北極地區大地構造特征及其構造演化
——北極地區大地構造編圖研究進展

李江海， 劉仲蘭*， 王洛， 張華添

(1.北京大學 地球與空間科學學院 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室， 北京 100871; 2. 中國極地研究中心，上海 200136)

?

北極地區大地構造特征及其構造演化
——北極地區大地構造編圖研究進展

李江海1， 劉仲蘭1*， 王洛2， 張華添1

(1.北京大學 地球與空間科學學院 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室， 北京 100871; 2. 中國極地研究中心，上海 200136)

摘要：北極地區具有豐富的油氣資源，但是受極度寒冷氣候和廣泛分布冰蓋的影響，北極是全球地質研究程度最低的地區之一。為此，基于最新地球物理數據，結合文獻資料中的地貌、地質、礦產資源資料，編制了北極地區大地構造圖(1∶500萬)。通過系統的編圖研究，認為北極地區位于泛大陸腹地，中生代以來的構造演化受到冰島地幔柱的垂向作用和歐亞-勞倫板塊緩慢的順時針旋轉的水平作用共同制約。其構造演化可歸納為3個階段：(1)早中生代：北亞-北美西北部(遠東-科迪勒拉)造山帶俯沖-造山增生階段，古太平洋向北俯沖，古亞洲洋最終關閉，泛大陸最終形成;(2)侏羅紀-白堊紀：伴隨著加拿大盆地張開，南阿紐伊洋盆俯沖消亡并形成南阿紐伊縫合帶，兩者之間在運動學上具有耦合聯系，并伴隨其間轉換斷層的調節作用；(3)新生代以來北大西洋中脊持續擴展傳播，造成歐亞盆地張開和加科爾洋中脊發育。北極地區處于全球不同構造域之間的橋梁和樞紐。隨著北冰洋洋盆伸展作用發展及加科爾洋中脊向南傳播，它將西南貫通北太平洋構造域(遠東造山帶)，徹底改變全球中生代以來的構造格局。

關鍵詞：北極地區；大地構造圖；熱點軌跡；構造格局；構造演化

1引言

北極地區是指地球北極圈(66°33′N)以北的區域，包括北冰洋及其環繞的島嶼和歐亞、北美大陸，總面積約2 100×104km2，其中陸地面積800×104km2，水深小于500 m的陸架面積超過700×104km2。北冰洋是四大洋中面積最小的大洋(面積1.470×107km2)(圖1)，也是平均深度最小的大洋(平均深度約1 225 m)。北冰洋被陸地和島嶼半封閉環繞，處于歐亞板塊、北美板塊和太平洋板塊之間，也是北大西洋中脊向北擴張傳播的末端與北太平洋俯沖系的交匯部位[1—2]。為此，北冰洋對于認識全球構造格局調整及不同板塊邊界的運動學相互作用具有無法取代的大地構造演化意義[3]。

受極度寒冷氣候和廣泛分布冰蓋的影響，北極是全球研究程度最低的地區之一，北極地區具有豐富的油氣資源，據美國地質調查局北極資源評價機構CARA研究評估[4]，北極未發現的油氣資源量為石油近9×1010桶、天然氣1.669×1015立方英尺和凝析油4.4×1010桶，其中84%的未發現資源分布于海區。已證實的含油氣盆地主要分布于環北極大陸架和相鄰陸地[5—6]。近年的調查發現，加科爾洋脊作為全球有效擴張速率最慢的洋中脊端元，其熱液硫化物的發育頻率極高，熱液異常點發育頻率甚至超過快速擴張的東太平洋洋隆。這對現今洋中脊熱液硫化物的發育模式是一個新的挑戰[7—8]。

圖1　北極地區海底深度圖(極球面投影，海底等深數據據GEBCO_08 Grid)Fig.1　Bathymetric map of circumpolar Arctic (stereographic polar projection， bathymetric data from GEBCO_08 Grid)

盡管北極地區已有大量的科學論文不斷發表，本區系統的基礎地質地球物理調查資料非常有限，公開發表的地質資料也不豐富，相關地質構造研究也處于初步階段，由此造成部分地區構造演化認識存在爭議。北冰洋洋盆的演化涉及其中兩個盆地的擴張事件：加拿大海盆擴張(約140～80 Ma BP)、歐亞盆地擴張(約58 Ma BP至今)。前者擴張中心僅在布格重力異常中有所顯示，且海盆磁條帶雜亂，構造過程爭論較大；后者磁條帶清晰，對海盆演化過程的爭議較小[9]。另外，兩次擴張事件涉及怎樣的構造演化過程，與周緣盆地發展有何關系等科學問題也存在研究空白。

大地構造圖是表述一個地區最基礎的地質圖件，對于表述地質構造特征及其構造演化具有重要意義。因此，從北極地區大地構造特征入手，利用最新的地球物理數據，編制北極地區大地構造圖，對于理解和推進北冰洋盆構造演化和資源分布研究是非常必要的。通過北極地區大地構造圖的編圖研究1)，可以為我國北極地區地質的科學研究和大洋勘探調查研究，提供基礎理論支撐。

2前人相關的重要研究及其本次編圖研究

2.1前人研究進展及存在問題

“Atlas of Geological Maps of Circumpolar Arctic at 1∶5M scale”，聯合國教科文組織(UNESCO)下屬世界地質圖編圖委員會(CGMW)資助，2009年在加拿大和挪威出版。包括環北極地質圖(加拿大地質調查局牽頭)和環北極重力、磁力異常圖(挪威地質調查局牽頭)。圖件內容包括主要地質單元年代(地層、巖漿巖)及范圍、主要斷層位置及性質、洋殼年齡等。存在主要問題：(1)洋底信息比較簡單；(2)地質單元圖例以年代區分，資料性較強，但表達性和思想性缺乏；(3)缺乏資源等概念。

