礦物U/Pb測年技術(shù)在物源研究中的應(yīng)用

蔡虎成

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

黃土高原黃土不但蘊藏著亞洲內(nèi)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(huán)流變化信息。因此，黃土高原風(fēng)成黃土是地質(zhì)學(xué)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(tǒng)的總結(jié)，但是主要集中于傳統(tǒng)的研究指標，對于礦物U/Pb測年技術(shù)沒有涉及[1]。

相比于傳統(tǒng)的物源分析方法，礦物U/Pb測年具有不可替代的優(yōu)勢，它可以避免數(shù)據(jù)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(zhì)學(xué)家使用該方法，已經(jīng)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(zhì)譜方法，該方法的優(yōu)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(zhì)譜方法，該方法的優(yōu)點是獲得的年齡精度較高；缺點是前期處理非常復(fù)雜，需要使用酸進行溶解，無法實現(xiàn)礦物顆粒的原位測量。③激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜方法，該方法的優(yōu)點是可以獲得類似于二次電離質(zhì)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(shù)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(jīng)α衰變生成穩(wěn)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(zhì)年齡）。礦物的地質(zhì)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(nèi)時，說明U/Pb同位素系統(tǒng)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(cè)重礦物顏色和形態(tài)的分析，該方法的優(yōu)點是在樣品數(shù)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(qū)的相對貢獻量，通常使用二次電離質(zhì)譜方法和熱電離質(zhì)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(tǒng)計分析，從統(tǒng)計學(xué)意義上確定不同物源區(qū)的相對貢獻，使用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)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(shù)據(jù)可以使用多種方法展示，當樣品數(shù)量較少時，通常使用諧和圖來展示，通多諧和圖通?？梢燥@示樣品分析顆粒的數(shù)量、樣品分析的精度以及諧和度等信息；當樣品數(shù)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(qū)的礦物年齡譜圖進行對比，能夠較好的確定潛在物源區(qū)，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(yōu)勢年齡組數(shù)量和比例；另一種K-S檢驗法，用來對比樣品和源區(qū)的礦物年齡譜相似程度。

2 可能的潛在物源區(qū)

前人關(guān)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(tǒng)一的認識。

2.1 觀測技術(shù)示蹤黃土物源

現(xiàn)代觀測技術(shù)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(fēng)力的大小以及沙塵的持續(xù)時間）。研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)來源。

分析氣象站點的沙塵數(shù)據(jù)可以為示蹤黃土的物源提供證據(jù)。周自江等研究了1954～1998年的氣象沙塵天氣數(shù)據(jù)，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(zhì)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(qū)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(zhì)。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(shù)被用于研究黃土的物源，Husar和Hsu等通過研究遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)果表明中國北部的戈壁地區(qū)和塔里木盆地是黃土高原黃土的主要物源區(qū)。

沙塵天氣的氣象數(shù)據(jù)和遙感影像能夠為研究黃土的物源提供實時的沙塵數(shù)據(jù)，可以為進一步研究大氣環(huán)流過程。主要的缺點是氣象站點的建設(shè)有嚴格的區(qū)域限制，只能建在城市周邊，并且結(jié)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(shù)據(jù)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(fā)生時的具體物質(zhì)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(zhì)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(shù)據(jù)和遙感影像技術(shù)發(fā)展只有短暫的幾十年時間，通過該方法來反演地質(zhì)歷史時期的粉塵演化過程可能存在不確定性。

2.2 地質(zhì)證據(jù)示蹤黃土物源

目前，地質(zhì)學(xué)家關(guān)于黃土的成因已經(jīng)達成了共識，普遍贊同黃土的風(fēng)成學(xué)說，劉東生通過研究，發(fā)現(xiàn)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(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)。隨后不同的學(xué)者使用不同的地質(zhì)證據(jù)來研究黃土的物源。

近年來，地質(zhì)學(xué)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(jié)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(yōu)勢，如可以通過減少粉塵的物理以及化學(xué)風(fēng)化作用造成的影響來更多的反映物源信息。其中，F(xiàn)e/Al比值通常用于物源的穩(wěn)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(xué)特征為指標的研究發(fā)現(xiàn)黃土和沙漠物質(zhì)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(nèi)陸的塔里木盆地、柴達木盆地、準噶爾盆地和黃土高原地區(qū)黃土的Sr同位素組成，結(jié)合元素比值以及礦物組成的指標，認為黃土高原風(fēng)塵堆積的主要物源區(qū)不是西北內(nèi)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(zhì)學(xué)家以石英電子自旋信號強度和結(jié)晶度為示蹤指標，Sun等通過系統(tǒng)研究亞洲沙漠，發(fā)現(xiàn)石英的RSR信號強度和結(jié)晶度受粒度影響，以細顆粒的石英ESR信號強度和結(jié)晶度為指標研究發(fā)現(xiàn)，中國北部的隔壁沙漠是黃土高原黃土的主要物源。地質(zhì)學(xué)家將粒度與其它指標結(jié)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(jié)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(huán)境磁學(xué)方法并結(jié)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(zhì)學(xué)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(qū)[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(qū)[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(fā)現(xiàn)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(qū)分出不同U/Pb年齡的母巖和地質(zhì)背景信息，并對潛在的物源區(qū)進行識別。礦物U/Pb測年技術(shù)不但可以確定黃土來源于哪些沙漠源區(qū)，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(qū)，經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運至沙漠等粉塵沉積區(qū)，在粉塵沉積區(qū)經(jīng)混染作用，在風(fēng)力的搬運作用下最終在黃土高原沉積；在此基礎(chǔ)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(qū)多期次的造巖過程，具有更大的優(yōu)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(tǒng)計方法以及地質(zhì)作用過程的復(fù)雜性都會對源區(qū)的解譯造成影響。例如典型的源區(qū)的復(fù)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(qū)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(shù)實驗室只能測定粗粒徑的礦物顆粒；并且同一地區(qū)采用相同的研究方法開展研究時，結(jié)果偏差較大。后續(xù)研究在使用礦物U/Pb定年示蹤黃土物源時，應(yīng)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(qū)間，然后與其它物源示蹤方法結(jié)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(yīng)當系統(tǒng)的調(diào)查粉塵源區(qū)，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(fā)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(fēng)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(fēng)的搬運下形成的，將三者對比研究可以加深對黃土物源區(qū)的全面認識。