“黃河有了準確生日。”
10月18日，最新一期國際權威地學期刊《地球與行星科學快報》（Earth and Planetary Science Letters）在線發表了中國科學院地質與地球研究所研究員龐忠和等中國科學家合作圍繞黃河“身世”和現代黃河水系格局形成時代的研究成果。龐忠和告訴《中國科學報》，團隊通過地下水精細定年測定，得出了“現代黃河水系格局的形成時代為125萬年前”的結論，一改此前眾說紛紜的局面。
兩種測年方法相結合
據介紹，古黃河從寶雞峽貫通三門峽東流入海，而現代黃河則是從六盤山起向北流，過賀蘭山過陰山河套，再由呂梁以西向南折返，經三門峽東流入海。該過程是地殼構造變動影響地表水系形成演化的重要案例，對于認識古氣候與古水文變化意義重大。然而，對于古黃河中游改道的時間，學術界有不同觀點，對現代黃河水系格局的形成時代有15萬年前、不晚于120萬年、約500萬年前等不同觀點。
以往，科學家使用36Cl測年方法來測定地質沉積物年限，但該方法在地下水測年工作中，容易受到深部來源、初始值變化等因素影響，其定年結果的解譯精度低，在地下水中應用非常有限。為此，中國科學院地質與地球物理研究所、北京師范大學、中國科學技術大學聯合科研團隊，選擇渭河盆地深層地下水開展了年代學研究，綜合81Kr與36Cl方法開展精細的定年工作。
作為惰性氣體家族一員，81Kr的半衰期是23萬年，定年范圍可達130萬年，而且81Kr在地下無干擾源，化學性質穩定，不和其他物質發生反應，被看作是十萬到百萬年尺度區間古老地下水的理想示蹤劑。由于81Kr同位素在自然界中的豐度極低，該方法的應用長期受限，直到基于激光冷卻原子阱技術（ATTA）的出現。
據介紹，ATTA是一種量子測量技術，該方法可實現單原子水平的計數，具有極高的靈敏度，其可以在每微升為10-14 同位素水平(STP)的氪氣中計數極低濃度的85Kr和81Kr原子。
龐忠和告訴記者，基于兩種方法的結合和對比研究，不僅能得到更精確的地下水年齡數據，還可以根據地下水年齡數據的差異性，找到影響36Cl定年結果的重要因素，進而深入了解地下水經歷的深部地球化學過程和動力學信息。
例如，研究人員測得的測年數據，顯示同一處深層地下水的36Cl年齡和81Kr年齡不一致，就緣于前者受到“死氯”的影響。龐忠和說，這種差異性恰好反映出地下水經歷的水巖相互作用過程及其動力學。
受到“死氯”的影響，深層地下水的36Cl年齡和81Kr年齡不一致。圖片來源于論文
在渭河盆地揭秘黃河“生日”
為何將解謎黃河身世的地點選在渭河盆地？
研究人員解釋說，渭河盆地位于中國黃土高原與秦嶺造山帶之間，保存有超過7500米的巨厚細粒河湖相沉積，是世界一流的研究新生代亞洲氣候與水文變化的獨特陸相記錄，也是研究黃河河道變化的良好場所。同時，渭河盆地地熱資源的開發利用造就了一大批深部地熱水井，這間接為分層采樣測試創造了有利條件。
研究共采集測定了8組地下水樣品。通過分析地下水的年齡和化學成分數據，研究人員發現：自秦嶺山脈向北，區域地下水呈現出年齡逐漸變老的趨勢；而根據地球化學溫度計估算，地下水的溫度可達100~130℃左右，此時地下水與碳酸鹽同位素交換作用加強，氧-18富集程度增大。這部分地下水在重力驅使下繼續向北運移的同時，溶解了古三門湖的湖相沉積中的氯化物，因而Cl元素含量顯著增加，并最終與盆地中心部位的老地下水混合。
與此同時，由于鄂爾多斯高原隆升，黃河溯源侵蝕和不斷下切導致區域深層地下水流向發生了由東西向變為南北向的轉折。而這個時間，正好對應中更新世氣候轉型期、第四紀轉型期（1.1-1.3Ma，約110萬年至130萬年前）。最終，研究獲得了125萬年（~1.25Ma）的斷代時間節點的新結果和區域地下水流場的新認識。
該論文北京師范大學水科學研究院講師李捷博士為第一作者，中國科學院地質與地球研究所研究員龐忠和與中國科學技術大學教授蔣蔚為通訊作者。 該研究受到國家科技創新2030項目、國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金面上項目、國際原子能機構等的資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118425
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