“Tectonic Map of the Arctic at 1∶5M scale” (TeMAr Project)[10]，由俄羅斯地質研究所(VSEGEI)Karpinsky牽頭，2011年啟動，目前尚未正式出版。包括環北極大地構造圖主圖，及5幅插圖：構造區劃圖、沉積物厚度圖、地殼厚度圖、固結地殼厚度圖、地殼類型分布圖。圖件內容包括洋殼年齡、沉積物厚度等值線、地質單元年齡、大地構造單元(蛇綠巖、裂谷系、LIP(Large Igneous Province))、沉積盆地、主要斷層等。存在主要問題：(1)缺乏地球物理數據，尤其是較高精度的海底地形數據(對海底構造最直接的制約)；(2)構造演化表達不足；(3)缺乏礦產資源表述等。

其他專題圖件，如北極圈內沉積盆地分布及構造綱要圖(美國地質調查局， 2008)，其專題性較強、綜合性較弱，大地構造格局與演化及礦產資源分布的研究薄弱。

2.2北極地區大地構造編圖方法

本次采用極球面投影(Polar Stereographic)，以1∶500萬(A0圖幅)比例尺對65°～90°N， 180°E～180°W范圍內進行編圖研究。以洋底地形為底圖，結合北極地區最新的地質、地球物理研究成果，編制洋底大地構造圖，補充陸上地質信息和海陸聯系，及北冰洋地區油氣、洋底礦產等資源分布，具體編圖方法如下：

(1)編制統一的地形底圖：選用1∶500萬比例尺，以30″分辨率的GEBCO_08 Grid衛星地形數據為基礎，對地形進行色階調節，并添加陰影效果以直觀表達。根據北冰洋底水深特征，選取并生成3 000 m等深線作為深海盆地和海底隆起(大洋中脊、洋底高原、無震海隆等)界線，形成統一的地形底圖。

(2)編制大地構造圖：在統一地形底圖基礎上，結合現有數據庫、前人研究成果及大洋鉆探報告，疊加洋底地質信息與研究進展，包括：① 補充洋殼年齡等時線，表達洋殼年齡信息；② 補充洋中脊擴張矢量、板塊現今運動矢量，表達板塊運動學特征；③ 補充地應力分布，表達巖石圈淺層應力狀態；④ 補充斷裂運動方向，表達板塊邊界運動和板塊內變形特征；⑤ 補充大洋鉆探的基底深度、巖性和同位素年齡等信息。

(3)補充陸上地質數據和海-陸數據整合：以Geological Map of the World-3rd Edition (CGMW)陸上地質資料為基礎，補充主要斷裂性質，著重表達陸上一級構造單元(板塊)及其邊界(造山帶、邊界斷裂帶、裂谷系等)。結合洋底地貌特征及前人研究，統一表達海、陸相連的斷裂，以體現海、陸構造的相關性。

(4)補充油氣、洋底礦產等資源分布：在大地構造圖基礎上，結合前人文獻研究、網站公開數據及相關專題研究成果，疊加油田分布、熱液硫化物礦點、熱液異常區等資源分布，突出圖件的資源意義。

2.3主要數據及來源

本圖海底地形數據為GEBCO_08 Grid，重力異常數據為WGM2012，海底磁異常數據為EMAG3，洋殼年齡據Earth Byte(2008)，地殼應力數據為World Stress Map， GFZ (2008)。沉積厚度據NOAA(2013)，陸緣盆地數據來源于IHS(2009)，陸上地質據世界地質圖(Geological Map of the World-3rd

1)李江海，劉仲蘭，王洛. 北極地區大地構造圖[M].北京：地質出版社， 2016, 出版中。

Edition)，地殼應力數據來源WSM(World Stress Map Project， German Research Center for Geosciences， 2008)，洋底斷裂數據來源于GEBCO SCUFN(Sub-Committee on Undersea Feature Names)，硫化物礦點據InterRdige Vents Database (2015)，研究區資源評價據美國地質調查局北極資源評價機構CARA[11]。

需要說明的是，由于北極地區資源調查程度較低，北極資源評價機構CARA對該區油氣資源評估方法與USGS標準評估方法有一定差異，主要在于類比數據庫的選取和應用，這明顯依賴于評估地質師的經驗水平[11]，因此結果會存在較大偏差。2011年，俄羅斯部分學者與CARA合作，對北極油氣預期儲量進行了調整，調高了西伯利亞北部近海區域的預測儲量[12]。雖然目前完成的儲量預測基于已知的有限資料，準確性不高，并且很可能有一定程度的高估[13]。

3北極地區大地構造特征及其構造區劃

北極地區總體上可以劃分為北冰洋及其周緣沉積盆地和下伏的前新生代基底兩大構造層。

3.1前新生代基底

前新生代基底，又可以劃分為克拉通和造山帶兩類構造單元。主要有3個克拉通，分別為北美、東歐和西伯利亞克拉通，另外，還有許多屬性未明的離散地塊。8條古生代-中生代的造山帶褶皺帶包括：季曼造山帶、斯堪的納維亞造山帶、埃爾斯米爾造山帶、新地島-烏拉爾造山帶、泰梅爾造山帶、維爾霍揚斯克造山帶、南阿紐依造山帶、布魯克斯造山帶(圖2)。

