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1、第8卷第2期南极研究(中文版)Vol.8, No.21996年6月ANTARCTICRESEARCH(CHINESE EDITION)June 1996东南极普里兹湾海冰面地磁考察焦丞民 孔祥儒(中国科学院地球物理研究所,北京100101) 刘成恕(中国科学院测量与地球物理研究所,武汉430077)提要 中国第九次南极考察期间在中山站北部普里兹湾中面积约132km2的测区内进行了地磁测量,为日后的南极内陆考察作前期准备。 磁测资料表明,这里有一个宽约5-8km、 走向NW的磁异常,其幅度达500nT。 磁异常可能是由深成岩浆的侵入体或富含磁铁矿的地质体引起的,磁源物体的埋深在海冰面以下0.3-
2、2.0km。 考察实践证明:只要经过充分准备,利用普里兹湾冬季冰封的有利条件,开展大范围的海冰面地球物理考察,在技术上是可行的。关键词 南极 普里兹湾 中山站 地磁测量 磁异常一、 引 言拉斯曼丘陵2普里兹湾位于Lambert - Amery地堑的东翼。Lambert - Amery地堑带 是一个具有特殊意义的地区,它给出东南极古地盾最重要的构造特征,提供有关地盾深部 构造及伴随冈瓦那古陆解体断裂过程的标志与线索。 国际南极岩石圈大断面计划(AN2TALITH)将从该地堑带通过,以便从整体上认识南极大陆岩石圈结构的演化及其对古环 境的构造控制作用(SCAR ,1989 )。拉斯曼丘陵是毗邻该地
3、堑轴部的少数露岩区之一。 在这里进行地球物理探查,研究地 球物理场特征及深部背景,对认识本区岩石圈结构与演化具有明显的科学意义。 我们在 “八 五” 立项中提出了开展海冰面地球物理工作的设想,并进一步作出1993年度开始海冰 面磁测的工作安排。 第一阶段的主要目标是证实利用冬季普里兹湾冰封的有利时机,以中 山站为基地,在海冰面上开展大范围地球物理探测工作的可行性,以便今后能通过穿越中 山站附近海冰区、 露岩区和冰盖区的地球物理剖面较详细地研究中山站下方的岩石圈结 构;能通过在海冰面考察的方式研究Lambert - Amery地堑;并能以这种方式将内陆考 察同航海地球物理勘察连接起来。 地球物理
4、勘察能否在南极岩石圈研究中发挥作用,关键在于能否突破种种不利因素 的制约,扩大探测范围,取得符合课题研究需要的观测资料。 中国第九次南极考察期间(1992?1993)我们在中山站附近的冰盖区、 露岩区和海冰区进行的实地考察,是努力突破 制约、 扩大范围的一次尝试。 本文介绍的普里兹湾海冰面地磁探测工作是其中的一部分。二、 工作区域背景及野外测量磁测区域位于中山站北部普里兹湾中(图1、 图2)。 测区南北长约23km、 东西宽约9km,面积约132km2。图1 测区位置示意图 Fig.1. Sketch map of the survey area.图2 主要测线分布示意图 Fig.2. Dis
5、tributionof main survey lines.前苏联在横跨普里兹湾剖面上的地磁、 重力和地震探查工作,给出了Lambert -Amery地堑带下地壳构造的轮廓:这里地壳厚度仅25km左右,其中上地壳厚度约10km, 远低于东南极地壳厚40-45km的平均值;一些明显与Lambert裂谷演化相关的深大断裂将地壳分割为若干地块;在东南极大陆中,整个Lambert - Amery地堑带以地壳最薄、上地幔物质密度异常低为显著特征,这表明地壳改造的连续过程明显地与裂谷作用相关(Kadminaet al.,1983;Bentley ,1983 )。 澳大利亚在普里兹湾的航海磁测、 地震探测结
