Science：四极正交型海面波动揭示地质历史时期快速真极移的存在

地球在自转过程中倾向于使其最大转动惯量轴与自转轴保持一致，从而在角动量恒定的条件下，使旋转能量最小化。当地表或地幔动力过程引起地球内部或表面的质量重新分布时，惯性张量会受到影响，地球会通过改变地壳和地幔相对位置，以恢复这种轴向一致的状态，这一过程就是真极移事件。真极移表现为地幔与地壳沿着核幔边界相对于液态外核发生快速旋转过程（图1）。由于真极移引发的是地幔和地壳的整体转动，因此基本不会影响板块相对位置，但真极移会对气候、生物以及地球发电机产生深远的影响。

图1 真极移示意图（据Evans, 2003）

根据卫星观测，现今真极移的速度约为10厘米每年，但是地质历史时期的真极移一直存在争议。真极移的传统研究是通过对比古地磁结果和在热点参考系下的板块运动。因为古地磁结果反应的是板块运动和真极移运动二者的矢量和，而热点数据被认为只反映板块运动，它们的差值可以定量化的推算出真极移。然而，最老的热点轨迹是120 Ma，而岩石圈各板块的古地磁结果则覆盖众多老于120 Ma的地质历史时期，因此无法推算出120 Ma以前的真极移。另外，也有研究认为热点轨迹还包括其自身的运动，因此该方法算出的真极移速率和模式也存在一定的争议。除此之外，也有研究是通过多个板块连续的古地磁数据来恢复真极移的过程，特别是中-新生代时期的真极移研究。但是这些结果都完全依赖于古地磁记录，迫切需要一种独立于古地磁的证据来研究地质历史时期真极移存在和影响。

为了寻找真极移的其它证据，挪威奥斯陆大学的Mathew Domeier 及其研究团队将目光从传统的古地磁记录转向古地理重建，尝试从全球海平面变化的空间差异中，辨认地球整体运动留下的痕迹。因为地球自转产生了赤道鼓、两极扁的椭球形态（图1），发生真极移时，固体地球相对于自转轴改变方位，原有的赤道隆起也随之偏移。但是，固体地球具有黏性和弹性，无法立即调整到新的平衡形态，而海水的响应却迅速得多。这种响应速度的差异，会形成具有规律的海平面变化：向真极移旋转轴所在平面移动的地区发生海侵，远离真极移旋转轴所在平面移动的地区发生海退。在全球尺度上，两类变化交替分布，形成两个海侵区与两个海退区构成的“四极型”格局（图2）。作者以“四极型”特征为导向，分析了过去3.2亿年、以1000万年为间隔的大陆淹没古地理重建图。通过比较相邻时刻的古地理重建图，他们识别出大陆上发生海侵和海退的区域，再利用统计反演检验这些变化是否符合真极移的预期格局，并估计相应的旋转轴位置。

图2 真极移引起的海平面变化格局。（A）地球剖面示意图，展示真极移事件期间固体地球暂态赤道隆起相对于参考大地水准面的位移。（B）二阶一度球谐函数的归一化响应；黑色标示响应为零的平面

结果显示在200-190 Ma、150-140 Ma、100-90 Ma和30-20 Ma期间有明显的真极移信号（图3）。其中晚侏罗世—早白垩世（距今1.5亿至1.4亿年）的证据最强：南美洲、南极洲和东亚发生海侵，北美洲西南部、西欧和澳大利亚东部发生海退（图4），构成显著的四极型格局。反演得到的旋转轴和事件时间也与综合板块运动研究吻合；不过，旋转方向与部分研究提出的侏罗纪真极移“回摆”阶段相反。因此，此结果无法直接支持。白垩纪中期（距今1亿至9000万年）同样获得较强支持：南美洲、西非及非洲南部、东亚以海退为主，北美洲和欧洲则发生海侵，模型显示真极移贡献占主导，旋转轴也接近古地磁数据的结果（图4）。主要问题在于年代：该时段与此前提出的距今1.1亿至1亿年及约8400万年的真极移事件并不完全重合。作者认为年代不确定性可能造成偏差，同时指出，该时期的振荡真极移事件对此结果也可能存在影响。相比之下，渐新世—中新世（距今3000万至2000万年）的证据较弱，虽然反演轴位置和旋转方向与之前的认识一致（图4），但其拟合质量在四次结果中最差，真极移相对于全球性海平面变化的贡献也最小，只能提示一次有待验证的快速事件。早侏罗世（距今2亿至1.9亿年）的可靠性最低：盘古大陆南部海退、北部海侵的分布虽然达到统计显著水平，但仅属边缘显著，整体拟合较差，旋转轴又与古地磁方法估计的结果明显不同（图4），作者因此倾向于将其视为可能的偶然结果。

图3 过去3.2亿年真极移对海平面变化贡献的估计。（A）各时段最佳拟合真极移模型的对数似然比，以及通过置换检验确定的显著性阈值（详见原文）。达到统计显著水平的时段以圆圈和灰色竖带标示。（B）全球性海平面变化（α）和真极移（β）对观测海平面变化的贡献大小。（C—F）检测到显著真极移贡献的四个时段的完整反演结果。各图展示了每个候选真极移旋转轴经度对应的参数估计值（α、β）和对数似然比。浅蓝色线表示置换检验结果的95%阈值，用作判断统计显著性的临界值

图4 过去3.2亿年的真极移推断结果。（A）通过参考系差分法、运动学板块模型中全球综合运动的残差，以及古地磁极对比估算的真极移速率。（B）估算的真极移旋转轴经度，颜色表示旋转方向。大圆点和小圆点分别表示达到和未达到5%统计显著性水平的结果。空心符号表示其他方法的估计：方形为参考系差分法，菱形为全球综合板块运动分析，三角形为古地磁极对比；参考系差分法的估计以地幔参考系为基准。（C—F）将重建的海侵—海退差分图叠加在依据最佳拟合真极移旋转轴位置计算的预测值及节面（虚线）之上

需要注意的是，此方法只能够识别哪些时段存在显著的四极型海侵—海退格局，并估计对应的旋转轴方位及旋转方向，它不能直接恢复事件的精确速度和旋转幅度。此外，该方法只能识别出速度大于0.6°/Mry的真极移，作者将其定义为快速真极移。但是总体而言，该研究采取了新思路，根据全球海平面升降的变化恢复地质历史时期的真极移事件，为深时地球动力学过程的研究提供了新思路。

主要参考文献

Creveling J R, Mitrovica J X, Chan N H, et al. Mechanisms for oscillatory true polar wander[J]. Nature, 2012, 491(7423): 244-248.

Domeier M, Gallo L C, Marcilly C M, et al. Quadrupolar sea level fluctuations reveal episodes of rapid polar wander[J]. Science, 2026, 394(6819): 87-90.

Evans D A D. True polar wander and supercontinents[J]. Tectonophysics, 2003, 362(1-4): 303-320.

Torsvik T H, Van der Voo R, Preeden U, et al. Phanerozoic polar wander, palaeogeography and dynamics[J]. Earth-Science Reviews, 2012, 114(3-4): 325-368.

（撰稿：侯祎斐，赵盼/岩石圈演化学科中心）