礦物U/Pb測年技術在物源研究中的應用

蔡虎成

（1.中國地質科學院，北京 100037；2.中國地質大學（北京），北京 100083）

黃土高原黃土不但蘊藏著亞洲內陸干旱化和青藏高原隆升的信息，而且蘊藏著豐富的大陸古氣候和大氣環流變化信息。因此，黃土高原風成黃土是地質學家的研究熱點。其中，黃土的物源研究是一個非常重要但是卻頗有爭議的問題。

近年來，陳洪云等對黃土物源的分析方法進行了系統的總結，但是主要集中于傳統的研究指標，對于礦物U/Pb測年技術沒有涉及[1]。

相比于傳統的物源分析方法，礦物U/Pb測年具有不可替代的優勢，它可以避免數據的多解性問題。U-Pb測年是有效的單顆粒物源分析方法。地質學家使用該方法，已經取得了許多研究成果，本文著重介紹介紹該方法以及可能的黃土物源。

1 礦物U-Pb測年示蹤物源方法

目前，U-Pb測年的方法主要有三種：①二次電離質譜方法，該方法的優點是空間分辨率較高（束斑直徑最小可達5um～8um），可以對礦物顆粒進行原位測量，可用于礦物顆粒的精細部位定年；缺點是測試周期長，費用高。②熱電離質譜方法，該方法的優點是獲得的年齡精度較高；缺點是前期處理非常復雜，需要使用酸進行溶解，無法實現礦物顆粒的原位測量。③激光剝蝕電感耦合等離子體質譜方法，該方法的優點是可以獲得類似于二次電離質譜方法準確度和精確度，且分析時間短；缺點是要求的樣品數量大，對樣品的破壞性強。

選擇礦物U/Pb同位素定年時，其原理為：在礦物封閉體系中，放射性元素鈾（238U和235U）經α衰變生成穩定的同位素206Pb和207Pb。通過測定母體同位素（238U和235U）和子體同位素（206Pb和207Pb）比值來計算封閉體系形成的時間（礦物的地質年齡）。礦物的地質年齡包括207Pb/206Pb年齡、207Pb/238U年齡、206Pb/238U年齡。三個年齡在允許的誤差范圍內時，說明U/Pb同位素系統自礦物形成后是封閉的，這三個年齡都可以代表礦物的形成年齡，否則要通過矯正來獲得礦物的形成年齡。

礦物的年齡分析方法通常有兩種。一種方法側重礦物顏色和形態的分析，該方法的優點是在樣品數量較少時，能夠比較全面的獲取潛在的物源信息，缺點是不能反映不同源區的相對貢獻量，通常使用二次電離質譜方法和熱電離質譜方法時，采用這種分析方法。另一種方法是大量分析礦物的U/Pb年齡,將不同年齡組的含量進行統計分析，從統計學意義上確定不同物源區的相對貢獻，使用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜方法測定礦物的年齡時，通常采用該分析方法。

U-Pb年齡數據可以使用多種方法展示，當樣品數量較少時，通常使用諧和圖來展示，通多諧和圖通常可以顯示樣品分析顆粒的數量、樣品分析的精度以及諧和度等信息；當樣品數量較多時，通常采用柱狀圖和概率密度分布圖來展示礦物的年齡譜，將黃土樣品的年齡譜圖與潛在物源區的礦物年齡譜圖進行對比，能夠較好的確定潛在物源區，并且推測可能的搬運方式。

通常進行年齡譜圖的對比的方法有兩種，一種是基于最大似然算法建立的去卷積方法，該方法能夠獲得U-Pb年齡譜的優勢年齡組數量和比例；另一種K-S檢驗法，用來對比樣品和源區的礦物年齡譜相似程度。

