斯匹次卑尔根岛西北部的中新世洪流玄武岩：其形成环境与北极古气候背景

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Miocene flood basalts in NW Spitsbergen: Emplacement environment and Arctic paleoclimate context

　　在过去的1500万到2000万年间，包括斯瓦尔巴群岛在内的北极大部分地区经历了反复的抬升和侵蚀作用，这些现象与局部的岩浆活动以及海底扩张同时发生。这使得中新世时期的陆上地层记录极为稀少，从而限制了我们对这一广阔区域内构造-沉积过程以及古地貌演变的理解。因此，位于斯匹次卑尔根岛西北部的塞德菲耶勒特火山岩层为研究陆上中新世地质提供了难得的资料。为确定其形成机制、火山结构以及火山活动前的古环境，我们结合了详细的野外相分析、数字露头模型、薄片岩石学研究以及孢粉学分析。我们记录了10到20次玄武质熔岩流，总厚度约为400米，这些熔岩流现在暴露在600至1350米的高处。这些熔岩序列位于起伏平缓的泥盆纪剥蚀面上，该剥蚀面局部被数百米宽、深达150米的凹陷所切割，这些凹陷被视作古河谷。这些河谷很可能是由于中新世时期剥蚀面抬升而引发的河流重新流动所形成的。在河谷底部，我们发现了此前未被发现的未固结沉积物，这表明在火山活动之前此处存在沉积作用。河谷边缘局部覆盖着含原位木炭残留物的火山碎屑沉积物，说明在火山爆发前这里曾是森林地带。河谷的主要填充物是厚度可达150米的玻屑岩沉积物，它们以陡倾的层状结构分布，反映了在河谷被淹没后、海平面上升过程中由熔岩供给的三角洲向南扩展的过程。孢粉数据表明，在熔岩形成之前这里是以针叶树为主的湿地，而双壳类生物组合则显示出部分重磨特征，虽然符合晚渐新世至早中新世的特征，但更可能属于晚中新世。这项研究首次系统描述了塞德菲耶勒特火山岩层的火山相和结构，明确了其空间范围，并通过其火山活动前的沉积记录提供了新的古环境重建信息。此外，我们的发现还揭示了斯瓦尔巴群岛在中新世演化过程中岩浆活动与地壳抬升之间的相互作用。

引言
斯瓦尔巴群岛及邻近北极地区的新生代地质演化反映了多种过程的复杂互动，其中包括大规模的区域性抬升和侵蚀，局部抬升幅度超过2000米（D?rr等人，2013年；Lasabuda等人，2018a、2018b年），陆上和近海的板内岩浆活动（Meza-Cala等人，2024年），与东格陵兰岛和西巴伦支海架边界相关的缝合带作用（图1；Crane等人，1982年、1991年；Berglar等人，2016年；Doré等人，2015年），以及中新世时期弗拉姆海峡的开启（Engen等人，2008年；Hossain等人，2021年；Jakobsson等人，2007年）。这种构造演化与海洋环流的变化密切相关（Hossain等人，2021年；He等人，2023年），这些变化推动了全球气候变化，并促使从中新世开始东北格陵兰岛和北极地区形成了冰盖（Jakobsen等人，2025年；Moran等人，2006年）。尽管这些过程的近海沉积记录相对保存较好（例如Jakobsson等人，2007年），但由于缺乏陆上地层记录，我们对于北极新生代构造-沉积过程以及构造-热过程的理解仍然有限（Medvedev等人，2023年）。

此外，自中生代晚期以来，包括斯瓦尔巴群岛在内的欧亚大陆北部被动边缘经历了多次与北冰洋形成相关的板内岩浆活动。其中一些构造-热事件在陆地上留下了重要的痕迹，有助于我们了解火山活动、构造运动、地表过程以及古环境之间的动态相互作用。在斯瓦尔巴群岛保存最典型的例子包括高北极大型火成岩省的下白垩统岩墙和岩基（HALIP；Senger等人，2014年；Senger和Galland，2022年）、本研究关注的塞德菲耶勒特火山岩层的中新世熔岩流（Dallmann，2015年），以及第四纪博克峡湾火山复合体的富含捕虏体的火山中心（BVC；Dallmann等人，1999年）。