季曼造山帶位于北極克拉通與波羅的大陸之間，西北以加里東造山帶為界，烏拉爾和新地島的海西推覆體逆沖至該造山帶東部邊界之上。它們經常被看作傾向西南拼貼于波羅的古陸的蛇綠巖、島弧和微大陸增生體。綜合地質地球物理資料，可以將本段構造帶分為外蒂曼構造帶、Novozemel’sky帶(分別為波羅的克拉通和北極克拉通的變形邊緣)，以及克拉通之間擠壓形成的中央碰撞造山帶。往東方向，該構造的出露及研究程度均下降，是否東延仍頗有爭議。Kos’ko根據在弗蘭格爾島、楚科奇、蘇厄德半島和布魯克斯山脈已發現蛇綠巖和花崗巖鏈，弗蘭格爾島變質基性巖鋯石U-Pb定年為(699±1)Ma，該構造帶可能東延至楚科奇-阿拉斯[14]。

斯堪的納維亞造山帶出現于挪威西北部和斯瓦爾巴特群島，代表了波羅的板塊與勞倫板塊之間的早古生代古縫合帶。在斯堪的納維亞半島，造山帶活動時間為早奧陶世-中志留世，發育大量飛來峰和構造窗。在斯瓦爾巴特群島，該期構造變形被造山后花崗巖(400 Ma BP)穿切[15]。

新地島-烏拉爾造山帶南起咸海，向北地質年代逐漸變新，北極地區與新地島造山帶相連，是造山帶晚期產物，代表勞亞板塊與哈薩克斯坦板塊晚古生代的縫合帶，造山帶活動時期為晚泥盆世-二疊紀[16]。

維爾霍揚斯克造山帶圍繞西伯利亞克拉通東緣和東北分布，是歐姆龍和科雷馬微陸塊與西伯利亞碰撞的結果。該造山帶由超過10 km厚上古生界—下白堊統(歐特里夫階)硅質碎屑沉積組成[17]，稱為維爾霍揚斯克雜巖，其巖性變化大，包括靠近克拉通的河流—淺海沉積至遠離克拉通的深水濁流沉積。該雜巖下伏里斯期至中古生代碳酸鹽巖和碎屑巖-碳酸鹽巖地層，屬西伯利亞克拉通邊緣。在早白堊世(130～125 Ma BP)，該被動陸緣沉積序列與科雷馬-歐姆龍發生碰撞從而形成向西的逆沖和褶皺變形[18]。維爾霍揚斯克造山帶通過勒拿裂谷系和Stolboboi走滑斷裂，與南阿紐伊造山帶相連[19]。

南阿紐依造山帶是一條窄并且變形強烈的縫合帶，其地表出露不連續的蛇綠巖及島弧火山主要分布在Bol’shoiLyakhov島[20]。在大地磁異常中顯示其從西Bol’shoiLyakhov島一直延伸至拉普帖夫海裂谷系，長達1 500 km[19]，但是其東南方向向白令海峽和阿拉斯加的延伸范圍由于遭到后期鄂霍茨克-楚科奇火山巖帶的覆蓋而至今不清楚。南阿紐依縫合帶包含零散分布的晚古生代以及中生代蛇綠巖，侏羅-白堊紀的島弧火山巖以及中生代碎屑巖和火山碎屑濁積巖[21]。布魯克斯造山帶是由北極阿拉斯地體向南與育空等島弧地體碰撞形成，造山事件導致Angayucham洋盆關閉，形成了以侏羅紀蛇綠巖和增生雜巖、島弧火山巖為主的Angayucham地體，該地體后期拼貼到北極阿拉斯加地體上[22]，與南阿紐依縫合帶的結構具有一定的相似性。

北冰洋及其周圍還發育許多隱伏的陸塊、地體、洋底高原，有待地球物理研究探測和厘定。包括：斯瓦爾巴德-喀拉陸塊、楚科奇-阿拉斯加微板塊、阿爾法-門捷列夫陸塊(被早白堊世大火成巖省覆蓋)[19]。

3.2北冰洋盆及周緣盆地

北冰洋被3條近于平行的海嶺分割成不同的海盆，其中，羅蒙諾索夫海嶺將北冰洋分為歐亞盆地和美亞盆地。加科爾海嶺又將歐亞盆地分為阿蒙森海盆和南森海盆，阿爾法-門捷列夫海嶺再將美亞盆地分為加拿大海盆和馬卡羅夫海盆[23](圖2)。

歐亞盆地是北極地區最年輕的海盆，其構造演化歷史從保存完好的磁條帶中可以得到很好的約束。早始新世—中始新世(約53～44 Ma BP)海盆初始打開，擴張速率較大。漸新世-早中新世，擴張速率急速下降。自20 Ma BP至今，全擴張速率略有增加。歐亞盆地具有獨特的地殼結構，其厚度小于3 km，上覆沉積物平均厚度在1～2 km，而全球洋盆的層2和層3的實測平均厚度為6.5 km。歐亞盆地洋殼較薄，被認為是洋中脊以5 mm/a的速率緩慢擴張的產物，從軸部巖漿房溢出的巖漿也較少。

圖2　北極地區大地構造略圖[12，20，24]Fig.2　Brief tectonic map of circumpolar Arctic[12，20，24]

美亞盆地地貌地球物理特征復雜，可以識別出加拿大海盆、阿爾法-門捷列夫海嶺、馬卡羅夫海盆和羅蒙諾索夫海嶺等構造單元[19]。加拿大海盆出現于西伯利亞和北美克拉通之間，其磁異常值分布紊亂，沒有明顯的線性特征，因而該盆地的構造演化目前并沒有統一的認識[24]。其早期擴張軸與歐亞盆地加科爾洋中脊走向方向直交于此，我們推測加拿大海盆與歐亞盆地在構造屬性上沒有直接的成因聯系。

