山脈形成對大陸地殼增生，氣候變化，地球資源和生態系統平衡具有深遠的影響，因此有關造山作用的成因一直是被廣泛關注研究的地球科學問題。其中位於北美古陸塊（North American Craton）西側的科迪勒拉山脈(North American Cordillera)，北起阿拉斯加南至墨西哥長6400公里，經長期複雜的造山作用形成寬廣的造山帶，範圍涵蓋自西岸的大平洋海岸山脈（Pacific Coast Ranges）往東延伸到落磯山脈(Rocky Mountains)，佔北美大陸面積約三分之一。有關它的成因一直存在激烈的爭論，主要是源於增生(accretionary)和碰撞(collisional)兩種競爭的造山機制不同的主張。

關於加拿大西部境內的科迪勒拉山脈成因，較廣為流行的增生造山模型認為大部分科迪勒拉地層都位在北美古陸塊地殼基盤（basement）之上，底下地幔部分則與向東(陸地方向)傾斜增厚的古陸塊地幔岩石圈(mantle lithosphere)相鄰，兩者邊界的形態可能是最初張裂造成的大陸邊緣被破壞，之後​​經岩石圈拆層(delamination)作用(圖1a)或是熱對流侵蝕減薄重塑的結果(圖1b)。相反地，碰撞模型認為在造山前陸(orogenic foreland)存在白堊紀晚期(Late Cretaceous)最終碰撞的縫合線(suture)以及科迪勒拉與北美岩石圈的邊界，並且邊界可能仍保留當時向西俯衝的海洋板塊在碰撞擠壓斷裂後殘留於古陸塊邊緣向西傾斜的形態(圖1c)。從地質和古地磁的觀察推測地表縫合線大致沿著碳酸鹽岩-頁岩相（Carbonate-Shale (C-S) facies）的邊界，位於與造山帶平行的山谷洛磯山地溝（Rocky Mountain Trench，RMT）的正東側（圖2a）。雖然兩種模型都為加拿大科迪勒拉山脈形成提供地體構造的框架，但其隱含的深部構造與造山過程並不相同。要解開造山作用的爭議，科迪勒拉山脈-古陸塊邊界（Cordillera-Craton Boundary, CCB）的位置，性質和形態將是至為關鍵的線索。然而過去該地區的地球物理觀測資料因採樣密度和分辨率不足，對該邊界仍存有許多疑慮。

圖1.科迪勒拉山脈與北美古陸塊邊界(CCB)形成成因與造山作用模型。(a)和(b)的增生造山模型認為因(a)岩石圈拆層作用(delamination) 或是(b)小尺度對流引起地幔岩石圈熱侵蝕(thermal erosion)減薄而形成CCB。(c) 碰撞造山模型則主張北美古陸塊曾向西俯衝，外來的ribbon continent與古陸塊碰撞後形成科迪勒拉山脈，並造成古陸塊地幔岩石圈邊緣，即CCB向西傾斜。

為了釐清地幔岩石圈構造以及CCB的形貌，加拿大亞伯達大學(University of Alberta)和渥太華大學（University of Ottwa）研究團隊與臺灣大學地質科學系洪淑蕙教授合作，通過結合高解析度與準確性的有限頻震波速度層析成像(finite-frequency body-wave tomography)方法，地球動力學模擬與地質調查跨領域的研究，對CCB附近地幔構造和動力以及科迪勒拉造山成因提出新的證據觀點。此項研究利用覆蓋加拿大西部以及鄰近美國邊境的地震測站(圖2a)，將近十年所記錄到全球各地遠震的體波訊號進行分析，藉由量測不同頻率段P波和S波走時變化，以及有限頻波傳理論建立觀測走時與震波速度構造的物理關係，對測站底下地殼和上地幔震波速度進行掃描成像。

