任强，张世红，侯明才
1.大陆漂移：地球表面的永恒舞蹈
你是否注意到南美洲东海岸与非洲西海岸的轮廓如同拼图般契合？这一奇妙现象背后，隐藏着地球演化的惊天秘密。1912年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）在病榻上凝视世界地图时，首次提出了震撼科学界的“大陆漂移学说”。他推测，约3亿年前地球上所有大陆曾连为一体，形成一个超级大陆——“盘古超大陆”，后因地球自转离心力和潮汐力逐渐分离，漂移至今日的位置（Wegener, 1915）。
魏格纳的假说并非空想。他发现，大西洋两岸的古老山脉（如阿巴拉契亚山脉与斯堪的纳维亚山脉）走向一致，巴西与南非的20亿年前岩石地层完美对应。更关键的证据来自古生物：二叠纪淡水爬行动物中龙（Mesosaurus）化石同时出现在南美洲和非洲，而该时期舌羊齿（Glossopteris）蕨类植物化石广泛分布于南半球各大陆（图1）——这些生物显然无法跨越浩瀚海洋。此外，印度南部发现的冰川遗迹与南极洲煤矿，暗示这些地区曾处于高纬度寒冷地带。
图1 盘古超大陆南部的冈瓦纳大陆的二叠纪古生物证据支持大陆漂移（Plummer et al., 2016）
魏格纳的大陆漂移学说不仅改写了地质学历史，更告诉我们研究大陆漂移历史是认识深时气候和生物多样性变化的重要途径。
2. 争议性假说：大陆漂移驱动华北早二叠世干旱化气候
在晚石炭世至早二叠世过渡期，盘古超大陆呈现出大规模干旱化趋势，其低纬度区域逐步向干旱环境过渡，导致热带雨林崩溃和气候敏感沉积物的显著变化，如由煤向蒸发岩和红层转变（图2；Scotese et al., 2021）。已有研究表明，这一气候转变与热带辐合带（Intertropical Convergence Zone）的不稳定性的纬向迁移密切相关，而这一不稳定性可能受到南方冈瓦纳大陆冰盖消融所导致的大气和海洋环流的影响（Tabor & Poulsen, 2008）。有趣的是，当盘古超大陆的大部分低纬度地区开始经历干旱气候时，漂移在特提斯洋内的微大陆却继续经历热带雨林气候（图2；Boucot et al., 2009, 2013）。这标志着低纬度盘古大陆和特提斯洋之间存在显著的气候差异。
图2 晚石炭世-早二叠世过渡期全球古地理重建与气候敏感沉积物分布（Boucot et al., 2009）
华北地块在该时期位于特提斯洋（Ren et al., 2022），在早二叠世亚丁斯克阶经历了从热带雨林到干旱环境的显著气候转变，该气候转变时间明显滞后于盘古超大陆内部干旱化出现的时间。
用于解释华北干旱化气候出现的假说主要有3个。
假说一：由于古亚洲洋的俯冲作用，华北板块北缘内蒙古古隆起隆升引发的雨影效应可能导致这一气候转变（Song et al., 2023）。雨影效应即山地迎风坡发生地形抬升降水时，其背风坡却因水汽不够饱和而干旱。沉积物源、古流向以及岩石学证据都揭示内蒙古古隆起隆升高度很大，足以产生显著的雨影效应。该假说虽能很好解释早二叠世以来隆升山脉南缘背风坡的持续干旱化现象，但无法解释山脉北缘迎风坡也发育同时期的干旱化红层沉积物。
假说二：全球大火成岩省（如Panjal和Tarim）排气作用使得大气二氧化碳分压上升和晚古生代大冰期消退，并导致中低纬度气候干旱化（Torsvik et al., 2008）。但是，该假说无法解释华北内部干旱化时空不均一性，即北部早于南部干旱。
假说三：华北的干旱化受控于早二叠世板块的北向漂移，即华北板块逐渐移动到更干旱的中纬度地区（Ziegler et al., 2003）。目前这种假说亟需定量的板块运动学数据支持。
为了研究华北板块漂移穿越干湿气候带分界导致华北干旱化的假说是否合理，验证早二叠世特提斯洋古气候分带模式是否稳定是首要关键。早二叠世漂移在特提斯洋之上的华北板块内部被干湿气候界面穿过，即北部主要为干旱的红层沉积，南部以湿润气候的煤层主要沉积（Boucot et al., 2013）。因此，定量该时期华北的古地理位置对于理解海洋气候带稳定性至关重要。众所周知，古地磁学是定量研究板块古地理位置的最有效工具。但是，华北早二叠世可靠的古地磁数据一直匮乏，限制了对其高分辨率古地理重建及气候转变机制的深入探讨。
3.高质量古地磁数据揭示大陆快速北移促使华北干旱化
研究团队对华北北缘四子王旗和赤峰地区多个火山-沉积地层（大红山组火山-沉积和青凤山组红层）开展了系统的古地磁学和年代学研究，获得了290 Ma和280 Ma两个高质量古地磁数据，从而精确重建了华北板块在早二叠世的古地理位置（Ren et al., 2025）。同时，结合全区域气候敏感沉积物的时空分布分析和蒙特卡洛模拟，成功追踪并描绘了290-280 Ma特提斯洋区域热带湿润与亚热带干旱气候带之间的界线（图3）。研究发现，这一气候分带界线与现代海洋气候分带模式一致，呈现出显著的纬向分布特征，并在早二叠世维持相对稳定。这一结果表明，与盘古大陆多变的气候模式相比，早二叠世海洋区域的气候稳定性更强。
图3 早二叠世全球古地理及气候重建（Ren et al., 2025）
在确定了海洋气候分带模式之后，古地磁数据计算表明，290-281 Ma期间华北板块经历了约10°的快速北向漂移（~10.2 cm/yr; 图4a），使其大部分陆地从热带湿润区漂移至亚热带干旱区（图3）。这一过程与由含煤层向红层的岩性转变高度吻合（图5）。这些结果表明，290-280 Ma的板块漂移是华北大面积干旱化的主要驱动因素。
图4 构造-气候-生物指标对比分析（Ren et al., 2025）
图5 华北全区晚石炭世-早二叠世地层序列对比（Ren et al., 2025）
4. 研究意义与展望
该研究首次基于高质量的古地磁数据，提出大陆漂移穿越不同气候带对区域气候会产生重要影响，并为深时海洋气候模式的认识提供了重要的古地理约束。这一成果不仅深化了对盘古超大陆全球气候格局的理解，也为研究古气候与构造活动的耦合机制提供了新视角。
本次研究发现不只是华北板块在早二叠世经历了快速北漂运动，特提斯洋构造域之上的多个微陆块（如华南、印支和羌塘地块）都经历了类似的北向快速运动。这些快速运动伴随着大量的区域岩浆喷发作用（图4c碎屑锆石峰值提示），其CO2排气作用所带来的温室气候效应可能是导致晚古生代大冰期崩溃（图4d）和低纬度地区生物多样性骤减（图4e）的重要原因。未来需要更多的定量数据研究晚古生代特提斯构造域乃至全球板块汇聚速率变化对于气候演化的影响。
本文第一作者系成都理工大学沉积地质研究院任强研究员，合作者有中国地质大学（北京）张世红教授、成都理工大学沉积地质研究院侯明才教授。
该成果发表在国际著名期刊《Nature Communications》：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55804-8。相关问题交流可通过邮箱renqiang@cdut.edu.cn联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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约稿：胡修棉
图文：任强，张世红，侯明才