北冰洋周緣的中、新生代沉積盆地群主要處于伸展背景，呈近東西走向展布，主要包括巴倫支海盆地、喀拉海盆地、葉尼塞-哈坦加盆地、拉普捷夫海盆地、科累馬盆地、東西伯利亞海盆地、北極斜坡盆地、北極海岸盆地、斯沃特里普盆地、巴芬灣盆地和東格陵蘭盆地等[17，25—26]。歐亞大陸架寬度顯然大于北美大陸架，集中了主要的中、新生代海上伸展型沉積盆地群，如巴倫支海盆地、喀拉海盆地、拉普捷夫海盆地、東西伯利亞海盆地、斯維爾德魯普盆地(P)、阿拉斯加北坡盆地(T-J)、北楚科奇盆地(T-J)等[5]。而北美大陸、格陵蘭島的北冰洋邊緣陡峭，大陸架海海盆地并不發育，格陵蘭島北緣出現魏格納轉換斷層以及加拿大海盆白堊紀短期擴張后擴張夭亡，決定了其大陸架陡峭地貌。

4北極地區大地構造屬性

歐亞板塊與北美板塊邊界尚難以清晰劃分，它們也可以歸并為一個正在分裂中的北美-歐亞超級大陸，北大西洋-北冰洋洋中脊，構成它們重要的擴張邊界。北大西洋洋中脊持續向北冰洋傳播，加科爾洋中脊向南傳播對應西伯利亞北部的勒拿裂谷系，再向南變為遠東地區的多條走滑斷裂系，并以地震震中位置所顯示[25]。北冰洋盆的擴張被北太平洋周緣的俯沖帶消減所調節。GPS測量表明，北美板塊和歐亞板塊分別以逆時針和順時針旋轉的方式，向太平洋匯聚，推斷歐亞板塊向東南順時針旋轉運動。

從北大西洋洋中脊到加科爾洋中脊，全擴張速率逐漸降低，由冰島以北的17.7 mm/a， 到加科爾洋脊末端降為7.3 mm/a，加科爾洋中脊延伸從俄羅斯北部勒拿河口到格陵蘭島北側，長約2 000 km，寬約200 km，具有極低的全擴張速率(7.3～10.8 mm/a)[19]。加科爾洋中脊從北冰洋洋盆向南擴展傳播，銜接勒拿裂谷系以及更南端的多條走滑斷層系[26—27]，成為北大西洋和太平洋構造銜接和轉換的紐帶。

加科爾洋中脊-拉普捷夫裂谷系與千島-日本俯沖帶、阿留申俯沖帶，形成天平狀構造系，代表正在發育的三聯點。這種獨特的構造格局展示了北冰洋洋盆樞紐式的張開模式，歐亞板塊與北美板塊代表正在分裂的勞倫-歐亞超級板塊，北大西洋-北冰洋洋盆的擴張，被北太平洋俯沖帶(白令海、阿拉斯加)所消減，北太平洋洋盆持續收縮，形成“鉗式張合”構造。與北冰洋類似，紅海與東地中海的交匯，也是類似的樞紐構造，也形成“鉗式張合”構造，銜接新特提斯構造域與印度洋卡斯伯格洋中脊。

北極地區的前新生代基底構造單元具有花瓣狀構造特點，它們在幾何形態上向北極地區聚斂，相關的造山帶，如烏拉爾造山帶、上揚斯克造山帶、科迪勒拉-阿拉斯加造山帶等沿著走向由南向北，造山事件具有穿時變年輕特點[21]。北冰洋周緣中生代以來的造山帶主要有：南阿紐依造山帶、布魯克斯期造山帶、維爾霍揚斯克造山帶，它們均發育在美亞盆地張開、楚科奇-阿拉斯加微板塊旋轉的背景下，由島弧和地體拼貼形成。

北極地區廣泛出現不同時期的陸塊或地塊[28]，如美亞盆地中的阿爾法海嶺、門捷列夫海嶺以及楚科奇高地、Northwind海嶺均有陸殼成分，其中阿爾法海嶺-門捷列夫海嶺，從亞洲的弗蘭格爾島起，延伸到格陵蘭島一側的埃爾斯米爾島附近，長約1 500 km，相對高度小，坡度平緩[19]。由此推測，它們可能構成北冰洋張開之前的存在過的北極古陸。對于北極古陸是否存在，其規模和組成，尚待深入的地球物理勘探去證實。近期研究表明，阿爾法-門捷列夫海嶺與西南太平洋的翁通爪哇、印度洋的莫桑比克等無震海嶺等熱點成因的洋底高原，具有相似的地震波速結構及磁異常分布特征[29]，是熱點作用相關洋底高原的產物。

北冰洋出現復雜的擴張體系，加拿大海盆擴張中心軸與歐亞盆地擴張軸(加科爾洋中脊)近于垂直。巴芬灣擴張中心軸通過轉換斷層與加科爾洋中脊運動上調節[30]。歐亞盆地出現于波羅的板塊和北美板塊之間，克拉通的基底構造格局決定了其裂解位置。

