水科学研究院青年教师李捷老师围绕黄河“身世”和现代黄河水系格局形成时代的研究成果以第一作者身份近期发表在国际权威地学期刊《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）上。论文在线发表后，受到国内多家媒体报纸关注。《中国科学报》以题为“黄河有了准确生日！地下水诉说黄河前世今生”对论文成果进行了新闻报道。中央广播电视总台中国之声《新闻超连接》对论文通讯作者进行了电话采访。另外，中华网、腾讯网、新浪新闻、北京日报网、网易、澎湃新闻等多家进行转载和宣传。
黄河是华夏子孙的母亲河，是华北粮仓形成发展的水土资源保障。黄河中游的“几”字湾是黄河的奇特景观，决定了历朝历代的文明兴衰，因而它的形成和演化让多少代中国人好奇和关注。古三门湖消亡和黄河贯通三门峡的时间，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。
水科学研究院讲师李捷博士在国家科技创新2030项目、国家重大科研仪器研制项目等项目的资助下，与中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学技术大学等单位联合，采用最新的量子测量技术-原子阱痕量分析方法，综合81Kr与36Cl方法开展精细的定年工作，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。
作者选择在渭河盆地开展工作，这里保存有超过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。研究共采集测定了8组地下水样品。通过结合地下水的氢氧同位素和水化学数据以及地下水的年龄，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（C组），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，Cl元素含量显著增加，最终与盆地中心部位的老地下水（B组）混合。深层地下水流向在大约125万年前，发生了由东西向变为南北向的转变。
图1 氧同位素与（a）氢同位素（b）Kr（c）井口温度（d）Cl含量之间的关系
能够发现地下水流向的转变，得益于深层古地下水的81Kr与36Cl年代学的联合应用。放射性惰性气体同位素81Kr的化学性质稳定，在地下没有干扰源，定年范围可达130万年，被看作是万年到百万年尺度古老地下水的理想示踪剂。而36Cl尽管也适用于古老地下水定年，但该方法容易受到深部来源、初始值变化以及死氯溶解等复杂因素影响，其定年结果难以解读。作者将81Kr和36Cl相结合，通过比较两者定年结果的差异（图2），提供关于地下水在地下深处演化的信息，将原来36Cl的“缺点”变成了“优点”。作者发现了A组地地下水必须考虑“死氯”溶解的影响，才能解释这部分样品36Cl年龄与81Kr年龄间的差异。而“死氯”溶解正是三门古湖消亡的一个重要标志。
图2 81Kr年龄和36Cl年龄地下水分为两组
综上，作者认为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。关于现代黄河形成年代的认识与兰州大学等单位使用岩芯沉积学和古环境代用指标记录等方法得到的结果保持一致，因此关于黄河年龄的多种争议观点，终于有了更加明确的答案。
这项成果的取得离不开一种新的定年技术——原子阱痕量分析方法（Atom Trap Trace Analysis, ATTA）。这种方法是由中国科学技术大学卢征天、蒋蔚研究团队开发的，使得81Kr定年技术能大规模应用于地下水研究。我校青年教师李捷多年来一直参与“原子阱氪、氩同位素定年装置”这一大型科研仪器的应用中，取得了一系列研究成果，而最新的这篇论文也是研究团队2017年科学通报论文的续篇，古水文学工作在量子技术加持下，不断为水文地质学和地热地质学出彩。
北京师范大学李捷为第一作者，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。该研究受到科技部、国家自然科学基金委、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
中国科学报新闻报道：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/10/376773.shtm
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