂质混积岩，其中含25–30%的大型磨圆砾石和棱角状岩块。

林顿诺尔段（Linton Knoll Member, LKM）：为BPF上部主体，由多套安山岩-英安岩熔岩（L3, L4, Li-Liv）与多成分火山碎屑沉积（S5, S6, Sii, Siii）互层组成。熔岩普遍呈拼图式破裂和角砾化，缺乏细粒基质，指示快速淬冷，可能与雪或冰的相互作用有关。熔岩中发育侵入楔状体和沉积岩脉（sedimentary dykes），穿透熔岩内部达15 m。S5为分选较好的次棱角至次圆状火山砾岩，具槽状交错层理和平面交错层理。

五、讨论与结论

讨论部分首先将PCF各段归为四种特征性岩相组合：冰接触与冰缘沉积（KGM）、风暴浪基面之下的静水深水沉积（BM/SM）、海底穹窿侵位及同期侵蚀的粗碎屑沉积（LHM/OCM）以及风暴浪基面之下的超比重流三角洲砂岩（CLM）。研究强调沉积-火山控制因素以自生过程占绝对主导，但同时也识别出构造对基准面高程的影响，以及冰川均衡（glacio-isostasy）和海平面变化（eustasy）等异源控制因素——这是首次对这两类过程进行系统区分。

关于Oi2b冰盖格局，研究结论认为：南设得兰群岛当时支撑一个本地冰穹，该冰穹与南极半岛上的冰穹相互分离，二者之间为至少季节性开阔水域（原布兰斯菲尔德海峡，即本文所称波洛涅兹盆地）。PCF中的外来砾石来自东南极和南极半岛，通过冰山搬运穿越威德尔海到达乔治王岛，这证明Oi2b事件期间威德尔海存在开阔水域，且东南极和南极半岛均有冰体接地于海平面。快速均衡抬升终止了海相沉积，促使陆上冰体在乔治王岛一次此前未被识别的冰进中积累（WCM顶部擦痕面证据）。随后一次更年轻的冰川作用中，湿基冰体造成深部侵蚀，切穿BPF和PCF，下切逾200 m至现今海平面。该研究首次实现了Oi2b冰期南极冰盖格局的整体重建，为理解晚渐新世全球降温事件的冰盖响应提供了关键陆上证据。