发布时间：2025-07-31浏览次数：10
中国黄土高原粉尘沉积序列是晚新生代全球气候演变与东亚大气环流重建关键地质档案，其物源稳定性问题长期以来备受学界关注。尽管前人利用了多种地球化学指标（如Sr-Nd-Pb同位素、锆石U-Pb年龄谱等）对过去~6 Ma以来的粉尘沉积物开展了系统研究，但主要因为三方面的复杂综合影响（源区物质变化、沉积后风化与成壤过程对地球化学信号改造、粉尘搬运过程中的分选效应），使得一直未有定论，是领域长期存在的重要科学问题。
南京大学地球科学与工程学院、关键地球物质循环与成矿全国重点实验室李伟强教授团队长期致力于钾（K）同位素体系的理论与应用研究。针对以上科学问题，李伟强教授团队联合表生地球化学教育部重点实验室季峻峰教授团队、南方海洋实验室前沿研究中心杨虎研究员，创新性地将K同位素示踪技术引入到黄土物源的研究之中。K同位素在黄土物源研究中的优势体现在：1）K同位素在表生低温地质过程中存在显著分馏；2）黄土中主要的硅酸岩矿物均为含K矿物（长石、云母等）；3）碳酸盐矿物中的K含量极低，因此K同位素对黄土中碳酸盐矿物“免疫”。
研究团队对黄土高原灵台、蓝田两个完整的沉积剖面及潜在源区样品开展元素地球化学和K同位素分析（δ41K），进一步结合地球系统模型模拟，揭示了第四纪以来（~2.58 Ma）黄土高原粉尘物源组分的突变及驱动机制。研究发现，第四纪黄土/古土壤δ41K值（-0.41‰至-0.63‰）较上新世红黏土（-0.35‰至-0.45‰）显著降低约0.2‰（图1）。该变化在空间上呈现一致性，并与Na2O/K2O、Na2O/Al2O3比值呈负相关，这与沉积后风化过程造成的K同位素分馏行为矛盾。粒度分离实验进一步证实，δ⁴¹K值基本不受分选作用或沉积后风化过程的影响，从而确定K同位素值变化主要受控于物源组分的影响，并指示源区风化碎屑物质与再循环沉积物的贡献在第四纪显著增加。另通过与潜在源区物质K同位素值对比发现，源自青藏高原东北部（NTP）河流沉积物的δ⁴¹K值（-0.51‰至-0.42‰）与黄土接近，西北沙漠区沉积物样品K同位素组成（-0.36‰至-0.42‰）与红黏土相当（图2），反映NTP为黄土高原粉尘重要源区，且河流系统在输送风化物质中起重要作用。
地球系统模型模拟结果进一步显示，第四纪全球变冷可以导致亚洲内陆净湿度增加，可能促进了硅酸盐矿物化学风化；同时，西风带南移与西伯利亚高压增强共同重构了亚洲内陆大气环流格局，可能加速了青藏高原东北部风化碎屑物质的剥蚀及其向黄土高原的输送（图2）。这与黄土高原粉尘沉积速率上升和平均粒径增大等观测结果高度一致（图1c，d），从而构建了完整的气候-物源响应链：第四纪全球变冷→NTP冰川/冰缘作用增强→沉积地层剥蚀加速→风化与再循环沉积物输出增加→黄土δ⁴¹K值降低。这为理解气候变冷背景下大气环流与粉尘产生—搬运过程的复杂耦合机制提供了新的见解。
本研究核心创新点在于：首次将K同位素技术应用于我国黄土高原物源演化研究，克服其他地球化学指标（如Sr同位素）易受碳酸盐干扰的限制；明确全球变冷是黄土高原物源组分突变的主控因素；揭示大气环流重组在粉尘运输中的"加速器"作用。审稿人特别强调 “这是一项示范性研究（an exemplary study），成功地将新型同位素示踪技术（K同位素）应用于黄土研究，新数据与模型模拟结果及黄土高原既往研究形成相互验证（nicely ties to climate modeling and previous studies）”。
值得注意的是，本研究通过分析黄土高原时间序列粉尘沉积物的K同位素组成，揭示出不同地质时代沉积物的δ41K值存在显著非均一性特征，且部分低于当前学界约束的上地壳平均K同位素组成（-0.44 ± 0.05‰）。这对经典地球化学研究中采用黄土约束上地壳K同位素组成提出了挑战。特别是在利用广义的黄土沉积物（红黏土、黄土、古土壤）约束上地壳K同位素组成时，需要充分考虑形成年代差异可能带来的系统偏差。
相关研究成果发表在地质学国际著名学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》，南京大学地球科学与工程学院博士研究生穆军为论文的第一作者，李伟强教授为通讯作者，共同作者包括南京大学表生地球化学教育部重点实验室季峻峰教授、刘连文副教授、达佳伟博士，南方海洋科学与工程广东省实验室杨虎高级研究员。本研究得到国家自然科学基金、南京大学关键地球物质循环前沿科学中心“GeoX”跨学科交叉项目、南京大学博士生提升计划项目联合资助。
图1黄土高原粉尘沉积序列K同位素组成与其他地质记录的时序演化对比。（a）大气CO2记录（b）底栖有孔虫氧同位素记录；（c，d）风尘沉积物沉降速率与平均粒径的增大趋势；（e，f）分别为灵台剖面和蓝田剖面黄土-红黏土序列的K同位素组成。误差线代表2倍标准偏差。
图2东亚粉尘运输示意图与潜在源区物质K同位素值变化。（a）第四纪气候变冷时期粉尘运输模式图；（b）潜在源区物质与粉尘沉积物δ41K值箱线图；（c）上陆壳风化产物δ41K数据统计直方图。硅酸盐地球的δ41K值引自Hu et al. (2021)。
论文信息：Mu, J., Da, J., Yang, H., Ji, J., Liu, L., Li, W., 2025. An abrupt change in source materials for Chinese loess deposits at the Pliocene-Pleistocene boundary: Insights from K isotopes and modeling. Earth and Planetary Science Letters 668, 119543. Doi : 10.1016/j.epsl.2025.119543
原文链接:https://authors.elsevier.com/c/1lSTd,Ig4clgL