火星奥秘碳酸盐结核的形成环境与火星结核之

柴达木盆地是中国的 大“盐海”,事实上,“柴达木”在蒙古语中就是“盐泽”的意思。

目前,在柴达木盆地西北部的研究区内,仅有大浪滩、翡翠湖和尕斯库勒湖三个存在液态水的盐湖。其中,大浪滩盐湖和翡翠湖的湖水主要用来晒盐,尕斯库勒湖的水面面积 ,至今还可以接受昆仑山融化的雪水作为水源。

青藏高原盐湖的盐度从西北到东南是递减的,这是一系列构造运动引起的古气候变化的结果。

湖水的pH随着盐度的递减呈现增加的趋势,并且随着盐湖蒸发盐的种类由 盐向 盐,再向卤化物转变而减小。

在柴达木盆地,古盐湖沉积时的pH是以接近中性为主的,虽然 盐沉积时期较长,但总的来说,湖相沉积物中 盐沉积是比较少的,在几千米的沉积地层中没有形成巨厚的 盐沉积层。蒸发盐主要以 盐和 物为主。

在柴达木盆地西部的干盐滩表面,随处可见不同形态的蒸发盐。大部分平缓的地表以及陡峭的山坡上可见一层白色的盐,这些盐主要由后期的少量水汽或液态水被蒸干而析出的石膏以及石盐组成。在干盐滩的表面,分布着大量的石膏晶体碎片。

这些石膏在地表经历了不同程度的风化作用,有些风化的石膏晶体以碎屑的形式杂乱分布于地表,有些石膏被风沙沿片层剥离开来,形成了厚薄不等的石膏片,分布于地表。这些片层可以有几毫米厚,也可以仅有数百微米厚。

还可见一些石膏以细脉的形式被风化为短柱状的白色晶体。这可能是盐湖卤水沿着裂隙结晶出石膏,被后期暴露于地表风化而成。有些白色石膏晶体粘连成块状,被风沙掩埋。石盐晶体由于较易溶解,因而只在靠近盐湖的地区分布。

这些石盐晶体呈现棱角分明的颗粒状,大部分颗粒尺寸在1cm左右,但也有部分晶体的宽度可达8-10cm,呈现完好的立方体形貌。说明卤水演化后期以卤化物沉积为主,且该区域沉积物并未受到后期液态水的影响。凝固结核的形成是地球与行星表面一个常见的地质过程。

这些结核的成分多数是 盐,主要形成于行星表面的液态水环境中,能够记录某些关键的气候演变信息。然而,有关 盐结核的形成机制以及其响应气候变化的矿物学和地球化学特征仍然没有得到很好的约束。因此,使用 盐结核重建古气候演变仍需更细致的研究。

本研究在柴达木盆地西部阿尔金山山麓的一个极端干旱的古洪积台地中发现了大量的 盐结核。这里的干旱气候从晚更新世就开始演化,表面的液态水也逐渐减少直至消失。对样品 盐结核进行的详细的矿物学、地球化学研究揭示了一个在波动中逐渐干旱的气候演变过程。

从矿物学组成变化所代表的环境条件变迁,到稳定碳氧同位素变化指示的气候演变进程,再到铀系定年对结核生长提供的年龄约束,本部分研究深入探讨了 盐结核的形成机制,及其在极端干旱环境中的古气候意义。

进一步地,通过类比火星车在火星上发现的结核以及结核状构造,为火星的局部古气候演化提供参考。沉积 盐结核通常是毫米至分米尺寸、球状到次棱角状的 盐集合体,其内部通常具有同心层形成的环带结构。

在地球上的许多沉积环境中都可以发现 盐结核的存在,如平坦海山、浅潮下环境、陆地洪积平台以及湖相湿地等。有关 盐结核的研究提出了多种关于其成因的假说,包括成岩胶结凝固作用、生物扰动作用以及再沉积作用等。

盐结核的形成是多个沉积物内部因素相互作用的结果,如基质的特征(结构和孔隙度), 盐和非 盐矿物(黏土矿物)的分布,整体堆积密度等。而沉积物外部因素实际上也会对这一过程产生影响,这包括:沉积物源中 盐的含量、水储库、积尘率、沉积环境的发育时间等。