5北極地區的熱點軌跡與板塊真實運動

二疊紀-三疊紀隨著海西期烏拉爾造山作用，喀拉-北泰梅爾地塊與巴倫支地塊碰撞，形成新地島造山帶，泛大陸完成最終聚合。中生代鄂霍茨克洋盆的關閉以及遠東造山帶的形成，北極地區處于泛大陸北部的核心區域，并與北太平洋構造域鄰近。早中生代中亞造山帶的造山結束期，銜接或對應于本區裂谷盆地初始擴張期，形成一系列的伸展盆地。在多條造山帶匯聚的構造薄弱位置，北極地區還受冰島地幔柱的垂向作用，造成其有限的大陸裂解作用背景，發育相關的大火成巖省。

西西伯利亞大火成巖省(LIP)是全球已知最大的大巖漿巖省，噴發時代為處于二疊紀—三疊紀界線附近(250～251 Ma BP，持續時間小于1 Ma)，LIP的最大厚度約3 500 m，面積約5×106km2。火山活動早于西西伯利亞盆地T-J裂谷事件，這也是世界最大的沉積盆地之一[31]。葉尼塞-哈坦加裂谷盆地代表其早期三叉裂谷系的東北分支[32]，并在侏羅紀—白堊紀持續發展沉降。三疊紀-侏羅紀期間泛大陸開始大規模裂解，西西伯利亞、東巴倫支、斯維爾德魯普、北阿拉斯加等相繼發生(陸內)裂谷作用。

冰島火山作用和西西伯利亞LIP之間的構造聯系，一直是重要的構造問題，它們之間是否具有地幔柱成因聯系、是否構成連續的熱點活動軌跡，有許多猜測[33—35]。北冰洋底及其周緣島嶼和大陸架地區處于兩者之間，發育豐富的中、新生代火山活動，為構建這條經過陸地的熱點軌跡創造有利條件。近期的北冰洋磁異常研究，還識別出了中生代洋底高原的分布范圍[11，33]。它們構成了西西伯利亞與冰島熱點軌跡之間銜接的關鍵鏈條，由此可以重建這條陸上保留的、冰穿過北冰洋的熱點軌跡[30，36—37](圖3)，盡管隨著北冰洋盆的張開，它已被分隔了東、西兩段。

圖3　西伯利亞-冰島熱點軌跡示意圖[11，33]Fig.3　Hotspots track between Siberia trap and Iceland mantle plume[11，33]

由圖3的熱點軌跡分析，泛大陸自三疊紀形成以來，勞亞大陸整體上具有順時針旋轉、向東北運動特點，并在此持續旋轉的構造背景下，熱點活動造成北冰洋洋盆的張開。其中，勞倫大陸旋轉速度相對快于歐亞大陸、北美大陸旋轉又相對快于格陵蘭陸塊。地處泛大陸腹地，持續的地幔熱能累積是西西伯利亞二疊紀地幔柱形成并上涌活動的重要原因之一。

6北冰洋盆侏羅紀以來的張開演化歷史

北冰洋盆的構造演化一直存在較多爭議[38—39]，爭論焦點主要圍繞美亞盆地中、晚白堊世的張開模式，這些模式包括：(1)多邊伸展-旋轉調節模式[40]；(2)旋轉走滑模式[41]；(3)俯沖帶后撤、地殼減薄伸展模式。這主要是由于對北冰洋底構造的認識尚缺乏系統深入的地球物理調查和地質資料積累。目前的研究主要通過北冰洋及周緣古板塊再造、大地構造單元識別和劃分(依據重、磁資料)、周邊陸地構造外推北冰洋底等手段來恢復北冰洋盆的構造演化歷史及構造模式[30]。

6.1美亞盆地的張開模式

美亞盆地在中-晚侏羅世伴隨著全球泛大陸裂解開始形成。由于盆地地球物理資料有限，因此，目前對其海盆擴張模式及擴張時間有不同認識。本文以擠壓-伸展耦合模式解釋美亞盆地的形成：晚侏羅世，門捷列夫海嶺從加拿大陸緣裂離，并伴隨著美亞盆地的張開。美亞盆地張開時間(155～65 Ma BP)與南阿紐伊洋盆的關閉俯沖時間(200～120 Ma BP)相耦合。隨著阿紐伊縫合帶的俯沖，造成北極板塊旋轉，在南阿紐伊洋盆關閉同時加拿大海盆張開。這種擠壓-伸展耦合模式，是泛大陸腹地鄰近太平洋，在有限伸展空間下洋盆發育的獨特的構造演化模式，類似于西地中海洋盆等地洋盆，如特立尼亞海盆的形成模式。

美亞盆地的張開可以劃分為兩個階段(圖4)：晚侏羅紀-早白堊時期：(J3-K1，155～115 Ma BP)加拿大海盆旋轉式張開(洋盆張開的幅度向歐亞逐漸增大)，伴隨楚科奇等地體發生逆時針旋轉，分別于歐亞大陸和北美大陸俯沖碰撞，造成南阿紐依洋和Angayucham洋關閉，形成相應造山帶。早白堊世-晚白堊世(K1-K2，115～65 Ma BP)馬可羅夫盆地張開，阿爾法-門捷列夫海嶺由原先鄰近羅蒙諾索夫海嶺的位置逐漸遠離。這一構造過程發生的動力學機制目前認為主要是由阿爾法-門捷列夫海嶺之下的俯沖作用后撤造成的伸展。持續的俯沖帶后撤造成阿爾法-門捷列夫海嶺和楚科奇高原伸展，并保存了大量該時期的裂谷系。

美亞盆地的張開受到北極大火成巖省火山活動的影響(130～80 Ma BP)，在有限空間內，向北通過走滑邊界調節[41]，洋脊的擴張向南為前進式擴張，擴張末端對應麥肯齊三角洲沉積盆地形成。

