蔡虎成

（1.中国地质科学院，北京 100037；2.中国地质大学（北京），北京 100083）

黄土高原黄土不但蕴藏着亚洲内陆干旱化和青藏高原隆升的信息，而且蕴藏着丰富的大陆古气候和大气环流变化信息。因此，黄土高原风成黄土是地质学家的研究热点。其中，黄土的物源研究是一个非常重要但是却颇有争议的问题。

近年来，陈洪云等对黄土物源的分析方法进行了系统的总结，但是主要集中于传统的研究指标，对于矿物U/Pb测年技术没有涉及[1]。

相比于传统的物源分析方法，矿物U/Pb测年具有不可替代的优势，它可以避免数据的多解性问题。U-Pb测年是有效的单颗粒物源分析方法。地质学家使用该方法，已经取得了许多研究成果，本文着重介绍介绍该方法以及可能的黄土物源。

1 矿物U-Pb测年示踪物源方法

目前，U-Pb测年的方法主要有三种：①二次电离质谱方法，该方法的优点是空间分辨率较高（束斑直径最小可达5um～8um），可以对矿物颗粒进行原位测量，可用于矿物颗粒的精细部位定年；缺点是测试周期长，费用高。②热电离质谱方法，该方法的优点是获得的年龄精度较高；缺点是前期处理非常复杂，需要使用酸进行溶解，无法实现矿物颗粒的原位测量。③激光剥蚀电感耦合等离子体质谱方法，该方法的优点是可以获得类似于二次电离质谱方法准确度和精确度，且分析时间短；缺点是要求的样品数量大，对样品的破坏性强。

选择矿物U/Pb同位素定年时，其原理为：在矿物封闭体系中，放射性元素铀（238U和235U）经α衰变生成稳定的同位素206Pb和207Pb。通过测定母体同位素（238U和235U）和子体同位素（206Pb和207Pb）比值来计算封闭体系形成的时间（矿物的地质年龄）。矿物的地质年龄包括207Pb/206Pb年龄、207Pb/238U年龄、206Pb/238U年龄。三个年龄在允许的误差范围内时，说明U/Pb同位素系统自矿物形成后是封闭的，这三个年龄都可以代表矿物的形成年龄，否则要通过矫正来获得矿物的形成年龄。

矿物的年龄分析方法通常有两种。一种方法侧重矿物颜色和形态的分析，该方法的优点是在样品数量较少时，能够比较全面的获取潜在的物源信息，缺点是不能反映不同源区的相对贡献量，通常使用二次电离质谱方法和热电离质谱方法时，采用这种分析方法。另一种方法是大量分析矿物的U/Pb年龄,将不同年龄组的含量进行统计分析，从统计学意义上确定不同物源区的相对贡献，使用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱方法测定矿物的年龄时，通常采用该分析方法。

U-Pb年龄数据可以使用多种方法展示，当样品数量较少时，通常使用谐和图来展示，通多谐和图通常可以显示样品分析颗粒的数量、样品分析的精度以及谐和度等信息；当样品数量较多时，通常采用柱状图和概率密度分布图来展示矿物的年龄谱，将黄土样品的年龄谱图与潜在物源区的矿物年龄谱图进行对比，能够较好的确定潜在物源区，并且推测可能的搬运方式。

通常进行年龄谱图的对比的方法有两种，一种是基于最大似然算法建立的去卷积方法，该方法能够获得U-Pb年龄谱的优势年龄组数量和比例；另一种K-S检验法，用来对比样品和源区的矿物年龄谱相似程度。

2 可能的潜在物源区

前人关于黄土高原黄土物源研究取得了许多重要成果，但是，目前还未取得统一的认识。

2.1 观测技术示踪黄土物源

现代观测技术主要通过气象观测站和遥感影像来示踪黄土物源。气象观测站可以实时观测沙尘天气情况（沙尘的范围，沙尘的严重程度，风力的大小以及沙尘的持续时间）。研究发现，极端天气形成的沙尘是黄土高原黄土粗粒沉积物的重要物质来源。

分析气象站点的沙尘数据可以为示踪黄土的物源提供证据。周自江等研究了1954～1998年的气象沙尘天气数据，认为青藏高原北部的阿拉善高原和塔里木盆地为黄土沉积提供重要的物质来源[2]。Sun等研究1960～1999年间的沙尘天气，认为中国北部的戈壁、隔壁地区黄土高原黄土的主要物源，塔里木盆地也为黄土高原提高少量的粉尘物质。Lim等（2006）通过研究沙尘天气，认为青藏高原北部和阿拉善高原为黄土高原黄土提供物源。近年来遥感影像技术被用于研究黄土的物源，Husar和Hsu等通过研究遥感影像数据，结果表明中国北部的戈壁地区和塔里木盆地是黄土高原黄土的主要物源区。

沙尘天气的气象数据和遥感影像能够为研究黄土的物源提供实时的沙尘数据，可以为进一步研究大气环流过程。主要的缺点是气象站点的建设有严格的区域限制，只能建在城市周边，并且结合地面站点来综合分析气象信息还很困难；遥感影像的检测分辨率和灵敏读较低，不能示踪局部和短距离的沙尘，这些沙尘在贡献黄土物源方面扮演着重要的角色。沙尘天气的气象数据和遥感影像能够直观的显示沙尘的搬运路径，但是无法反映沙尘天气发生时的具体物质交换过程和非沙尘天气时沙尘情况。Sun等的研究表明，黄土高原西部的全年平均沙尘沉降量都很高，暗示黄土高原西部的荒漠和戈壁常年为黄土高原提供物质来源，而不仅仅在强沙尘的天气情况下。相比于千年尺度和轨道尺度，沙尘天气的气象数据和遥感影像技术发展只有短暂的几十年时间，通过该方法来反演地质历史时期的粉尘演化过程可能存在不确定性。

