“黄河有了准确生日。”

10月18日，最新一期国际权威地学期刊《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）在线发表了中国科学院地质与地球研究所研究员庞忠和等中国科学家合作围绕黄河“身世”和现代黄河水系格局形成时代的研究成果。庞忠和告诉《中国科学报》，团队通过地下水精细定年测定，得出了“现代黄河水系格局的形成时代为125万年前”的结论，一改此前众说纷纭的局面。

两种测年方法相结合

据介绍，古黄河从宝鸡峡贯通三门峡东流入海，而现代黄河则是从六盘山起向北流，过贺兰山过阴山河套，再由吕梁以西向南折返，经三门峡东流入海。该过程是地壳构造变动影响地表水系形成演化的重要案例，对于认识古气候与古水文变化意义重大。然而，对于古黄河中游改道的时间，学术界有不同观点，对现代黄河水系格局的形成时代有15万年前、不晚于120万年、约500万年前等不同观点。

以往，科学家使用³⁶Cl测年方法来测定地质沉积物年限，但该方法在地下水测年工作中，容易受到深部来源、初始值变化等因素影响，其定年结果的解译精度低，在地下水中应用非常有限。为此，中国科学院地质与地球物理研究所、北京师范大学、中国科学技术大学联合科研团队，选择渭河盆地深层地下水开展了年代学研究，综合⁸¹Kr与³⁶Cl方法开展精细的定年工作。

作为惰性气体家族一员，⁸¹Kr的半衰期是23万年，定年范围可达130万年，而且81Kr在地下无干扰源，化学性质稳定，不和其他物质发生反应，被看作是十万到百万年尺度区间古老地下水的理想示踪剂。由于⁸¹Kr同位素在自然界中的丰度极低，该方法的应用长期受限，直到基于激光冷却原子阱技术（ATTA）的出现。

据介绍，ATTA是一种量子测量技术，该方法可实现单原子水平的计数，具有极高的灵敏度，其可以在每微升为10^-14 同位素水平(STP)的氪气中计数极低浓度的⁸⁵Kr和⁸¹Kr原子。

庞忠和告诉记者，基于两种方法的结合和对比研究，不仅能得到更精确的地下水年龄数据，还可以根据地下水年龄数据的差异性，找到影响³⁶Cl定年结果的重要因素，进而深入了解地下水经历的深部地球化学过程和动力学信息。

例如，研究人员测得的测年数据，显示同一处深层地下水的³⁶Cl年龄和⁸¹Kr年龄不一致，就缘于前者受到“死氯”的影响。庞忠和说，这种差异性恰好反映出地下水经历的水岩相互作用过程及其动力学。

受到“死氯”的影响，深层地下水的³⁶Cl年龄和⁸¹Kr年龄不一致。图片来源于论文

在渭河盆地揭秘黄河“生日”

为何将解谜黄河身世的地点选在渭河盆地？

研究人员解释说，渭河盆地位于中国黄土高原与秦岭造山带之间，保存有超过7500米的巨厚细粒河湖相沉积，是世界一流的研究新生代亚洲气候与水文变化的独特陆相记录，也是研究黄河河道变化的良好场所。同时，渭河盆地地热资源的开发利用造就了一大批深部地热水井，这间接为分层采样测试创造了有利条件。

研究共采集测定了8组地下水样品。通过分析地下水的年龄和化学成分数据，研究人员发现：自秦岭山脉向北，区域地下水呈现出年龄逐渐变老的趋势；而根据地球化学温度计估算，地下水的温度可达100~130℃左右，此时地下水与碳酸盐同位素交换作用加强，氧-18富集程度增大。这部分地下水在重力驱使下继续向北运移的同时，溶解了古三门湖的湖相沉积中的氯化物，因而Cl元素含量显著增加，并最终与盆地中心部位的老地下水混合。

与此同时，由于鄂尔多斯高原隆升，黄河溯源侵蚀和不断下切导致区域深层地下水流向发生了由东西向变为南北向的转折。而这个时间，正好对应中更新世气候转型期、第四纪转型期（1.1-1.3Ma，约110万年至130万年前）。最终，研究获得了125万年（~1.25Ma）的断代时间节点的新结果和区域地下水流场的新认识。

该论文北京师范大学水科学研究院讲师李捷博士为第一作者，中国科学院地质与地球研究所研究员庞忠和与中国科学技术大学教授蒋蔚为通讯作者。 该研究受到国家科技创新2030项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目、国际原子能机构等的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118425