2 可能的潛在物源區

前人關于黃土高原黃土物源研究取得了許多重要成果，但是，目前還未取得統一的認識。

2.1 觀測技術示蹤黃土物源

現代觀測技術主要通過氣象觀測站和遙感影像來示蹤黃土物源。氣象觀測站可以實時觀測沙塵天氣情況（沙塵的范圍，沙塵的嚴重程度，風力的大小以及沙塵的持續時間）。研究發現，極端天氣形成的沙塵是黃土高原黃土粗粒沉積物的重要物質來源。

分析氣象站點的沙塵數據可以為示蹤黃土的物源提供證據。周自江等研究了1954～1998年的氣象沙塵天氣數據，認為青藏高原北部的阿拉善高原和塔里木盆地為黃土沉積提供重要的物質來源[2]。Sun等研究1960～1999年間的沙塵天氣，認為中國北部的戈壁、隔壁地區黃土高原黃土的主要物源，塔里木盆地也為黃土高原提高少量的粉塵物質。Lim等（2006）通過研究沙塵天氣，認為青藏高原北部和阿拉善高原為黃土高原黃土提供物源。近年來遙感影像技術被用于研究黃土的物源，Husar和Hsu等通過研究遙感影像數據，結果表明中國北部的戈壁地區和塔里木盆地是黃土高原黃土的主要物源區。

沙塵天氣的氣象數據和遙感影像能夠為研究黃土的物源提供實時的沙塵數據，可以為進一步研究大氣環流過程。主要的缺點是氣象站點的建設有嚴格的區域限制，只能建在城市周邊，并且結合地面站點來綜合分析氣象信息還很困難；遙感影像的檢測分辨率和靈敏讀較低，不能示蹤局部和短距離的沙塵，這些沙塵在貢獻黃土物源方面扮演著重要的角色。沙塵天氣的氣象數據和遙感影像能夠直觀的顯示沙塵的搬運路徑，但是無法反映沙塵天氣發生時的具體物質交換過程和非沙塵天氣時沙塵情況。Sun等的研究表明，黃土高原西部的全年平均沙塵沉降量都很高，暗示黃土高原西部的荒漠和戈壁常年為黃土高原提供物質來源，而不僅僅在強沙塵的天氣情況下。相比于千年尺度和軌道尺度，沙塵天氣的氣象數據和遙感影像技術發展只有短暫的幾十年時間，通過該方法來反演地質歷史時期的粉塵演化過程可能存在不確定性。

2.2 地質證據示蹤黃土物源

目前，地質學家關于黃土的成因已經達成了共識，普遍贊同黃土的風成學說，劉東生通過研究，發現黃土高原黃土的粒度自西北向東南逐漸變細，同一層的黃土的厚度自西北向東南逐漸減薄，因此推斷黃土高原的黃土物源來自廣闊的亞洲內陸干旱半干旱地區。隨后不同的學者使用不同的地質證據來研究黃土的物源。

近年來，地質學家將示蹤黃土物源的指標大致分為五類：①元素組成或比值；②同位素組成（如Sr-Nd同位素、石英的氧同位素）；③石英電子自旋共振（ESR）信號強度和結晶度等新指標；④粒度；⑤磁性礦物以及礦物的組成等。元素組成是通過研究礦物中某種元素含量以及元素組成的變化來判定物源。與元素組成相比，采用元素比值作為示蹤指標具有一定的優勢，如可以通過減少粉塵的物理以及化學風化作用造成的影響來更多的反映物源信息。其中，Fe/Al比值通常用于物源的穩定性分析；稀土元素（REE）作為重要的示蹤指標常用于黃土物源研究當中，以稀土元素的地球化學特征為指標的研究發現黃土和沙漠物質具有相似的稀土元素配分模式，認為黃土來自沙漠[3]。Sun以礦物的Sr同位素為指標，通過分析對比西北內陸的塔里木盆地、柴達木盆地、準噶爾盆地和黃土高原地區黃土的Sr同位素組成，結合元素比值以及礦物組成的指標，認為黃土高原風塵堆積的主要物源區不是西北內陸的三個盆地[4]；Chen等以Nd-Sr同位素值為指標研究了黃土和中國北方沙漠表土樣品，認為青藏高原北部的沙漠可能是黃土高原黃土的主要物源。地質學家以石英電子自旋信號強度和結晶度為示蹤指標，Sun等通過系統研究亞洲沙漠，發現石英的RSR信號強度和結晶度受粒度影響，以細顆粒的石英ESR信號強度和結晶度為指標研究發現，中國北部的隔壁沙漠是黃土高原黃土的主要物源。地質學家將粒度與其它指標結合來研究黃土的物源，如吳等將黃土高原的黃土分成不同的粒徑組分，并且將粒度資料與同位素結合，認為中國北方沙漠和戈壁是黃土高原的主要物源。王友郡等2019年通多環境磁學方法并結合粒度指標研究中國西部黃土物源，認為8um～63um顆粒組分主要來源于塔里木盆地、柴達木盆地以及阿拉善高原；8-2-8um的細顆粒組分幾乎全部來自柴達木盆地[5]。