6.2歐亞盆地的張開模式

歐亞盆地張開受到北大西洋中脊的向北擴展的影響(圖4)。其發育位置，對應加拿大盆地張開過程中大規模轉換斷層位置上的構造薄弱帶。歐亞盆地地殼厚度最小值出現在海盆邊緣，表明它的初始張開受到北極大火成巖省第二期火山作用的影響，因此造成了地殼的大幅度減薄。從加拿大海盆的擴張到歐亞盆地的擴張，其間經歷了區域構造應力場的劇烈調整，對應本區從北太平洋構造域向北大西洋構造域的轉折。

晚白堊世-古新世，巴芬灣、北大西洋、歐亞盆地相繼張開[34]，形成巴芬灣、西格陵蘭、拉布拉多海等裂谷和東格陵蘭、挪威海、巴倫支海西緣和北緣等被動邊緣。并且在西伯利亞北部形成拉普捷夫裂谷系，南北向截切泰梅爾造山帶[27]，以走滑斷裂系向南銜接太平洋構造域西北緣，使大西洋-北冰洋中脊末端以走滑斷裂調節。拉普捷夫海裂谷盆地、東西伯利亞海盆地以及楚科奇海盆地的形成，均與北冰洋洋盆白堊紀-新生代向南傳播的伸展作用有關[42]。本區伸展地塹系的形成，并控制深水盆地的持續發展。

7討論和結論

(1)北冰洋及其周緣中、新生代裂谷盆地記錄了靠近太平洋邊緣的泛大陸腹地中生代以來持續發生的裂解作用。北冰洋地區代表全球不同構造域之間的橋梁和樞紐。隨著北冰洋洋盆伸展作用發展及加科爾洋中脊向南傳播，它將西南貫通北太平洋構造域(遠東造山帶)，徹底改變全球中生代以來的構造格局。從西北歐到阿拉斯加，造山帶碰撞時代整體上沿著逆時針方向逐漸由早古生代變為中生代，先后涉及亞皮特斯洋、烏拉爾洋、古亞洲洋、南阿紐伊洋盆的關閉。而洋盆張開時代方面，從加拿大海盆到馬科夫海盆、到歐亞盆地再到巴芬灣，具有沿著順時針方向，逐漸由中生代變為新生代。它們共同展示出泛大陸由匯聚到裂解的構造調整過程，即裂解作用開始于或耦合于最晚造山活動的位置。

(2)中生代以來，北極地區處于北亞最晚期的造山匯聚區與西西伯利亞地幔柱熱點相關的伸展作用的復合、交匯和疊加部位。在此構造背景下，決定了它具有3階段式的構造演化：① 早中生代北亞-北美西北部(遠東-科迪勒拉)造山帶俯沖-造山增生階段，古太平洋向北俯沖，古亞洲洋最終關閉，泛大陸最終形成;② 侏羅紀-白堊紀期間加拿大海盆張開，與南阿紐伊洋盆俯沖消亡相耦合，最終形成南阿紐伊縫合帶，兩者之間在運動學上具有耦合聯系，并伴隨其間轉換斷層的調節作用;③ 新生代以來北大西洋中脊持續擴展傳播，造成歐亞盆地張開和加科爾洋中脊發育。

圖4　北冰洋洋盆張開構造演化模式圖 Fig.4　Tectonic evolution model of Arctic Ocean

(3)北冰洋洋盆形成于泛大陸腹地，為此，伸展作用和洋盆擴張受控于有限空間內的構造變形。中生代以來不同方向的大陸裂谷系和洋中脊記錄了擴張過程的旋轉式調整，不同時代的伸展方位及其變形在空間上發生大幅度遷移和旋轉，顯示了超大陸格局對其腹地伸展變形的有效制約。

(4)通過北冰洋及周緣LIP及其火山巖區的研究比對，可以恢復出歐亞板塊經過冰島地幔柱(250 Ma BP至今)在板塊上形成的熱點運動軌跡。熱點作用并對北冰洋盆張開過程產生深刻影響，造成其巖石圈組成的強烈變化。受大陸巖石圈不均質性及其巨厚的影響，LIP分布具有片段狀和彌散狀分布特點，不同于簡單的大洋島熱點特征。

參考文獻：

[1]Torsvik T H, Steinberger B, Gurnis M, et al. Plate tectonics and net lithosphere rotation over the past 150My[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 291(1): 106-112．

[2]Yakubchuk A. Re-deciphering the tectonic jigsaw puzzle of northern Eurasia[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2008, 32(2): 82-101．

[3]Kovalenko V I, Yarmolyuk V V, Bogatikov O A. Modern volcanism in the earth’s northern hemisphere and its relations with the evolution of the North Pangaea Modern Supercontinent and with the spatial distribution of hotspots on the earth: The hypothesis of relations between mantle plumes and deep subduction[J]. Petrology, 2010,18(7): 657-676．

[4]Charpentier R R, Gautier D L. US Geological Survey Circum-Arctic Resource Appraisal (CARA): introduction and summary of organization and methods[J]. Geological Society, London, Memoirs, 2011, 35(1): 145-150．

[5]楊靜懿, 李江海, 毛翔. 北極地區盆地群油氣地質特征及其資源潛力[J]. 極地研究, 2013, 25(3): 304-314．

Yang Jingyi, Li Jianghai, Mao Xiang. Petroleum geology characteristics and prospect of basin groups in Arctic region[J]. Chinese Journal of Polar Research, 2013, 25(3): 304-314．