層析成像結果顯示在RMT東西兩側的上地幔分別存在顯著的高速和低速構造（圖2b），在科迪勒拉山脈底下的低速異常可延伸到300公里深，往東跨過C-S相邊界進入古陸塊的地幔岩石圈則急劇轉為高速異常，並且該高速體的西緣相當陡峭。由於CCB可視為山脈和古陸塊兩者溫度，組成與震波速等性質明顯差異的邊界，因此進一步根據側向速度變化梯度最大位置來定量決定CCB沿造山帶走向的幾何形態，發現在北緯49°到52°之間，CCB在150公里深度位於RMT西側40-50 公里處，並向西傾斜，到了52°N以北，邊界則變成近乎垂直，位於RMT正下方，再稍往北50公里距離之內則轉為向東傾斜（圖2b）。

由於溫度是控制上地幔震波速度變化的主要因素，根據在CCB兩側150公里深度所觀測到P和S波速度的差異分別為4.3%和7.0%，可計算出山脈到古陸塊底下地幔溫度降低200-300°C。科迪勒拉山脈的低速構造符合含水與近絕熱(near-adiabatic)的地幔溫度1200-1350°C，而高速的古陸塊地幔岩石圈溫度則為950-1100°C，相對虧損(depleted)成分的地幔溫度略微偏高。動力學模型指出若要維持古陸塊急劇陡峭的邊緣至少達1億萬年，除了溫度要低之外，岩石強度必須遠高於含水的橄欖石，因此成分乾燥且僅稍微虧損的地幔才能符合這些條件。在碰撞模型中，科迪勒拉山脈被視為是外來未聚集的絲帶大陸(ribbon continent)與北美大陸於晚白堊紀(Late Cretaceous)時碰撞的產物，暗示存在異地（即科迪勒拉山脈）和原生地幔（即古陸塊）碰撞的縫合帶，即CCB；並且古陸塊邊緣和CCB建立的年齡相對增生模型所建議的晚泥盆紀(Late Devonian)要更年輕，其演化至今的形態所需的時間也相對較短，少於一億年。

另外，碰撞模型亦能解釋由震波速度成像所觀察到CCB位置和形態從南到北的變化。CCB作為碰撞前緣，因古陸塊最前端向西俯衝海洋板塊的拉力向西移動，然而地表的縫合線則隨淺層地殼逆衝斷層褶皺帶(thrust-and-fold belt)的基盤滑脫面(basal décollement)往東移動，再加上RMT南段於始新世(Eocene)後正斷層以及區域性的伸張活動，導致此處的CCB相對地表縫合線往西淨偏移量約50公里，並往西傾斜。而52°N以北地區因RMT併入Tintina Fault（TF）系統，於始新世時期的活動為右移走向滑移, 因此此處科迪勒拉相對古陸塊位移以平行古陸塊邊緣方向為主，造成CCB變成接近垂直，位置和地表縫合線大致重疊。

圖2. (a) 加拿大西部地體構造圖和用於震波速度研究的測站分佈。(b) 研究區域底下400公里深度範圍內震波速度構造影像以及CCB位置和幾何形態。藍色代表高速，紅色代表低速異常。黑色虛線是根據最大震波速度側向變化梯度所描繪的Cordillera和Craton的邊界。

綜合以上研究，關於加拿大科迪勒拉山脈的成因，新的震波速度構造成像結果顯然更符合碰撞造山模型的推論，其中關鍵的證據包括（1）CCB至今仍保存完好陡峭西傾的形貌，其年齡必須相對年輕，少於1億年前形成；（2）從急劇的震波速度側向變化以及溫度和岩石圈厚度的差異，顯示科迪勒拉山脈和北美古陸塊地幔組成性質非常不同，因而形成兩者之間非常銳利的邊界; （3）由南到北岩石圈地幔縫合線(CCB)與地表縫合線（CDF）位置與CCB傾角的變化暗示北美大陸曾發生向西隱沒的事件。這項研究成果由亞伯達大學Yunfeng Chen 博士生，Yu Jeffrey Gu 教授，Claire A. Currie 教授，Stephen T. Johnson 教授，台灣大學洪淑蕙教授，加拿大地質調查所Andrew J. Schaffer研究員和渥太華大學Pascal Audet 副教授共同發表於2019年5月21日出版的自然期刊《自然通訊》(Nature Communications)(https://www.nature.com/articles/s41467-019-09804-8)。