礦物U/Pb年齡譜方法具有受后期氣候影響較小的特點而備受地質學家的青睞。Pullen等對黃土高原黃土進行研究，認為柴達木盆地與青藏高原北部是黃土高原黃土的主要物源區[6]；李高軍等研究西寧黃土，認為西寧黃土和黃土高原黃土的主要物源均來自青藏高原北部地區[7]；李云等通過研究黃土高原朝那與洛川剖面，認為黃土高原黃土的物源主要為黃土高原北部戈壁荒漠和附近沙漠[8]；聶軍勝等利用礦物年齡譜圖與潛在物源進行對比的方法對黃土高原朝那剖面開展物源研究，發現第四紀時期，黃河松散河漫灘沉積是黃土高原黃土的一個物源，并且晚第四紀時期黃河的貢獻較早第四紀[9]。

通過多個礦物的年齡譜可以區分出不同U/Pb年齡的母巖和地質背景信息，并對潛在的物源區進行識別。礦物U/Pb測年技術不但可以確定黃土來源于哪些沙漠源區，而且有可能解決黃土和沙漠最終物源所占比例的問題。

通過該方法可以研究從造山帶等基巖剝蝕區，經風化、剝蝕、搬運至沙漠等粉塵沉積區，在粉塵沉積區經混染作用，在風力的搬運作用下最終在黃土高原沉積；在此基礎上探討粉塵的形成機制和搬運途徑等問題，相對于Nd-Sr同位素示蹤指標，礦物年齡譜圖可以反映源區多期次的造巖過程，具有更大的優勢。

3 研究展望

盡管礦物U/Pb定年在示蹤黃土物源時十分有效，然而使用不同的統計方法以及地質作用過程的復雜性都會對源區的解譯造成影響。例如典型的源區的復雜性，不同類型的巖石當中測年礦物的含量差距很大，這可能會造成不同源區相對貢獻的過高或過低估計。此外，受到實驗條件的制約，當前大多數實驗室只能測定粗粒徑的礦物顆粒；并且同一地區采用相同的研究方法開展研究時，結果偏差較大。后續研究在使用礦物U/Pb定年示蹤黃土物源時，應該選取具有代表性的典型黃土樣品，將黃土樣品分為不同的粒徑區間，然后與其它物源示蹤方法結合使用，來獲得黃土的可信物源。

針對黃土的物源研究問題，應當系統的調查粉塵源區，查明不同沙漠細粒粉塵的差異性和同一沙漠中沙漠細粒粉塵的均一性，開發新的示蹤指標；將海洋、冰芯和陸地的粉塵沉積綜合起來研究，黃土高原的黃土主要是在冬季風的搬運作用下沉積形成的，而海洋和冰芯中的粉塵沉積是在西風的搬運下形成的，將三者對比研究可以加深對黃土物源區的全面認識。