北大西洋开放与斯堪的纳维亚山脉的崛起

学术背景

斯堪的纳维亚山脉（Scandes）是欧洲北部的一个重要地貌特征，但其形成机制长期以来一直是一个谜。传统上，山脉的形成通常与板块的汇聚边界相关，然而斯堪的纳维亚山脉却位于远离任何活跃构造背景的区域。这一现象引发了科学家们的广泛兴趣，尤其是关于其高海拔地形的形成机制。尽管该地区最后一次大陆碰撞发生在约4.2亿年前的加里东造山运动（Caledonian Orogeny），而最后一次主要的地球动力学过程是约5500万年前北大西洋的开放，但这些事件与山脉的形成之间的关联尚不明确。

为了解释这一现象，研究人员提出了多种模型，包括冰岛地幔柱（Icelandic Plume）的动态支撑、下地壳的底侵作用（underplating）、下地壳的剥离（delamination）以及边缘驱动的对流（edge-driven convection）等。然而，这些模型的证据仍然不足，尤其是关于斯堪的纳维亚山脉的地壳和地幔结构的详细数据仍然缺乏。因此，本研究旨在通过地震接收函数分析（seismic receiver function analysis）揭示芬诺斯坎迪亚（Fennoscandia）地区的深部结构，从而为斯堪的纳维亚山脉的形成提供新的解释。

论文来源

本论文由Anna Makushkina、Benoit Tauzin、Meghan S. Miller、Hrvoje Tkalčić和Hans Thybo共同撰写。作者分别来自澳大利亚国立大学地球科学研究学院（Australian National University）、法国里昂大学（Université Claude Bernard Lyon 1）、中国地质科学院（Chinese Academy of Geological Sciences）、伊斯坦布尔技术大学（Istanbul Technical University）和中国地质大学（武汉）（China University of Geosciences, Wuhan）。论文于2024年10月15日在线发表在《Geology》期刊上，DOI为10.1130/G52735.1。

研究流程与结果

1. 数据收集与地震接收函数分析

研究团队首先收集了芬诺斯坎迪亚地区的宽带地震数据，包括最近获得的SCANarray数据集。通过这些数据，研究人员使用了接收函数（receiver functions, RFs）的共转换点叠加（common conversion point stacking, CCP stacking）技术，对该地区的深部结构进行了成像。接收函数分析是一种常用的地震学方法，能够揭示地壳和地幔界面的结构。

研究团队特别关注了S-to-P（S波到P波）和P-to-S（P波到S波）转换的接收函数（SRF和PRF）。尽管两种方法的结果基本一致，但SRF图像更清晰地显示了最深的地壳边界，因此研究主要基于SRF图像进行分析。

2. 芬诺斯坎迪亚的地壳结构

通过SRF分析，研究人员发现芬诺斯坎迪亚西部地区的地壳结构可以分为三个不同的块体：南部块体（约63°N以南）、中部块体（约63°N至67°N）和北部块体（约67°N以北）。每个块体都具有独特的地壳特征：

• 南部块体：地壳厚度约为30-45公里，结构相对简单，主要由元古代（Proterozoic）地体和造山带组成。
• 北部块体：地壳厚度约为40-45公里，具有明显的中地壳不连续面，主要由太古宙（Archean）地体组成，可能在古元古代（Paleoproterozoic）期间经历了改造。
• 中部块体：结构更为复杂，地壳厚度在25-60公里之间，显示出两个明显的不连续面（M1和M2）。M1位于约25-40公里深度，M2位于45-60公里深度。M2被认为是北部块体地壳的延续，可能代表了地壳的堆叠结构。

3. 地壳堆叠结构的形成机制

研究人员提出，中部块体的地壳堆叠结构可能是在元古代晚期的碰撞过程中形成的。这种堆叠结构可能是由于南部块体的地壳向北俯冲到北部块体的地壳之下，导致两个原始的地壳-地幔界面（M1和M2）得以保留。另一种解释是，堆叠地壳的顶部部分经历了榴辉岩化（eclogitization），从而形成了M1界面的强阻抗对比。

4. 北大西洋开放与地壳结构的关系

研究还发现，芬诺斯坎迪亚的地壳结构对北大西洋的开放过程产生了重要影响。中部块体的厚地壳结构可能在大陆分裂过程中形成了一个机械屏障，导致大陆分裂轴线的跳跃，并形成了两个主要的转换断层系统：Jan Mayen断裂带（Jan Mayen Fracture Zone）和De Geer大剪切系统（De Geer Megashear System）。这种结构控制了北大西洋的开放几何形态，并在大陆边缘形成了地壳阶梯（lithospheric steps）。

5. 边缘驱动对流与山脉的形成

研究进一步提出，南部和北部斯堪的纳维亚山脉的高地形可能与地壳阶梯处的边缘驱动对流（edge-driven convection）有关。这种对流机制在被动大陆边缘的陡峭地壳阶梯处产生了局部的上涌流，从而为地壳提供了额外的动态浮力，支持了山脉的隆起。相比之下，中部块体的宽大陆架区域由于地壳逐渐变薄，缺乏这种对流机制，因此地形相对较低。

结论与意义

本研究通过地震接收函数分析揭示了芬诺斯坎迪亚地区的深部地壳结构，并提出了一个全新的模型来解释斯堪的纳维亚山脉的形成。研究结果表明，斯堪的纳维亚山脉的高地形并非由地壳根（crustal root）支撑，而是由边缘驱动对流机制所驱动。这一发现不仅为斯堪的纳维亚山脉的形成提供了新的解释，还为全球其他被动大陆边缘的高地形形成机制提供了参考。

研究亮点

1. 新颖的地壳堆叠结构：研究首次揭示了芬诺斯坎迪亚中部块体的地壳堆叠结构，并提出了其形成的两种可能机制。
2. 边缘驱动对流的作用：研究首次将边缘驱动对流机制与斯堪的纳维亚山脉的形成联系起来，为被动大陆边缘的高地形形成提供了新的解释。
3. 北大西洋开放的控制因素：研究揭示了芬诺斯坎迪亚地壳结构对北大西洋开放过程的控制作用，为理解大陆分裂的几何形态提供了新的视角。

其他有价值的信息

研究还通过类比实验（analogue modeling）验证了厚地壳结构对大陆分裂过程的影响，进一步支持了研究结论。此外，研究团队还提供了详细的补充材料，包括更多的地震剖面图和数据分析方法，供其他研究人员参考。

本研究不仅解决了斯堪的纳维亚山脉形成的长期谜题，还为全球其他类似地貌的形成机制提供了重要的理论支持。