廣州地化所在環境鐵濃度影響水鋁英石形成和轉化機制上取得進展
火星表面的巖石礦物組合研究有助于推演沉積物的形成和演化歷史以及相關古環境古氣候。目前，基于火星軌道光譜數據——以可見-近紅外光譜（VNIR）數據為主，人們已初步記錄了火星全球尺度的礦物學特征，如粘土礦物和水合硫酸鹽礦物等的分布。對這些數據的進一步分析結果表明，火星表面曾存在不同的水文地球化學環境，包括溫暖地表水，地下熱液系統和溫泉等。
除了結晶良好、相對容易鑒定的礦物外，火星表面還廣泛分布著低結晶度甚至無定形的物質，如水鋁英石、水鐵礦和A型蛋白石等。這類礦物顆粒粒徑極其細微，結構穩定性差，對環境變化更為敏感，可提供火星表面局部地區的更多水-巖相互作用信息。其中，水鋁英石類物質是火星表面低反照率地區的重要組分，其占沉積物的含量約為10~28%。鑒于地球上的水鋁英石多是由火山源物質在中性到弱酸性環境（pH 5~7）中發生微弱晶化形成，火星上富含水鋁英石區域的發現，說明火星在過去幾十億年內并不只是發生了之前所認為的全球性強酸性化學風化作用（Rampe et al.，Geology，2012）。
近來，有研究者在火星科普雷茨峽谷（Coprates Chasma）發現了新近出露的鋁-硅-鐵凝膠物質；基于其VNIR結果，認為這些凝膠物質為含鐵水鋁英石。反觀地球上，雖然天然水鋁英石常與鐵氧化物（如水鐵礦）共生或伴生，且已有少量研究認為鐵可進入水鋁英石結構，但關于環境鐵濃度如何影響鋁-硅-鐵體系中水鋁英石的形成與轉化，以及水鋁英石中鐵賦存對其結構和光譜特征的影響均并不清楚，這制約了對火星表面低結晶度礦物VNIR數據的準確解析。
為此，中國科學院廣州地球化學研究所袁鵬研究組杜培鑫博士等人研究了環境鐵濃度對鋁-硅-鐵體系中水鋁英石形成和演化的影響。他們？采用X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、透射電子顯微鏡（TEM）、穆斯堡爾譜（Mo？ssbauer）和VNIR等手段，研究了不同濃度Fe(III)存在的條件下，水鋁英石水熱合成反應所生成產物的物相、結構和光譜特征變化，探討了實驗結果對地球和火星表面相關環境的指示意義。
該研究發現：（1）環境鐵濃度控制著鋁-硅-鐵水熱體系中水鋁英石的形成和轉化：隨著鐵濃度升高，反應體系內的物相組成經歷了（含鐵）水鋁英石——含鐵（原）水鋁英石+（原）四方纖鐵礦——（原）四方纖鐵礦+無定形二氧化硅等物相轉化過程（圖1）。（2）常用于火星表面礦物鑒定的近紅外光譜波段（1.2~2.6 μm）在鑒定該體系的低結晶度物質時不敏感；而歸屬于鐵原子激發的特征吸收帶（0.4~1.2 μm）可用于探測鋁硅酸鹽中少量的結構鐵，定性鑒別伴生鐵氧化物的種類，以及定量分析土壤或沉積物中的總鐵（圖2）。（3）結合水鋁英石和四方纖鐵礦在地球上的獨特產出環境可推測，火星表面同時產出水鋁英石和四方纖鐵礦的地區可能存在一個富氯的鋁-硅-鐵體系（Fe/(Fe+Al)適中），并經歷了弱酸到中性的環境。
上述認識為理解地球表生風化鋁-硅-鐵體系中水鋁英石的形成、演化提供了新依據，并有助于提高基于軌道光譜數據鑒定火星表面的低結晶度礦物、反演其古環境的準確度。
該工作獲得了國家高層次人才特殊支持計劃領軍人才項目、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目的資助。論文以“Effects of environmental Fe concentrations on formation and evolution of allophane in Al-Si-Fe systems: Implications for both Earth and Mars”為題發表于2020年第12期Journal of Geophysical Research-Planets。
全文鏈接：https://doi.org/10.1029/2020JE006590。
圖1 不同初始Fe/(Fe + Al)摩爾比下所得產物的XRD圖案（CoKα）。A：水鋁英石；Ak：四方纖鐵礦