虽然HALIP的岩浆活动与板块构造和地幔柱活动有关（Gaina等人，2014年），但对BVC第四纪熔岩中的地幔捕虏体进行的地球物理和地球化学研究则表明，斯匹次卑尔根岛西北部下方存在较高的地热梯度以及较薄的岩石圈（Amundsen等人，1987年）。因此，BVC的岩浆活动被认为与南北向的长期存在的构造线有关（Griffin等人，2012年），也与北极热点的重新激活有关（Tuchschmid和Spillmann，1992年），同时还与叶尔马克高原和克尼波维奇海岭的岩浆活动相关（Okay和Crane，1993年；Sushchevskaya等人，2010年）。尽管已有这些研究成果，但针对塞德菲耶勒特火山岩层的中新世火山活动的研究仍相对较少（参见Medvedev等人，2018年、2023年；Minakov，2018年），这就限制了我们对这一重要地质时期该火山岩层的形成机制及其区域构造和古环境意义的理解。

因此，斯匹次卑尔根岛西北部中新世塞德菲耶勒特火山岩层约400米厚的火山岩序列（Dallmann，2015年）为我们提供了一个独特的研究机会，以便探讨火山活动与构造运动之间的关系，以及二者共同对古地貌和古环境演化的影响。这一岩层特别适合用于此类研究，原因有三：首先，它似乎代表了晚中新世的一次火山活动（Prestvik，1978年），很可能形成于区域剥蚀面上的抬升阶段，而该剥蚀面上还存在多个古河谷（Dallmann，2015年）；其次，它可能保存着有关深层岩浆源的信息，从而有助于我们了解其形成机制；第三，这些古河谷可能保存着能够反映火山活动前后古环境状况的沉积物，这一点在其他类似环境中也得到了证实（Vogel和M?rker，2011年；French，2003年；Németh和Ulrike，1999年）。此外，由于冰川与熔岩的相互作用会形成一系列在野外易于识别的特征（例如Smellie，2022年；Edwards等人，2022年），因此我们应该能够判断在熔岩形成期间是否存在冰川冰。

由于地理位置偏远且交通不便，与HALIP的下白垩统火山岩相比，塞德菲耶勒特火山岩层受到的关注相对较少，因此关于其详细的地层、火山学和地球化学数据也非常有限。直到现在，人们仍未能完全确定塞德菲耶勒特火山岩层的分布范围、内部结构以及岩浆侵入的几何形态。因此，本研究旨在：第一，描述塞德菲耶勒特火山岩层的火山相和结构，从基底表面开始，经过古河谷填充物，一直到构成当前地貌的玄武岩高地的顶部；第二，确定这些熔岩的分布范围和厚度；第三，探究其形成机制及其岩浆供给系统；第四，解读火山活动前后及期间的古环境和古气候状况。最后，我们将讨论这一火山活动对该区域的地质意义，以及它与中新世时期北极周边地区地壳抬升之间的关系。

地质背景
斯瓦尔巴群岛是位于巴伦支海架西北边缘的挪威高北极群岛（图1A）。其地层记录涵盖了从元古宙到新生代的地层，记录了多个构造-岩浆活动阶段，包括加里东造山运动、泥盆纪造山后的崩塌、中石炭世的裂解作用、早白垩世的HALIP岩浆活动、古近纪-始新世的Eurekan变形作用，以及与弗拉姆海峡开启相关的新生代抬升作用（Olaussen等人，2025年）。

术语说明
塞德菲耶勒特火山岩层不仅包含熔岩，还包括多种火山特征和火山碎屑岩相。为避免混淆，本文中使用的关键术语在此予以说明。“接触带”指的是熔岩覆盖在原有地层之上的界面，这些原有地层可能包括未固结物质、古土壤或沉积岩（在本研究中为泥盆纪ORS地层）。“过渡带”则是指将水下环境中形成的沉积物与同期覆盖在其上的沉积物分隔开来的表面。

