原创    王玉冲  易治宇  

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地球的南极和北极是假想的地球自转轴与地球表面的两个交点，在南半球叫南极，在北半球叫北极。由于地球围绕着自转轴旋转，所以两极似乎应该是地球表面上两个不动的点。然而长期的观测发现，地球的两极在地表是不断缓慢移动的，这种行星自转轴相对于行星表面的整体性移动叫做“真极移”(图1；Gold,1955)。由于真极移会引发地球表面太阳辐射能量的重新分布，当大规模的真极移发生时全球环境将随之发生快速变化（图1）。

图1地球真极移及其气候效应示意图

地球产生真极移的原因在于地球不是理想的球体，其内部质量分布也不均一，地壳和地幔的质量中心会发生调整，主要由地幔对流、板块俯冲及冰川作用等因素引起。大规模的真极移通常与地球内部过程有着复杂的联系。真极移并不神秘，实际上它是我们正在经历的事情。观测结果显示，上个世纪地球的南北极移动了9.14米，相当于每年漂移大约10厘米，这个速度已经超过了现今板块平均运动速度。地球历史上存在过多次大规模真极移事件。例如，侏罗纪-早白垩世期间可能存在一次大约30°度的真极移事件（如Steinberger and Torsvik,2008;Kent and Irving,2010）。这一事件可能与现今的意大利、中东和美国南部地区侏罗-白垩纪的环境变化密切相关，并最终导致世界上最大的油气区（波斯湾和墨西哥湾油气区）一些关键油田的形成（Muttoni and Kent,2016）。

图2中东亚地区侏罗纪大干旱事件（Yi et al.,2019）

中国大部分地区在中、晚侏罗世期间经历了一次剧烈的干旱化过程（图2）。根据沉积记录，中亚和东亚地区在早-中侏罗世普遍出现了含煤、含铝的粘土岩系以及含菱铁矿的岩石，这表明这些地区当时处于温暖湿润的气候环境；而到了晚侏罗世-早白垩世，这些地区则出现了河流-湖泊相含石膏的碎屑红层以及干湖-河流-风成环境的沉积组合，共同指示酷热干燥的气候环境（图2）。也就是说，从侏罗纪早期到晚期，中-东亚地区的古地理与古气候发生了巨大的反转。在东亚古环境演化史上，这次干旱化可以说是一次划时代的事件，奠定了晚中生代以来该地区的古气候格局。从此之后，东亚地区长期延续着行星风系下以干旱为主旋律的气候特征，直到晚新生代东亚季风形成。

那么，东亚侏罗纪突然剧烈变干具体是什么时候发生的？影响范围有多大？背后的原因又是什么呢？这些问题长期以来一直没有令人满意的答案，于是就成为了一个谜。有的古气候学家，比如我国学者陈丕基（1997）、美国学者Arthur Boucot（2009）猜测在当时的东亚大陆的边缘，分布着一条长长的、类似于现今安第斯山的山链，从俄罗斯的远东地区一直延伸到菲律宾，这一假想的高山阻隔了太平洋吹往亚洲内陆的水汽（也就是所谓的“雨影效应”），导致了东亚地区的突然变干；而另一些学者则倾向于认为是盘古超级大陆在晚侏罗世的裂解，导致原先发育在超大陆上的巨型季风系统（Mega monsoon）逐渐消亡，从而引起巨量季风降水的终止，最终导致了东亚侏罗纪环境剧变（Parrish,1993）。然而，到目前为止，以上两种观点都缺乏足够的地质证据。为解决这一难题，中国地质调查局地质研究所易治宇副研究员（现为中山大学副教授）、柳永清研究员与美国佛罗里达大学Joseph Meert教授合作，对东亚地区的沉积记录进行了总结，同时还对华北侏罗纪期间的火山岩进行了系统的古地磁和同位素定年研究。

古地磁方法是一种利用地球古磁场的岩石记录来定量恢复板块古地理位置的方法，而火山岩一方面可以方便地测定年龄，一方面又是地球磁场的忠实记录员，因此是解答这一疑惑的最佳咨询对象。河北北部、辽宁地区南大岭组（约1.68亿年-1.80亿年前）及髫髻山组（约1.53亿年-1.61亿年前）火山岩的古地磁结果表明，华北地块在约1.74亿年至1.57亿年期间发生了约2800公里向南的漂移（如果将北京作为参考点的话，相当于当时的纬度由大约北纬62°漂移至北纬36°），东亚地区（包括华北、华南、塔里木、蒙古、羌塘、柴达木这些小块体）相应地由大约北纬40°-65°漂移至北纬10°-35°（图3）。地球的古环境演化信息同样被记录在远古的岩石之中。与古地磁记录不同的是，古环境信息的忠实记录员是沉积岩。侏罗纪期间东亚地区一个个海盆和陆盆中的沉积岩就像一页页的书本，将东亚的远古时代的环境变化记录在案。通过分析和对比这些沉积记录，研究人员进一步明确了前面所讲的东亚侏罗纪干旱化事件发生的时代为约1.65亿年-1.55亿年前，影响范围超过一千万平方公里，波及到中亚和伊朗等地区。作者将这一事件称之为“侏罗纪东亚大干旱化事件”（“Great Jurassic East Asian Aridification”，图2）。由于东亚地区快速向南漂移的时间（约1.74亿年到1.57亿年前）与东亚突然干旱化的发生时间（约1.65亿年到1.55亿年前）基本上是一致的，并且东亚地区这种由湿变干的环境变化也与东亚地区由温带湿润带向热带/副热带干旱带迁移的过程完全匹配，研究人员认为是板块水平运动驱动了东亚地区侏罗纪古环境的变迁（图3）。