6、果表明,普里兹盆地构造总体为NE - NNE向;与Lambert地堑共同形成三连点或四分支点的夭折裂谷;盆地磁性基底沉降至少大于5km,甚至可达10-12km;盆地东南部以距拉斯曼丘陵海岸约40km的Svenner海沟为界,这里基底突变为厚的沉积物,且水道和边缘都是与海岸基本平行的直线型,表明其受到断层的强烈控制;测区下基底可能是寒武纪和更老的变质岩和侵入岩,无沉积盖层,受冰川剥蚀作用,地形变得崎岖不平,水深一般在200-600 m之间(Stagget al.,1983;Stagg ,1985 )。 从三月中旬起,这里的近岸海面开始封冻,固定陆缘海冰范围10月份为最大,厚度在1.5m左右,19
7、92年10月底其北界距岸约60km。 陆地和岛礁附近海面可能有冰山、 冰山碎块和裂缝;极夜过后冰面积雪较厚(0-1m不等),在强风作用下形成起伏的雪波纹或裸露出光滑的冰面,造成交通不便。地磁考察于1993年9、10月间天气晴好时进行,气温一般为-20至-26。 主要测量仪器为两台加拿大SCINTREX公司的IGS22?MP24质子磁力仪(分辨率0.1 nT)。 其中一台用于基点测量,仪器探头固定在中山站内避开人员、 车辆活动的雪坝上;另一台用于野35第2期焦丞民等:东南极普里兹湾海冰面地磁考察外测量,由肩负探头站在雪橇上的考察队员操作仪器,在雪地摩托牵引雪橇行进中进行磁 场测量。 雪橇由木、
8、铝等弱磁材料制成,摩托与雪橇间距离保持在10m以上。 实测数据表 明,这些措施能有效地防止人为引入的铁磁干扰。 测区内布设大环测线(F- F- G- G- C)、 一些平行测线和短测线。 五条平行测线A- A、B- B、C- C、D- D和E- E的间隔分别是2.0 km、2.0 km、1.5 km、1.5 km,测线方位角为NE 20。 测点密度一般控制在6点? 公里。 利用已知坐标点,作经纬仪水平角测量 得到测区原点的地理位置;主测线的方位角由太阳时角法确定;工作时用磁罗盘定向,根 据雪地摩托的里程表判定距离。 根据在中山站地磁台的观测,本区地磁场总强度值约为54000 nT ,地磁偏角为
9、-76, 地磁倾角为-71。 由于位于极隙区,地磁场受到场向电流、 极光电急流和极盖区涡旋电流的强烈作用,瞬间变化有时高达数百nT。 我们特别注意保持野外仪器测量与基点仪器同 步,取两仪器同时刻记录数据之差来消除变化磁场的影响。图3 五条平行测线的剖面异常图 Fig.3. Magneticanomalies of five profiles.图4 部分测区磁异常等值线图(单位: nT) Fig.4.Contourof magneticanomaliesfor the survey area(unit: nT).三、 数据处理及分析结果注意到大环测线北部大部分地区磁场值十分平稳,将此值取为区域场
10、正常值。 受冰山 阻隔等客观原因的影响,一些测线的数据不完整,根据附近的测量结果和磁场的变化趋势 进行外推补齐,插补部分以虚线表示,得到五条平行测线上的磁场变化(图3)和这一部分45南极研究(中文版)第8卷测区的平面等值线图(图4)。 不难看出:在中山站北部普里兹湾中有一磁异常区,异常宽度为5-8 km,幅度达500nT。从总体上看,异常具有较明显的走向,近似为二度场源产生的,其走向在NW 70 至NW 75 之间。 剖面异常表现为相距不远的双峰,且从A - A到E- E有彼此靠近的趋势。表明异常产生于同源的磁性体。Rasmussenand Pedersen(1979)给出了多边形截面二度半棱
11、柱体的重力异常表达 式。 运用泊松公式,即可得到磁异常三分量(Xa、Ya、Za)的表达式(黎益仕等,1994 )。 该棱柱体的总场磁异常可以通过下式求得:Ta=XacosIocosDo+YacosIosinDo+ZasinIo式中Io、Do为地磁场的倾角、 偏角。 若场源物体由几个多边形组合而成时,异常可迭加求出:Ta=Taj(j=1,2,3,L)式中j为多边形的序号,L为多边形的个数。磁异常解释中通常将实测异常与假定模型体的理论异常进行比较,取符合程度最好的模型体作解释结果。 令P表示模型的物体性和生产状况等参数组成的向量,P=Pn, n=1,2,N。 以 T(rm,P)表示在rm点的计算值