野外观察与测绘
在2023年和2025年的夏季，我们在安德烈兰地区开展了多学科研究，对火山露头进行了描述和采样，以此来了解塞德菲耶勒特火山岩层的内部结构和地层特征（Senger等人，2024年）。在每个考察点（图3；补充材料，表1），我们都进行了详细的地层记录、采样以及照片拍摄工作。每处熔岩流的特征都从岩性、质地、结构特征等方面进行了描述。

塞德菲耶勒特火山岩层熔岩序列的主要特征
通过整合各类数据，我们能够从微观和单层相分析到整个岩层的大尺度结构，对这一序列进行全方位描述。该熔岩序列由不同厚度的熔岩单元组成，而这些单元的厚度在不同位置存在差异，无法在整个区域内连续追踪（图4）。这些露头位于山顶和山脊上，属于侵蚀后的残留物，因此只能保留该火山岩区原始范围和内部结构的碎片。

下伏的沉积岩单元
直接位于基底不整合面之上的未固结沉积物由分选不良的砾石、砂粒和黏土团块组成（相名为ups和cy，见表1），这些沉积物记录了古河谷中最早的沉积作用迹象。它们在分布范围和沉积物粒径方面的差异，以及分选较差的质地——其中含有大小不一的亚圆状砾石——都表明这些沉积物是在能量条件不断变化的环境下经过搬运和沉积而成的，这种环境使得沉积作用能够周期性发生。

结论
中新世塞德菲耶勒特火山岩层的火山相和结构表明，熔岩是在已经形成剥蚀面且局部存在凹陷的古地形之上喷发的。这种凹陷表现为侵蚀形成的洼地，即古河谷，它们切入下伏的泥盆纪地层之中。火山活动主要发生在陆地环境中，这一结论得到了熔岩的形态特征以及接触带中可能源自冲积作用的未固结沉积物的片状结构的支持。

在撰写本文的过程中，作者使用了所在大学提供的AI辅助工具ChatUiT来初步审阅部分文本，之后再由合著者们进行最终审核。在使用该工具之后，作者根据需要对内容进行了修改和润色，并对最终发表的文章内容负全责。

作者贡献声明
Maria Telmon：项目管理、方法论、实地调查、资金筹集、数据分析、数据整理、概念构建、初稿撰写。
Sten-Andreas Grundv?g：指导监督、实地调查、数据整理、概念构建、文章修订与编辑。
Kim Senger：指导监督、实地调查、概念构建、文章修订与编辑。
Sverre Planke：指导监督、实地调查、概念构建、文章修订与编辑。
Rafael Kenji Horota：软件应用。

资金支持
本研究得到了北极野外研究基金（356410、341929）、NFR PALMAR项目（336293）的支持，同时还获得了本杰明·爱德华兹（迪金森学院极地探险基金）提供的私人资助。斯瓦尔巴克斯学院、UNIS学院和UIT学院也为本研究提供了重要的支持，他们提供了野外作业设备、无人机以及野外助手。

未引用参考文献
Dallmann, 2014

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究起源于2014年克里斯蒂安·特格纳和斯韦雷·普兰克在斯科特·凯尔蒂费耶勒特/奥克斯廷丹地区进行的初步野外考察。在那次半天的直升机勘测中，他们发现了令人惊讶的熔岩三角洲露头，这一发现促使他们进一步开展研究。我们衷心感谢斯瓦尔巴群岛行政长官授予我们进行此项野外研究的许可（RIS编号：12088、12222、12102、12558、12567）。AM感谢挪威研究委员会（NFR）的支持。

作者列表
Maria Telmon | Sten-Andreas Grundv?g | Kim Senger | Sverre Planke | Rafael Kenji Horota | Peter Betlem | Dmitrii Zastrozhnov | Alexander Minakov | Benjamin Edwards | Kasia K. Sliwinska | Matthew J. Pound | Andrea Di Capua
挪威北极大学地球科学系，地址：Dramsveien 201，9010特罗姆瑟，挪威