北大西洋の開裂とスカンディナビア山脈の隆起

学術的背景

スカンディナビア山脈（Scandes）は、ヨーロッパ北部の重要な地形特徴であるが、その形成メカニズムは長い間謎とされてきた。伝統的に、山脈の形成はプレートの収束境界に関連していると考えられてきたが、スカンディナビア山脈は活発なテクトニック背景から遠く離れた場所に位置している。この現象は、特にその高標高地形の形成メカニズムについて、科学者たちの広範な関心を引き起こしてきた。この地域で最後の大陸衝突は約4億2000万年前のカレドニア造山運動（Caledonian Orogeny）に起こり、最後の主要な地球力学的プロセスは約5500万年前の北大西洋の開裂であったが、これらのイベントと山脈の形成との関連はまだ明確ではない。

この現象を説明するために、研究者たちはアイスランドのマントルプルーム（Icelandic Plume）の動的サポート、下部地殻の底盤作用（underplating）、下部地殻の剥離（delamination）、およびエッジ駆動対流（edge-driven convection）など、さまざまなモデルを提案してきた。しかし、これらのモデルの証拠はまだ不十分であり、特にスカンディナビア山脈の地殻とマントル構造の詳細なデータが不足している。したがって、本研究は地震受信関数分析（seismic receiver function analysis）を用いて、フェノスカンジア（Fennoscandia）地域の深部構造を明らかにし、スカンディナビア山脈の形成に新しい解釈を提供することを目的としている。

論文の出所

本論文は、Anna Makushkina、Benoit Tauzin、Meghan S. Miller、Hrvoje Tkalčić、およびHans Thyboによって共同執筆された。著者らは、オーストラリア国立大学地球科学研究学院（Australian National University）、フランスのリヨン大学（Université Claude Bernard Lyon 1）、中国地質科学院（Chinese Academy of Geological Sciences）、イスタンブール工科大学（Istanbul Technical University）、および中国地質大学（武漢）（China University of Geosciences, Wuhan）に所属している。論文は2024年10月15日に『Geology』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1130/G52735.1である。

研究のプロセスと結果

1. データ収集と地震受信関数分析

研究チームはまず、フェノスカンジア地域の広帯域地震データを収集し、最近取得されたSCANarrayデータセットを含めた。これらのデータを用いて、研究者たちは受信関数（receiver functions, RFs）の共変換点スタッキング（common conversion point stacking, CCP stacking）技術を使用し、この地域の深部構造を画像化した。受信関数分析は、地殻とマントル界面の構造を明らかにするために一般的に使用される地震学的手法である。

研究チームは特に、S-to-P（S波からP波）およびP-to-S（P波からS波）変換の受信関数（SRFとPRF）に注目した。両方の方法の結果は基本的に一致しているが、SRF画像は最深の地殻境界をより明確に示しているため、研究は主にSRF画像に基づいて分析を行った。

2. フェノスカンジアの地殻構造

SRF分析を通じて、研究者たちはフェノスカンジア西部地域の地殻構造が3つの異なるブロックに分かれることを発見した：南部ブロック（約63°N以南）、中部ブロック（約63°Nから67°N）、および北部ブロック（約67°N以北）。各ブロックは独特の地殻特徴を持っている：

• 南部ブロック：地殻の厚さは約30-45キロメートルで、構造は比較的単純であり、主に原生代（Proterozoic）の地体と造山帯で構成されている。
• 北部ブロック：地殻の厚さは約40-45キロメートルで、明瞭な中地殻不連続面を持ち、主に太古代（Archean）の地体で構成されており、古原生代（Paleoproterozoic）に改造された可能性がある。
• 中部ブロック：構造はより複雑で、地殻の厚さは25-60キロメートルの範囲にあり、2つの明瞭な不連続面（M1とM2）を示している。M1は約25-40キロメートルの深さに位置し、M2は45-60キロメートルの深さに位置する。M2は北部ブロックの地殻の継続であると考えられ、地殻の積層構造を表している可能性がある。

3. 地殻積層構造の形成メカニズム

研究者たちは、中部ブロックの地殻積層構造は原生代後期の衝突プロセス中に形成された可能性があると提案している。この積層構造は、南部ブロックの地殻が北部ブロックの地殻の下に沈み込むことによって、2つの元の地殻-マントル界面（M1とM2）が保存された結果である可能性がある。別の説明として、積層地殻の上部がエクロジャイト化（eclogitization）を経験し、M1界面の強いインピーダンスコントラストを形成した可能性がある。

4. 北大西洋の開裂と地殻構造の関係

研究はまた、フェノスカンジアの地殻構造が北大西洋の開裂プロセスに重要な影響を与えたことを発見した。中部ブロックの厚い地殻構造は、大陸分裂プロセス中に機械的な障壁として機能し、大陸分裂軸のジャンプを引き起こし、2つの主要なトランスフォーム断層システム、Jan Mayen断裂帯（Jan Mayen Fracture Zone）とDe Geer大剪断システム（De Geer Megashear System）を形成した。この構造は北大西洋の開裂の幾何学的形態を制御し、大陸縁辺部に地殻ステップ（lithospheric steps）を形成した。

5. エッジ駆動対流と山脈の形成

研究はさらに、南部および北部スカンディナビア山脈の高地形は、地殻ステップにおけるエッジ駆動対流（edge-driven convection）に関連している可能性があると提案している。この対流メカニズムは、受動的大陸縁辺部の急峻な地殻ステップにおいて局所的な上昇流を生成し、地殻に追加の動的浮力を提供することで、山脈の隆起を支持している。一方、中部ブロックの広い大陸棚地域は地殻が徐々に薄くなるため、この対流メカニズムが欠如しており、地形が比較的低くなっている。

結論と意義

本研究は、地震受信関数分析を通じてフェノスカンジア地域の深部地殻構造を明らかにし、スカンディナビア山脈の形成に新しいモデルを提案した。研究結果は、スカンディナビア山脈の高地形が地殻根（crustal root）によって支えられているのではなく、エッジ駆動対流メカニズムによって駆動されていることを示している。この発見は、スカンディナビア山脈の形成に新しい解釈を提供するだけでなく、世界中の他の受動的大陸縁辺部の高地形形成メカニズムにも参考となる。

研究のハイライト

1. 新しい地殻積層構造：研究は初めてフェノスカンジア中部ブロックの地殻積層構造を明らかにし、その形成の2つの可能なメカニズムを提案した。
2. エッジ駆動対流の役割：研究は初めてエッジ駆動対流メカニズムをスカンディナビア山脈の形成に関連付け、受動的大陸縁辺部の高地形形成に新しい解釈を提供した。
3. 北大西洋開裂の制御要因：研究はフェノスカンジアの地殻構造が北大西洋開裂プロセスを制御することを明らかにし、大陸分裂の幾何学的形態を理解するための新しい視点を提供した。

その他の価値ある情報

研究はまた、アナログ実験（analogue modeling）を通じて厚い地殻構造が大陸分裂プロセスに及ぼす影響を検証し、研究結果をさらに支持した。さらに、研究チームは他の研究者が参照できるように、詳細な補足資料（追加の地震断面図やデータ分析方法を含む）を提供している。

本研究は、スカンディナビア山脈形成の長年の謎を解決するだけでなく、世界中の他の類似地形の形成メカニズムに重要な理論的サポートを提供している。