加拿大科迪勒拉东南部下方的双层岩石圈地幔结构及其对造山带演化的启示

《Nature Communications》：Dual-layered mantle lithosphere beneath southeastern Canadian Cordillera

本研究针对加拿大西南部科迪勒拉-克拉通边界(CCB)的岩石圈结构长期存在争议的问题，通过S波接收函数(SRF)技术对地幔界面进行成像。研究揭示了在落基山沟(RMT)以西存在向西倾斜的界面，并首次发现科迪勒拉岩石圈下方存在劳伦西亚克拉通岩石圈，形成了独特的双层岩石圈结构。这一发现为西倾俯冲模型提供了有力证据，对理解北美西部构造演化具有重要意义。

　　

在雄伟的加拿大落基山脉西侧，隐藏着一个困扰地质学家数十年的谜团：古老而稳定的北美克拉通与年轻的科迪勒拉造山带是如何相遇的？这个被称为科迪勒拉-克拉通边界(CCB)的区域，代表着地球上最显著的岩石圈厚度变化之一，其地下结构一直存在激烈争议。

传统观点认为，科迪勒拉造山带的形成与潘萨拉西克洋向北美大陆西缘的向东俯冲有关。然而，近年来新的地球物理证据开始挑战这一"增生模型"，提出了一个完全相反的情景——可能是古老的北美克拉通向西俯冲到了科迪勒拉之下。这个问题的答案不仅关系到我们对北美西部地质历史的重新认识，也对理解全球造山带的形成机制具有重要启示。

为了解开这个谜团，阿尔伯塔大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新发现。他们利用覆盖加拿大西南部的107个宽频带地震台站的数据，采用先进的S波接收函数(SRF)技术，对地幔深处的界面进行了精细成像。这种方法特别适合探测岩石圈内部的波阻抗差异，能够提供比传统方法更清晰的地下结构图像。

研究团队主要采用了S波接收函数(SRF)分析技术，通过对来自USArray、CRANE和RAVEN等地震网络的波形数据进行处理，利用频率域水位反卷积方法提取S-to-p转换波。研究还采用了自助法(bootstrap resampling)进行不确定性评估，并使用PREM模型进行深度迁移。数据来源包括加拿大国家地震台网和IRIS数据管理中心提供的2000多个地震事件的记录。

科迪勒拉岩石圈-软流圈边界(CLAB)特征

研究发现在科迪勒拉东部地区，岩石圈-软流圈边界(CLAB)位于约75公里深度，这一结果与先前基于地热学和地球化学研究得出的60-85公里深度范围高度一致。CLAB表现为明显的负速度梯度，反映了科迪勒拉地区异常高的地幔温度（超过1200°C），比东部克拉通相同深度处的温度高出近400°C。

劳伦西亚岩石圈-软流圈边界(LLAB)结构

在克拉通区域，研究探测到了深度约207公里的LLAB，这一界面表现出强烈的转换振幅。特别值得注意的是，LLAB在空间上表现出系统性变化：从赫恩省下方的220公里逐渐变浅至布法罗头地体(BHT)下方的180公里。这种变化可能与古元古代的俯冲和岩浆活动导致的岩石圈改造有关。

科迪勒拉-克拉通过渡带特征

最为重要的发现是在RMT以西150公里范围内，存在一个向西倾斜约6°的CLAB界面。这一几何形态与白垩纪科迪勒拉造山作用模型高度吻合，支持了西部俯冲的假设。研究还发现，克拉通岩石圈的西缘向西延伸至RMT以西约320公里处，深度为165公里，明显浅于区域平均深度（220公里）。

西部LLAB与双层岩石圈结构

研究最具突破性的发现是揭示了科迪勒拉岩石圈下方存在劳伦西亚克拉通岩石圈，形成了独特的双层岩石圈架构。在RMT与东部山间带之间300-500公里宽的窗口内，科迪勒拉岩石圈（底部深度约75公里）直接覆盖在劳伦西亚岩石圈（底部深度约180公里）之上。

这一复杂结构的形成经历了漫长的地质演化过程：从新元古代的裂谷作用到劳伦西亚被动大陆边缘的形成；从泥盆纪到白垩纪科迪勒拉带状大陆的发展，到中白垩世通过向西俯冲使盆地闭合。约95Ma的碰撞后板片断离使得向西俯冲的大洋板片沉入深部地幔，留下了向西倾斜的劳伦西亚大陆岩石圈。

研究结论表明，北美克拉通西缘以约6°的角度向西倾斜，现今的形态主要受到中生代俯冲、板片断离和地幔对流的共同影响。在从RMT到山间带的窗口内，克拉通边缘显示出对流侵蚀和可能隆起的证据。这一发现为理解大陆碰撞边界的岩石圈叠置结构提供了现代实例，与青藏高原等地区的构造特征具有重要可比性。

该研究通过高分辨率地震成像技术，首次揭示了加拿大科迪勒拉东南部下方的双层岩石圈结构，为西倾俯冲模型提供了直接证据，对重新认识北美西部构造演化历史具有重要意义。这一成果不仅解决了长期存在的学术争议，也为全球类似造山带的研究提供了新的思路和方法借鉴。