因此,不同沉积环境中的 盐结核往往具有不同的微结构与微形貌特征。WiederandYaalon认为, 盐结核是钙质结砾岩形成的初始阶段。

通过对沉积 盐结核的微形貌及结核状物质的分析,他们提出了结核在钙质沉积物中形成的主要过程:(1)低密度的基质首先形成方解石微晶;(2)方解石微晶在中等到较高密度基质中聚集形成松散的结核;(3)高密度的微晶方解石形成致密的钙化结核。

该研究主要强调微晶方解石在沉积物中的行为和作用,但这个仅通过观察得到的结果显然是不够深入的。Prager等人对美国佛罗里达州外大陆架海洋环境中的结核生长进行了观察。

这里的结核主要形成于35-65m深的海洋中,与传统观点强调结核在形成过程中表面发生转动不同,该研究认为,形成过程中沉积物的轻微复位就可以促进结核的生长。他们还在结核中观察到了大量与微生物有关的结构,因而认为藻类微生物对结核的生长贡献颇多。

这些早期的研究虽然提出了不同的结核生长机制,但都主要基于对结核结构及形貌的观察分析。Podwojewski详细研究了 盐结核及其周围沉积物的矿物学特征,认为结核的生长需要以下三个阶段:

沉积物中的蒙皂石等黏土矿物基质在干旱气候条件下收缩干裂出现孔隙;黏土在潮湿气候环境中再次吸水膨胀,使得裂缝平面变得光滑; 盐沉积物不会收缩膨胀,因而沉积在这些孔隙中;填充的 盐矿物不断向心积累,形成结核状构造。

Alonso-ZarzaandWright及Freytet的研究也支持结核的这种生长模式,他们普遍认为干旱形成的裂缝为后期的 盐提供了结晶和聚集的空间。但这些研究仍旧没有从根源上探究结核圈层结构形成的控制因素,因而有关结核圈层结构的成因机制仍需要进一步的研究。

早在年,双子号火星车之一机遇号就在火星子午线平原的一个沉积岩地层中发现了一些球状的结核构造。对这些小球的探测分析结果显示它们的主要成分是铁氧化物,但是其成因机制一直处在争论之中。

虽然前人将美国犹他州沙漠中铁质结核作为这些火星铁质结核的类似物进行研究,并且提出了一些关于这些铁质结核成因的假说,但由于缺乏对其前驱体及具体形成过程的验证,而不能令人信服。Potter等人研究了犹他州荒漠中砂岩结核的形成与分布特征,认为结核最开始以无定形水合铁氧化物的形式沉淀。

这些含铁矿物具有一定的孔隙度,后期形成的新矿物相充填到孔隙中,沿着径向生长。这些聚集体的内部结构在沉积后期发生了改变,主要通过渗透扩散反应,被后期的胶结物覆盖。他们认为这种相似的砂岩结核体在原位形成的球状结构,可以指示火星上也存在活跃的地下水岩相互作用。

除了机遇号之外,好奇号也在盖尔陨石坑的巡视的过程中发现了许多结核及球状构造。盖尔陨石坑位于火星表面全球两分性的界限处。前人通过对其地形地貌关系的研究,认为盖尔陨石坑形成于挪亚纪向西方纪过渡的时期,主要晚于火星晚挪亚纪时期高地峡谷网络活动,但早于侵蚀地貌的形成。

在形成之后,盖尔陨石坑经历了西方纪时期的主要沉积作用,在液态水能稳定存在的古代火星,作为一个沉积盆地而形成了大量的沉积结构。好奇号着陆的冲积扇底部就被证明为一个曾经具有宜居性的河湖相沉积环境。

在火星表面巡视的过程中,好奇号发现了大量的空心至实心球状结核构造。它们的尺寸从毫米至分米,且大部分的成分与周围沉积泥岩没有区别。黄刀湾组沉积岩中毫米尺寸的结核与机遇号在子午线平原沉积岩中发现的结核具有不同的形态及分布特征。Stack等人()将这些结核分为实心结核、空心结核以及填充结核三种类型。




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