張?zhí)扃?、陶奇?JGR-Planets:環(huán)境CO?與硅協(xié)同調(diào)控火星蒙皂石形成新機(jī)制
火星次生礦物作為水-巖石-大氣相互作用的直接產(chǎn)物,是揭示火星古氣候環(huán)境演化和宜居性潛力的關(guān)鍵媒介。遙感探測(cè)顯示,諾亞紀(jì)至早西方紀(jì)的火星表面廣泛分布鎂鐵質(zhì)蒙皂石,而同期大氣CO2本應(yīng)驅(qū)動(dòng)碳酸鹽大規(guī)模沉積,但后者僅零星出露。這一“碳酸鹽缺失之謎”長(zhǎng)期制約著對(duì)火星早期溫室效應(yīng)維持機(jī)制及碳循環(huán)過(guò)程的理解。
針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所張?zhí)扃┦俊⑻掌嫜芯繂T(通訊作者)、何宏平研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬火星古環(huán)境的水熱實(shí)驗(yàn),提出反向風(fēng)化礦物轉(zhuǎn)化機(jī)制,揭示了環(huán)境硅(Si)濃度與大氣CO2對(duì)次生礦物演化的協(xié)同控制作用,并提出水滑石介導(dǎo)的碳源-碳匯轉(zhuǎn)換新機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境Si濃度梯度控制礦物相變序列(圖1-2)。在低硅環(huán)境中,大氣CO2深度參與形成CO32-類型的鎂鐵水滑石(化學(xué)式:Mg?Fe?(OH)??CO?·4H?O),其XRD特征峰(7.82 ?)及紅外吸收(1380 cm?1)證實(shí)其為火星潛在碳酸鹽庫(kù);而在中高硅濃度環(huán)境,硅氧低聚陰離子將與CO32-競(jìng)爭(zhēng)插層進(jìn)入水滑石層間,隨后經(jīng)離子溶解、類質(zhì)同像置換等復(fù)雜過(guò)程轉(zhuǎn)化為蛇紋石(7.57 ?層間距)和蒙皂石(14.79 ?層間距)。這一轉(zhuǎn)化機(jī)制導(dǎo)致原本固定在礦物中的CO2重新釋放到大氣中,從而實(shí)現(xiàn)了“碳匯-碳源”的角色轉(zhuǎn)變(圖2)。該轉(zhuǎn)化路徑合理解釋了火星表面碳酸鹽稀缺性與蒙皂石優(yōu)勢(shì)性共存現(xiàn)象,并為早期火星通過(guò)間歇性CO?釋放維持溫室效應(yīng)提供了新思路。
進(jìn)而,作者提取了火星Nili Fossae、Stokes撞擊坑和Ladon盆地等區(qū)域表面次生礦物的CRISM遙感近紅外光譜。經(jīng)與合成樣品及標(biāo)準(zhǔn)光譜庫(kù)類似礦物光譜比對(duì),提出基于1.95?μm+2.48?μm+2.53?μm組合光譜特征識(shí)別火星水滑石的判定依據(jù)(圖3),為未來(lái)探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)篩選提供了重要參考。
本研究受國(guó)家自然科學(xué)基金(42272038,42072044)和廣東省科技計(jì)劃(2020B1212060055)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。相關(guān)成果近期在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Geophysical Research: Planets。
論文信息:Zhang,?Tianqi(張?zhí)扃??Tao,?Qi*(陶奇);?Qin,?Xiaorong(秦效榮);?Wu,?Yuchun(武雨純);?Xi,?Jiaxin(席佳鑫);?Liang,?Xiaoliang(梁曉亮), He,?Hongping(何宏平), Komarneni,?Sridhar. (2025). Martian smectites formation regulated by environmental CO2?and Si. Journal of Geophysical Research: Planets, 130, e2024JE008619. https://doi.org/10.1029/2024JE008619

圖1. 不同Si濃度下次生礦物的XRD圖。
注:P-pyroaurite;L-利蛇紋石;H-赤鐵礦;S-蒙脫石;AMS-無(wú)定形二氧化硅。數(shù)字表示以埃為單位的晶面間距。

圖2. 硅調(diào)控作用下水滑石(體系中為pyroaurite)向利蛇紋石(lizardite)及鎂鐵蒙脫石(MgFe-smectite)轉(zhuǎn)化的概念模型。二氧化碳最初被固定在水滑石結(jié)構(gòu)中,最后被重新釋放到環(huán)境。

圖3.?火星疑似水滑石出露區(qū)域的CRISM近紅外數(shù)據(jù)解析。
(a)FRT000128EA的假彩色圖像;(b)FRT000093BE的假彩色圖像;(c)FRT0000ADA4的假彩色圖像;(d)Ladon Basin、Nili Fossae和Stokes Crater地區(qū)、本研究(彩色)和標(biāo)準(zhǔn)光譜庫(kù)(黑色,源自PDS、ECOSTRESS和USGS數(shù)據(jù)庫(kù))類似礦物光譜特征對(duì)比。

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