本研究通过分析南极陆架上的钻孔岩芯样本，揭示了始新世时期南极洲的地貌特征和冰川形成过程。研究发现，横贯南极山脉在始新世时期可能比现在更高，并且存在巨型河流系统。这一发现挑战了现有关于西南极洲冰川形成的理论，提出当时西南极洲是一个相对高耸的地区。研究还发现了火山活动与冰川形成之间的联系。
极星砂岩中含有火山岩碎片，其年代与玛丽伯德地火山区的火山喷发时间一致，表明火山活动与南极洲冰川形成之间存在关联。
南极洲是地球上最大的冰川大陆，其形成是一个复杂的过程，在最近发表在《科学进展》杂志上的论文中，研究人员通过分析南极陆架上的钻孔岩芯样本，获取了始新世的沉积物，发现其矿物成分和年龄与横贯南极山脉的岩石高度吻合。这表明，横贯南极山脉在始新世时期可能比现在更高，进而揭示了南极洲在4400万年前存在一个跨越西南极洲的巨型河流系统，长度超过1500公里。这一发现挑战了现有关于南极洲冰川形成的理论，此前普遍认为，西南极洲在当时是一个低洼的陆地，容易受到冰川的影响。
南极洲是地球上最大的冰川大陆，其冰川覆盖面积占全球冰川总面积的90%以上。南极洲冰川的形成是一个复杂的过程，涉及到地球气候变化、地质构造运动以及板块运动等多种因素。地球气候变化是南极洲冰川形成的重要影响因素之一。在过去几百万年中，地球经历了多次冰期和间冰期，这些气候波动导致南极洲的冰川面积发生周期性的变化。南极洲的地质构造运动也对冰川形成产生了重要影响。例如，横贯南极山脉（Transantarctic Mountains）的隆起，为冰川的形成提供了必要的地理条件。南极洲板块的运动，尤其是与其他大陆的碰撞和分离，对南极洲的气候和地貌也产生了深远的影响，从而影响了冰川的形成。图1. 西南极洲简图。该图展示了研究区域的冰下地形，包括主要地质单元和构造结构，以及提出的（示意图）始新世河流系统的位置。内嵌地图显示了该图在南极洲大陆上的位置。黑色方框代表图2中地图的位置。缩写：AP，南极半岛；At，阿德莱海沟；EWM，埃尔斯沃斯-惠特莫尔山脉；MBl，玛丽伯德地；MMR，莫菲山裂谷；NVL，北维多利亚地；PB，普利兹湾；TIB，瑟斯顿岛地块。与东南极洲相比，西南极洲冰川更不稳定，融化速度更快。这是因为西南极洲大部分地区位于海平面以下，并且存在着巨大的冰川通道，这些通道将冰川带入海洋，导致冰川融化加速。因此，了解西南极洲冰川的形成过程，对于理解南极洲的演化历史以及预测未来冰川变化趋势具有重要意义。图2. 阿蒙森海湾东部中陆架的交叉地震剖面图，地震特征表明在中晚始新世地震单元ASS-2中存在辫状河流或三角洲系统。
但是，南极洲大部分地区被冰川覆盖，缺乏裸露的岩石，难以进行地质调查，很难获得完整的冰川形成过程的地质记录。本研究通过对阿蒙森海陆架（Amundsen Sea shelf）上打捞的钻芯样本进行分析，这些样本中包含了始新世时期的沉积物，其中一层名为“极星”（Polarstern ）的砂岩，成为了他们解开西南极洲远古地貌的关键，获得了西南极洲在始新世时期地质演化的重要信息。图3. 钻探岩石地层记录、沉积物特征和粘土矿物学。(A) 岩芯照片、计算机断层扫描（CT）切片和CT图像，覆盖了晚白垩世深色泥岩（包含根系网络）和浅色极星砂岩之间的间断。(B) 钻探间隔的岩性，包括回收率（灰色和绿色阴影区域，用斜体标签标记岩芯ID）以及碎屑年代学样本位置（粗体数字）和流纹岩碎屑样本位置（黄色多边形）。(C) <2微米粒度的粘土矿物组成和砂岩粒度（砂、粉砂和粘土）。(D) <2毫米粒度的各种颗粒形状参数。(E) 地层学。也标出了区域不整合面ASS-u1。不整合面以上灰色的柱状图代表极星砂岩。缩写：Chl，绿泥石；Il，伊利石；Kao，高岭石；mbsf，海底以下深度（米）；M/S，泥/砂；Mst，泥岩；NR，无回收率；Sst，砂岩；Sm，蒙脱石。