侏罗纪至早白垩世期间，欧亚、北美、南美、非洲都记录了一次快速、同步的板块运动。通过全球古地磁数据对比，研究人员进一步揭示华北地区观察到的板块运动可与上述大陆的运动进行对比。这种板块运动不同于我们通常理解的板块的相对运动，而是可以用一个简单的全球旋转来统一描述。经数据拟合，这一旋转运动的中心位于赤道非洲的西部，旋转幅度大约为顺时针30°。这里我们可以看到，这种运动的特征符合我们前面所讲的真极移的定义。因此，侏罗纪华北地块匪夷所思的大规模南向运动很可能是全球真极移的一部分（图3），由此，作者提出真极移很可能是驱动东亚侏罗纪剧烈干旱化的根本原因。

图3侏罗纪-早白垩世真极移（TPW）驱动东亚环境变迁（Yi et al.,2019），左图是全球板块在174Ma（1.74亿年）和157Ma（1.57亿年）的重建对比图，显示东亚地区在此期间发生了大幅度的南向移动；右图是全球板块在157Ma（1.57亿年）和130Ma（1.3亿年）的重建对比图，东亚地区在此期间发生了一定的北向移动；五角星代表燕辽地区（燕辽生物群和热河生物群的主要埋藏地区），箭头代表真极移和板块运动方向。

然而，我们进一步缩小聚光灯去看，真极移的故事还远没有结束。现有的真极移模型认为侏罗纪-早白垩世的真极移实际上由两部分组成，两次真极移的旋转中心都在赤道非洲的西部，在第一次30°左右顺时针的真极移之后，还存在第二次10°左右逆时针的真极移事件（Kent and Irving,2010），这也得到华北地区古地磁数据的支持。中侏罗世至早白垩世期间，燕辽地区非常完美地保存了两个生物群的化石，即著名的燕辽生物群和热河生物群。这里发现了长有美丽羽毛的恐龙、最早的开花植物等，曾因此多次登顶世界顶级科学杂志，惊艳了无数的读者。而这些生物群的兴衰无疑与燕辽地区古环境变迁历史密切相关。如前面所讲，第一次真极移事件（约1.74亿年到1.57亿年前）导致东亚地区整体上由温带湿润带进入热带/亚热带干旱带，这一时间节点与燕辽生物群的消亡时间（约1.6亿年到1.55亿年前）一致；而第二次真极移事件（大约发生在1.45亿年到1.20亿年前）导致东亚地区反向向北发生10°左右的北向漂移，使得晚侏罗世处于干湿气候带交界处的燕辽地区再次进入温带湿润区，这一古地理位置的变化为热河生物群在大约1.3亿年到1.2亿年之前的重新兴起创造了有利的环境条件（图3）。

东亚地区的侏罗-白垩系为我们提供了一个探索地球内部过程如何驱动全球环境和生物演化的绝佳窗口。以上研究同时也表明，以往看到的晚中生代气候变化的信号，实际上很大部分可能只是板块移动的结果，这一点对于理解晚中生代全球变化尤其重要。因此，这一研究对于理解侏罗、白垩纪期间全球古环境、古生物演化及其深部驱动机制具有重要的科学意义，同时对巨量煤炭、蒸发盐资源的形成、演化和分布等全球尺度的研究、预测又具有重要的经济价值。

本文第一作者王玉冲系中国地质科学院地质研究所博士生；第二作者易治宇系中山大学副教授。

本文属作者本人理解，欲知更多详情，请进一步阅读相关原始文献。

主要参考文献

【1】Yi, Z., Liu, Y., and Meert, J.G., 2019, A true polar wander trigger for the Great Jurassic East Asian Aridification: Geology, 47（12）, p. 1112-1116, https://doi .org/10.1130/G46641.1. 

【2】Boucot, A.J., Chen, X., Scotese, C.R., and Fan, J.X., 2009, Phanerozoic Paleoclimate: An Atlas of Lithologic Indicators of Climate. (Science Press, Beijing, ed. 1), p. 90-102.

【3】Gold, T., 1955, Instability of the Earth’s axis of rotation: Nature, v. 175, p. 526–529, https://doi .org/10.1038/175526a0. 

【4】Judith T. P., 1993, Climate of the supercontinent pangea. Journal of Geology, 101(2), 215-233. 

【5】Kent, D.V., and Irving, E., 2010, Influence of inclination error in sedimentary rocks on the Triassic and Jurassic apparent polar wander path for North America and implications Cordilleran tectonics: Journal of Geophysical Research, v. 115, B10103, https://doi .org/10.1029/2009JB007205. 

【6】Steinberger, B., and Torsvik, T.H., 2008, Absolute plate motions and true polar wander in the absence of hotspot tracks: Nature, v. 452, p. 620– 623, https://doi .org/10.1038/nature06824.

【7】陈丕基.1997.晚白垩世中国东南沿岸山系与中南地区的沙漠和盐湖化[J].地层学杂志(3):44-54.