[6]高金尉, 何登發, 童曉光, 等. 北極含油氣域大油氣田形成條件和分布規律[J]. 中國石油勘探, 2014, 19(1): 75-90．

Gao Jinwei, He Dengfa, Tong Xiaoguang, et al. Formation and distribution of giant oil and gas fields in Arctic petroliferous domain[J]. China Petroleum Exploration, 2014, 19(1): 75-90．

[7]Edmonds H N, Michael P J, Baker E T, et al. Discovery of abundant hydrothermal venting on the ultraslow-spreading Gakkel ridge in the Arctic Ocean[J]. Nature, 2003, 421(6920): 252-256．

[8]Michael P J, Langmuir C H, Dick H J B, et al. Magmatic and amagmatic seafloor generation at the ultraslow-spreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean[J]. Nature, 2003, 423(6943): 956-961．

[9]李學杰, 萬玲, 萬榮勝, 等. 北冰洋地質構造及其演化[J]. 極地研究, 2010, 22(3): 271-285．

Li Xuejie, Wan Ling, Wan Rongsheng, et al. The structure and tectonic revolution of Arctic ocean[J]. Chinese Journal of Polar Research, 2010, 22(3): 271-285．

[10]Petrov O, Smelror M, Morozov A, et al. Temporary Removal: Crustal structure and tectonic model of the Arctic region (TeMAr)[J]. Earth-Science Reviews, 2015．

[11]Grantz A, Scott R A, Drachev S S, et al. Sedimentary successions of the Arctic Region (58-64° to 90° N) that may be prospective for hydrocarbons[J]. Geological Society, London, Memoirs, 2011, 35(1): 17-37．

[12]Kontorovich A E, Burshtein L M, Kaminsky V D, et al. The potential for hydrocarbon resource development on the Russian Arctic Ocean Shelf[J]. Geological Society, London, Memoirs, 2011, 35(1): 443-449．

[13]Klett T R, Pitman J K. Geology and petroleum potential of the East Barents Sea basins and Admiralty Arch[J]. Geological Society, London, Memoirs, 2011, 35(1): 295-310．

[14]Kos’ko M K. Terranes of the Eastern Arctic shelf of Russia[J].Doklady Earth Sciences, 2007, 413(1): 183-186．

[15]Andresen A, El-Rus M A A, Myhre P I, et al. U-Pb TIMS age constraints on the evolution of the Neoproterozoic Meatiq Gneiss dome, Eastern Desert, Egypt[J]. International Journal of Earth Sciences, 2009, 98(3): 481-497．

[16]Scarrow J H, Ayala C, Kimbell G S. Insights into orogenesis: getting to the root of a continent-ocean-continent collision, Southern Urals, Russia[J]. Journal of the Geological Society, 2002, 159(6): 659-671．

[17]Drachev S S. Tectonic setting, structure and petroleum geology of the Siberian Arctic offshore sedimentary basins[J]. Geological Society, London, Memoirs, 2011, 35(1): 369-394．

[18]Oxman V S. Tectonic evolution of the Mesozoic Verkhoyansk-Kolyma belt (NE Asia)[J]. Tectonophysics, 2003, 365(1): 45-76．

[19]Pease V, Drachev S, Stephenson R, et al. Arctic lithosphere—A review[J]. Tectonophysics,2014, 628：1-25．

[20]Kuzmichev A B, Pease V L. Siberian trap magmatism on the New Siberian Islands: constraints for Arctic Mesozoic plate tectonic reconstructions[J]. Journal of the Geological Society, 2007, 164(5): 959-968．

[21]Lawver L A, Grantz A, Gahagan L M. Plate kinematic evolution of the present Arctic region since the Ordovician[J]. Special Papers-Geological Society of America, 2002,360(6): 333-358．

[22]Sokolov S D. Tectonics of northeast Asia: an overview[J]. Geotectonics, 2010, 44(6): 493-509.

[23]Vogt P R, Anderson C N, Bracey D R. Mesozoic magnetic anomalies, sea-floor spreading, and geomagnetic reversals in the southwestern North Atlantic[J]. Journal of Geophysical Research, 1971, 76(20): 4796-4823.

[24]Jakovlev A V, Bushenkova N A, Koulakov I Yu, et al. Structure of the upper mantle in the circum-Arctic region from regional seismic tomography[J]. Russian Geology and Geophysics,2012,53(10)：963-971．

[25]Mackey K G, Fujita K, Ruff L J. Crustal thickness of northeast Russia[J]. Tectonophysics, 1998, 284(3): 283-297．

[26]Golonka J, Bocharova N Y, Ford D, et al. Paleogeographic reconstructions and basins development of the Arctic[J]. Marine and Petroleum Geology, 2003, 20(12): 211-248．

[27]Shipilov E V, Karyakin Y V. Structure and Evolution History of the Lithosphere[M]. Moscow:Paulsen, 2010:312-330．

[28]Metelkin D V, Vernikovsky V A, Matushkin N Yu. Arctida between Rodinia and Pangea[J]. Precambrian Research,2015,259:114-129．

[29]Koulakov I Yu, Gaina C, Dobretsov N L, et al. Plate reconstructions in the Arctic region based on joint analysis of gravity, magnetic, and seismic anomalies[J]. Russian Geology and Geophysics, 2013, 54(8):859-873．

[30]李學杰，姚永堅，韓冰，等. 北極地區區域地質及美亞盆地的演化[J]. 吉林大學學報(地球科學版)，2012,42(S2):224-233．

Li Xuejie, Yao Yongjian, Han Bing, et al. Regional Geology of the Arctic Pole Area and the Evolution of the Amerasian Basin[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2012,42(S2):224-233．

[31]Allen M B, Anderson L, Searle R C, et al. Oblique rift geometry of the West Siberian Basin: tectonic setting for the Siberian flood basalts[J]. Journal of the Geological Society, 2006, 163(6): 901-904．

[32]Dobretsov N L, Vernikovsky V A, Karyakin Y V, et al. Mesozoic-Cenozoic volcanism and geodynamic events in the Central and Eastern Arctic[J]. Russian Geology and Geophysics, 2013, 54(8): 874-887．

[33]D?ssing A, Jackson H R, Matzka J, et al. On the origin of the Amerasia Basin and the High Arctic Large Igneous Province—Results of new aeromagnetic data[J]. Earth and Planetary Science Letters,2013,363(2): 219-230

[34]Scotese C R. Paleogeographic reconstructions of the Circum-Arctic Region since the Late Jurassic[C]//AAPG Annual Convention and Exhibition. Houston, 2011.

