综述：东南极洲伊丽莎白公主地地区地热热流情况

《Earth-Science Reviews》：Geothermal heat flow in the Princess Elizabeth Land sector, East Antarctica

南极地热热流与冰盖稳定性关系研究，针对 Princess Elizabeth Land (PEL) 地区复杂地质特征，通过整合古地质构造与全球构造类比，揭示当前地热模型低估区域高热流分布的成因，强调 crustal thinning、orogenic belts 和 mantle heat contributions 对冰层底部摩擦及消融的关键影响。

　　

作者：Devsamridhi Arora、Naresh Chandra Pant、Tobias St?l、Aditya Naik、Mayuri Pandey、Rashmi Gupta

印度卡拉格普尔印度理工学院地质与地球物理系

摘要

由于厚厚的冰层覆盖和有限的直接观测数据，南极东部的冰下地质特征研究仍然面临重大挑战。地热流是影响冰盖动力学和基底融化的关键参数，目前主要通过从地球物理数据间接建模热属性来推断其值。现有模型在地质复杂性较高的区域（如裂谷边缘、造山带和重新构造的克拉通）对地热流变化的表征能力有限，这给冰盖模型带来了不确定性，并影响了对冰层行为和长期稳定性的预测。本文以伊丽莎白公主地（Princess Elizabeth Land, PEL）为例，该地区冰流速率变化大且地质结构复杂。我们将已知的冰下水文特征与PEL地区的详细地质重建相结合，将其地质特征与全球类似构造进行比较，以识别地幔热源和地壳不均匀性可能被低估的区域。通过这种方法，我们确定了潜在的高热流区域。我们的研究结果强调了纳入详细地壳结构和地壳对地幔热贡献的构造控制的重要性，以提高冰下地热估算的准确性。这篇定性综述提倡采用更基于地质学的方法，这对于精确量化南极地热流和优化冰盖模型至关重要。

引言

南极东部被厚厚的冰层覆盖，其厚度超过52米海平面等效值（Morlighem等人，2020年）。冰盖位于地质结构复杂的陆地上，对其冰下地质框架的探测机会很少。全球变暖正在导致南极发生不可预测的变化（Abram等人，2025年），而南极东部冰盖（EAIS）有可能对全球海平面上升产生重大影响，对沿海社区构成严重威胁。这些风险促使人们研究冰盖的脆弱性及其对各种关键因素的敏感性（例如Abram等人，2025年）。尽管长期以来人们认为EAIS比南极西部或格陵兰冰盖更稳定，但最新研究表明，在上一个间冰期，EAIS的融化是海平面上升的主要贡献者（Pingree等人，2011年；Pandey等人，2018年）。 在EAIS下方已经绘制出了水道和湖泊的地图（Rignot等人，2011年；Wright和Siegert，2012年；Livingstone等人，2022年），最新模型显示存在一个由相互连接的峡谷和湖泊组成的冰下排水系统（Jamieson等人，2016年：图1a；Cui等人，2020a：图1a）。冰下融化通过减少基底摩擦来促进冰盖运动。较高的地热流增强了这种润滑效应，改变了上层冰的流变特性，可能加速冰层损失（Dow等人，2022年；McCormack等人，2022年）。定义地热流分布的因素可以是岩石学上的，例如地壳中放射性元素的贡献（Carson等人，2014年），也可以是结构上的和瞬态的，涉及由于构造过程而产生的地幔热量（Basantaray和Mandal，2022年）。 伊丽莎白公主地（PEL）是一个地质和冰川学上都十分复杂的区域，对于理解气候变化背景下的南极东部冰下地质和冰盖稳定性至关重要。在本研究中，“伊丽莎白公主地研究区”包括了东侧的玛丽女王地（Queen Mary Land）和西侧的麦克罗伯逊地（Mac Robertson Land），重点关注阿默里-兰伯特冰川系统（Amery–Lambert Glacier），这是世界上最大的冰川之一，其靠近海岸处的流动汇聚和加速现象非常显著（Rignot等人，2011年）。 从地质学角度来看，PEL包含具有印度和澳大利亚大陆特征的冈瓦纳地块（Gondwana blocks）。据报道，沿海地区的地壳变薄（Bo等人，2019年；Li等人，2021年）使该地区特别容易受到地热流的影响。内部地区有被冰覆盖的甘布尔采夫冰下山脉（Gamburtsev Subglacial Mountains, GSMs；图1b和2），这是世界上了解最少的区域之一，只能通过潜在场模式、地震观测和远处冰川沉积物的研究等间接方法来了解（Gupta等人，2024年）。 目前用于冰盖建模的地热流（GHF）地图是基于地球物理数据生成的，通常分辨率较低且覆盖范围不均匀（Reading等人，2022年）。然而，该地区的地质研究结合了露头数据、冰碛岩岩相学、海洋沉积物和地球物理代用指标（Arora等人，2020年；Sadiq等人，2021年；Cui等人，2020a年；Gupta等人，2021年、2022年、2024年；Li等人，2021年；Naik等人，2023年），揭示了显著的地质不均匀性。现有的GHF模型无法充分反映PEL地区的地质复杂性和冰层损失情况（St?l等人，2024年），其中高基底温度不均匀性使得冰盖对气候变化极为敏感（Abram等人，2025年）。 本研究将定性的地质理解与基于构造重建和现有GHF调查得出的结论相结合，将冰下地质和水文特征与地热流联系起来并加以细化。我们指出了地质观测与当前地球物理模型之间的关键差异，并从地质学角度以及与类似构造环境的比较中识别出潜在的高地热流区域。