2.2 地质证据示踪黄土物源

目前，地质学家关于黄土的成因已经达成了共识，普遍赞同黄土的风成学说，刘东生通过研究，发现黄土高原黄土的粒度自西北向东南逐渐变细，同一层的黄土的厚度自西北向东南逐渐减薄，因此推断黄土高原的黄土物源来自广阔的亚洲内陆干旱半干旱地区。随后不同的学者使用不同的地质证据来研究黄土的物源。

近年来，地质学家将示踪黄土物源的指标大致分为五类：①元素组成或比值；②同位素组成（如Sr-Nd同位素、石英的氧同位素）；③石英电子自旋共振（ESR）信号强度和结晶度等新指标；④粒度；⑤磁性矿物以及矿物的组成等。元素组成是通过研究矿物中某种元素含量以及元素组成的变化来判定物源。与元素组成相比，采用元素比值作为示踪指标具有一定的优势，如可以通过减少粉尘的物理以及化学风化作用造成的影响来更多的反映物源信息。其中，Fe/Al比值通常用于物源的稳定性分析；稀土元素（REE）作为重要的示踪指标常用于黄土物源研究当中，以稀土元素的地球化学特征为指标的研究发现黄土和沙漠物质具有相似的稀土元素配分模式，认为黄土来自沙漠[3]。Sun以矿物的Sr同位素为指标，通过分析对比西北内陆的塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地和黄土高原地区黄土的Sr同位素组成，结合元素比值以及矿物组成的指标，认为黄土高原风尘堆积的主要物源区不是西北内陆的三个盆地[4]；Chen等以Nd-Sr同位素值为指标研究了黄土和中国北方沙漠表土样品，认为青藏高原北部的沙漠可能是黄土高原黄土的主要物源。地质学家以石英电子自旋信号强度和结晶度为示踪指标，Sun等通过系统研究亚洲沙漠，发现石英的RSR信号强度和结晶度受粒度影响，以细颗粒的石英ESR信号强度和结晶度为指标研究发现，中国北部的隔壁沙漠是黄土高原黄土的主要物源。地质学家将粒度与其它指标结合来研究黄土的物源，如吴等将黄土高原的黄土分成不同的粒径组分，并且将粒度资料与同位素结合，认为中国北方沙漠和戈壁是黄土高原的主要物源。王友郡等2019年通多环境磁学方法并结合粒度指标研究中国西部黄土物源，认为8um～63um颗粒组分主要来源于塔里木盆地、柴达木盆地以及阿拉善高原；8-2-8um的细颗粒组分几乎全部来自柴达木盆地[5]。

矿物U/Pb年龄谱方法具有受后期气候影响较小的特点而备受地质学家的青睐。Pullen等对黄土高原黄土进行研究，认为柴达木盆地与青藏高原北部是黄土高原黄土的主要物源区[6]；李高军等研究西宁黄土，认为西宁黄土和黄土高原黄土的主要物源均来自青藏高原北部地区[7]；李云等通过研究黄土高原朝那与洛川剖面，认为黄土高原黄土的物源主要为黄土高原北部戈壁荒漠和附近沙漠[8]；聂军胜等利用矿物年龄谱图与潜在物源进行对比的方法对黄土高原朝那剖面开展物源研究，发现第四纪时期，黄河松散河漫滩沉积是黄土高原黄土的一个物源，并且晚第四纪时期黄河的贡献较早第四纪[9]。

通过多个矿物的年龄谱可以区分出不同U/Pb年龄的母岩和地质背景信息，并对潜在的物源区进行识别。矿物U/Pb测年技术不但可以确定黄土来源于哪些沙漠源区，而且有可能解决黄土和沙漠最终物源所占比例的问题。

通过该方法可以研究从造山带等基岩剥蚀区，经风化、剥蚀、搬运至沙漠等粉尘沉积区，在粉尘沉积区经混染作用，在风力的搬运作用下最终在黄土高原沉积；在此基础上探讨粉尘的形成机制和搬运途径等问题，相对于Nd-Sr同位素示踪指标，矿物年龄谱图可以反映源区多期次的造岩过程，具有更大的优势。

3 研究展望

尽管矿物U/Pb定年在示踪黄土物源时十分有效，然而使用不同的统计方法以及地质作用过程的复杂性都会对源区的解译造成影响。例如典型的源区的复杂性，不同类型的岩石当中测年矿物的含量差距很大，这可能会造成不同源区相对贡献的过高或过低估计。此外，受到实验条件的制约，当前大多数实验室只能测定粗粒径的矿物颗粒；并且同一地区采用相同的研究方法开展研究时，结果偏差较大。后续研究在使用矿物U/Pb定年示踪黄土物源时，应该选取具有代表性的典型黄土样品，将黄土样品分为不同的粒径区间，然后与其它物源示踪方法结合使用，来获得黄土的可信物源。

针对黄土的物源研究问题，应当系统的调查粉尘源区，查明不同沙漠细粒粉尘的差异性和同一沙漠中沙漠细粒粉尘的均一性，开发新的示踪指标；将海洋、冰芯和陆地的粉尘沉积综合起来研究，黄土高原的黄土主要是在冬季风的搬运作用下沉积形成的，而海洋和冰芯中的粉尘沉积是在西风的搬运下形成的，将三者对比研究可以加深对黄土物源区的全面认识。