[35]Herron E M, Dewey J F, Pitman W C. Plate tectonics model for the evolution of the Arctic[J]. Geology, 1974, 2(8): 377-380．

[36]Kuzmichev A B, Pease V L. Siberian trap magmatism on the New Siberian Islands: constraints for Arctic Mesozoic plate tectonic reconstructions[J]. Journal of the Geological Society, 2007, 164(5): 959-968．

[37]Kuzmichev A B.Where does the South Anyui Suture go in the New Siberian Islands and Laptev Sea: Implications for the Amerasia Basin origin[J].Tectonophysics, 2009, 463(1/4): 86-108．

[38]Khain V E, Filatova N I. Main stages in tectonic evolution of the Eastern Arctic region[J]. Doklady Earth Sciences, 2007, 415(2):850-855.

[39]李學杰，姚永堅，楊楚鵬, 等.北極地區地質構造及主要構造事件[J].吉林大學學報：地球科學版，2015,45(2):335-348．

Li Xuejie, Yao Yongjian, Yang Chupeng, et al. Tectonic feature and main tectonic events in the Arctic area[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2015,45(2):335-348．

[40]Cochran J R, Edwards M H, Coakley B J. Morphology and structure of the Lomonosov Ridge, Arctic Ocean[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2006, 7(5):Q05019．

[41]Lawver L A, Grantz A, Gahagan L M. Plate kinematic evolution of the present Arctic region since the Ordovician[C]//Tectonic Evolution of the Bering Shelf-Chukchi Sea-Arctic Margin and Adjacent Landmasses. Boulder：Geol Soc America, 2002: 333-358．

[42]Drachev S S, Savostin L A, Groshev V G, et al. Structure and geology of the continental shelf of the Laptev Sea, Eastern Russian Arctic[J]. Tectonophysics, 1998, 298(4): 357-393．

The tectonic setting and geological evolution of the Arctic——From compiling of tectonic map of the Arctic

Li Jianghai1, Liu Zhonglan1, Wang Luo2, Zhang Huatian1

(1.TheKeyLaboratoryofOrogenicBeltsandCrustalEvolution,MinistryofEducation,SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China;2.PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China)

Abstract:The Arctic is rich in hydrocarbon resources, but its level of geological research is almost lowest in the world due to harsh natural climatic conditions and complicated tectonic evolution. Herein, the tectonic map of the Arctic (1∶5 000 000) was compiled based on newly updated geophysical data, and combination of geology, geomorphology, and resource data. From compiling of the tectonic map, this paper recognized the tectonic evolution of Arctic to be influenced by the vertical effect of Iceland Mantle Plume, and the horizontal effect of clockwise rotation of Eurasia-Laurentia supercontinent. The tectonic evolution of Arctic Ocean is divided into three stages: (1) Early Mesozoic. Paleo-Pacific Ocean subducted northwards. Paleo-Asian Ocean closed, leading to the formation of supercontinent. (2) Jurassic-Cretaceous. South Anui Suture was formed, accompanied by the coupling of Canada Basin opening and South Anui Ocean closing. This process is accommodated by development of transform faults. (3) Cenozoic. North Mid-Atlantic Ridge extended northwards, leading to the forming of Gakkel Ridge. Arctic Ocean represents the hinge of global tectonic domains. Along with the extension of Gakkel Ridge, it will connect with North Pacific tectonic domain (Far East Orogen), changing the global tectonic pattern since Mesozoic．

Key words:the Arctic; tectonic map; hotspot track; tectonic pattern; tectonic evolution

收稿日期：2015-11-06；

修訂日期：2016-02-16。

基金項目：國家海洋局國際合作司和中國極地研究中心聯合項目——北極圈大地構造編圖(QY201501-02)；印度洋脊多金屬硫化物成礦潛力與資源環境評價(DY125-12-R-03)；西南印度洋脊合同區多金屬硫化物資源評價(DY125-11-R-01)。

作者簡介：李江海(1965—)，男，山西省太原市人，教授，博士生導師，從事全球構造、洋中脊成礦研究。E-mail:jhli@pku.edu.cn *通信作者：劉仲蘭(1991—)，男，湖南省衡山市人，博士研究生，從事洋中脊構造、洋中脊成礦研究。E-mail:zlliu-sess@pku.edu.cn

中圖分類號:P548

文獻標志碼：A

文章編號：0253-4193(2016)07-0085-12

李江海， 劉仲蘭， 王洛， 等. 北極地區大地構造特征及其構造演化——北極地區大地構造編圖研究進展[J]. 海洋學報， 2016， 38(7):85-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.008

Li Jianghai， Liu Zhonglan， Wang Luo， et al. The tectonic setting and geological evolution of the Arctic—From compiling of tectonic map of the Arctic[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(7):85-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.008