部分内容摘录

原理：地壳和地幔的热量

地壳中的表面热流（q₀）来源于两个来源：（1）来自莫霍面（Moho boundary）下方地幔的基底热流（q_m），以及（2）由于地壳中产生热量的元素（HPEs）的放射性衰变而产生的热流（q_c），这些元素包括钍、铀和钾（Turcotte和Schubert，2014年）。 地幔成分q_m通常被认为在稳定的地质区域内是相对均匀的，其热流范围在12至18毫瓦/平方米（mW/m²）之间。

GHF模型之间的差异

现有的GHF研究使用了多种地球物理技术来探测地壳和岩石圈的热结构（表S1）。由于方法论和数据上的局限性，GHF模型的预测结果存在较大差异（Burton-Johnson等人，2020年；Reading等人，2022年）。PEL地区的GHF估计值在30至100毫瓦/平方米（mW/m²）之间，局部地区由于地质不均匀性而观察到更高的热流值。虽然新的技术和更高分辨率的数据改善了空间细节，但仍存在显著差异。

伊丽莎白公主地的地质特征决定了地热流的分布

通过与已建立的构造类比进行关联，可以理解与地质特征相关的地热流（Davies和Davies，2010年；St?l等人，2021年）。 PEL地区包含太古代-古元古代的地块以及多个新元古代造山带，这些构造被相互连接的裂谷系统所切割（图1b和4）。由于证据稀少以及后来冈瓦纳事件的叠加，前冈瓦纳造山带难以界定。至少有三个泛非洲造山带（Pan-African orogenic belts）

PEL地区的预期地热流

PEL地区的GHF分布预计会非常不稳定，反映了该地区的复杂地质结构。包括古老克拉通块、裂谷系统和造山带在内的多种构造特征对热状态有不同的影响。与过去裂谷作用、地壳变薄或高放射性热产生相关的区域将表现出较高的热流。根据对PEL地区的构造理解，我们预计兰伯特裂谷（Lambert Rift）的热流会较高。

结论与未来方向

南极冰盖的稳定性取决于对边界条件的准确理解，其中GHF是一个关键但尚未得到充分研究的因素。一个常被忽视的因素是地壳与地幔热贡献的比例，这受到构造历史的影响，特别是地壳的变薄或增厚。聚焦PEL地区的地质不均匀性，我们认为其GHF最好通过与印度冈瓦纳对应地块的构造类比来进行解释。

未引用的参考文献

Artemieva, 2006 Li和Aitken, 2023

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Devsamridhi Arora报告称获得了南极研究科学委员会（Scientific Committee on Antarctic Research）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“南极研究科学委员会（SCAR）南极不稳定性与阈值项目（INSTANT）”的支持，并为印度主导的“阿默里冰架（Amery Ice Shelf）地质勘探（GeoEAIS）”计划做出了贡献，该计划由国家极地与海洋研究中心（NCPOR）管理。此外还得到了澳大利亚研究委员会（Australian Research Council）的支持，包括ARC DP190100418项目、ARC特别研究计划（ARC Special Research Initiative）以及澳大利亚南极科学卓越中心（Australian Centre for Excellence in Antarctic Science）的支持（项目编号未提供）。