研究人员对极星砂岩中的矿物进行了详细的分析，包括地质年代测定、热年代学分析以及同位素分析，以追踪到这些沉积物的来源，从而推断出当时西南极洲的地貌特征。图4. 极星砂岩中碎屑锆石和磷灰石的同位素和放射性年代数据。(A) 锆石Hf和磷灰石Nd同位素数据，与相应的U-Pb或AFT年龄作图。具有新生代U-Pb和裂变径迹年龄（绿色阴影区域）的碎屑锆石和磷灰石颗粒显示出年轻的Hf和Nd同位素特征。这些特征与发表的玛丽伯德地（MBl）火山省数据相似，该数据用于比较。黄色区域显示了极星砂岩中流纹岩砾石的锆石U-Pb年龄范围和相应的Hf值，与砂岩碎屑锆石数据重叠。同位素数据的不确定性范围是指2SE（2倍标准误差，代表ε单位的内部精度）。(B) 从文献中收集的MBl、瑟斯顿岛地块、埃尔斯沃斯-惠特莫尔山脉和横贯南极山脉的AFT数据，与极星砂岩中碎屑磷灰石的裂变径迹年龄进行比较。灰色阴影区域突出了AFT年龄范围，这些年龄范围在横贯南极山脉和埃尔斯沃斯-惠特莫尔山脉中很常见，但在MBl和瑟斯顿岛地块中不存在。研究发现，极星砂岩中的矿物成分和年龄，与横贯南极山脉的岩石非常吻合。横贯南极山脉是南极洲最大的山脉，该山脉将南极洲分为东南极洲与西南极洲，目前海拔高度超过4000米。研究人员推测，在始新世时期，横贯南极山脉的海拔高度可能比现在还要高，并且存在着大量的河流系统，将山脉中的水和沉积物带往西侧的阿蒙森海。图5. 极星砂岩中碎屑颗粒的地质年代学和同位素记录，与潜在的源区以及区域造山和岩浆事件进行比较。文中讨论的主要造山和岩浆事件用灰色条形图表示。同位素数据的不确定性范围为2SE。(A) 碎屑锆石颗粒的U-Pb年龄，与它们的εHf同位素特征作图。不同区域的同位素组成用彩色区域表示，这些区域是包络线。(B) 碎屑锆石、金红石和磷灰石颗粒的核密度函数。Y轴的刻度用颜色编码（红色代表锆石，青色代表磷灰石，深蓝色代表金红石）。这项发现推翻了之前关于西南极洲冰川形成的理论。一直以来，科学家认为，西南极洲在始新世时期已经是一个低洼的陆地，容易受到冰川的影响。然而，此次研究表明，西南极洲在当时可能是一个相对高耸的地区，并且拥有一个巨大的河流系统，长度超过1500公里。这说明在始新世时期，西南极洲的地貌特征与之前想象的截然不同，西南极洲的冰川形成过程可能比我们预期的要复杂得多。研究人员推测，西南极洲冰川的形成，可能与始新世后期全球气温下降和横贯南极山脉抬升有关。随着气温下降，南极洲的冰川面积开始扩大，最终覆盖了西南极洲大部分地区。图6. 始新世极星砂岩数据与不同源区和岩石类型的比较。(A) 极星砂岩中碎屑磷灰石在Sr/Y对LREE的支持向量机双变量图上作图。(B) 基于锆石Hf模型年龄的MDS图。(C) 基于AFT年龄的MDS图。缩写：Amu，玛丽伯德地的阿蒙森省（见图1）；EWM，埃尔斯沃斯-惠特莫尔山脉地块；Ross，玛丽伯德地的罗斯省（见图1）；TAM，横贯南极山脉；TIB，瑟斯顿岛地块。这项研究还揭示了西南极洲在始新世的另一项重要地质活动：火山爆发。研究人员发现，极星砂岩中含有火山岩碎片，其年代与玛丽伯德地火山区的火山喷发时间一致。玛丽伯德地(Marie Byrd land)火山区是世界上最大的火山区之一，其火山活动持续至今。图7. 西南极洲的白垩纪-新生代构造热学和景观演化。上图展示了古地理环境、地质剖面（Z到Z’）以及上地壳简化的演化地层剖面，其中钻探点PS104_20-2（黄色星号）代表了各个时间切片。下图展示了相关地质区域的代表性热历史。(A) 早白垩世：西南极洲与西兰大陆相连，形成冈瓦纳大陆的活动边缘，持续发生俯冲和造山运动。(B) 晚白垩世：俯冲停止，西南极洲处于被动边缘位置，南太平洋开始扩张，将西兰大陆与南极洲分离。(C) 晚白垩世至早古近纪：西南极洲经历相对构造平静期，形成了WAES（s）和区域性不整合面ASS-u1。(D) 中晚始新世：西南极洲裂谷系活跃，与横贯南极山脉隆起和火山活动相关。极星砂岩由一条大型跨大陆河流系统沉积。缩写：BST，本特利冰下沟；MBL，玛丽伯德地；MMR，莫菲山裂谷；TAM，横贯南极山脉；TIB，瑟斯顿岛地块；WANT，西南极洲；ZEA，西兰大陆。
火山活动、地貌变化以及河流系统的出现，都表明西南极洲在始新世时期经历了剧烈的构造活动，这种活动导致了南极洲板块的重新排列，并为冰川的形成创造了条件。这项研究不仅挑战了现有的冰川形成理论，也为了解南极洲的演化过程提供了新的视角。论文信息：Maximilian Zundel et al. , A large-scale transcontinental river system crossed West Antarctica during the Eocene. Sci. Adv. 10, eadn6056(2024). DOI:10.1126/sciadv.adn6056
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