12、,用 R(rm)表示在rm点的实测异常。 问题为求下式的极小Q=1 2R(rm)-T(rm,P)2式中 为 R(rm)的标准离差。 在P附近对其作泰勒展开,并略去高次项,上式可改写为Q=b-AP2其中b是列向量:bm=1 R(rm)-T(rm,P),A是矩阵:Am n=1 5 5pnT(rm,P),P为模型校正向量。本文采用Enmark提出的自动最优化反演(Enmark ,1981;曾华霖等,1991 ),用广义逆方法求出校正向量 P并以一组新的模型P+P重复计算,直到Q不再减少为止。 我们分别对五条剖面的资料作了上述的二度半体最优化反演,推测隐伏磁性体顶部的赋存形态(图5、 图6)及其磁化率
13、(表1)。 由于产状和物性两部分资料均欠缺、 磁测范围又十分有限,其结果只能是近似的。 计算时曾考虑过物性均匀与不均匀的不同情况,但得到的结果基本一致。 另外,因为没有物性标本,故反演解释中没有考虑剩磁的作用。表1 磁化率的计算结果(单位:10- 6SI) Table 1.Calculatedsusceptibility for five profiles(unit:10-6SI).测线A - AB- BC- CD- DE- E磁化率230.77238.73231.57227.83229.98拉斯曼丘陵属于东南极古老结晶地盾的一部分,主要经历过三次大的变质事件和三期韧性变形(1100Ma前后至
14、500Ma前后);早期变形D1表现为平行于原始组构的叶理,褶皱的尺度较小;中期变形D2突出表现为一系列中等尺度褶皱F2,在拉斯曼丘陵东部常表现为近NW走向的背斜,在西部转变为近SW向的向斜;晚期变形D3则表现更大波长55第2期焦丞民等:东南极普里兹湾海冰面地磁考察图5 C- C剖面反演结果 Fig.5. Result of inversion for profile C- C.图6 磁源体顶面埋深图(单位:m) Fig.6. Bathymetriccontour of the source2body (unit:m).的向斜、 背斜F3(图7);露头岩石大多为低压麻粒岩相变质沉积岩;超镁铁质岩
15、石出露面积不 足1%,呈小的扁豆体和薄层状产出;缺失镁铁 质岩脉是本区地质特征之一(St weet al.,1989)。 本区大部分变质沉积岩的磁性都比较微 弱,不足产生前述的磁异常。 对在邻近磁异常南侧采集的二辉石片麻岩和长英质片麻岩标本进 行了测试,磁化率分别为1110610-6SI和17.2810-6SI,剩余磁化强度分别为5.5810-3A?m和0.9510-3A?m。 在Broknes半岛部分 地段的地面磁测时,磁场变化一般幅度较小,有与前述海中异常不同的形态特征。 因此,用相应 的岩石种类及产状等特征似乎不能对海中较强 异常的产生给予解释。 值得注意的是,本区出露 的晚期花岗岩多为
16、沉积物质重熔形成的 “S” 类 粉色花岗岩;然而在Dalkoy岛出露的灰色花岗岩却属于 “A” 类花岗岩(St weet al.,1989),即为往往与裂谷活动有关的 “非造山型花岗 岩”,显示出本区的深成岩浆活动。 该岩石露头 位于磁异常的延伸方向上;与围岩的接触关系 显示其侵位方向可能为NW向;据中国科学院地质研究所陈海泓同志提供资料,该岩石样品的磁化率为2.910-4SI至9.010-4SI,量 级与反演结果相当。 因此,磁异常有可能是因深部碱性-超基性岩侵入而产生的。 此外,在Mirror半岛穿过薄层状含磁铁石英岩包体磁测时,磁场值曾强烈跃起,并沿水平方向快65南极研究(中文版)第8卷速衰减。 注意到Dalkoy岛附近F3背斜西翼很陡地压向Mirror半岛(Fitzsimonset al.,1991), F2背斜轴平面在本区中西部倾向S、SSE,而在东南部转为以80 倾向SW、SWW (St weet al.,1989)。 因此,在东南部含
