廣州地化所在環(huán)境鐵濃度影響水鋁英石形成和轉(zhuǎn)化機(jī)制上取得進(jìn)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(guān)古環(huán)境古氣候。目前，基于火星軌道光譜數(shù)據(jù)——以可見(jiàn)-近紅外光譜（VNIR）數(shù)據(jù)為主，人們已初步記錄了火星全球尺度的礦物學(xué)特征，如粘土礦物和水合硫酸鹽礦物等的分布。對(duì)這些數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析結(jié)果表明，火星表面曾存在不同的水文地球化學(xué)環(huán)境，包括溫暖地表水，地下熱液系統(tǒng)和溫泉等。
除了結(jié)晶良好、相對(duì)容易鑒定的礦物外，火星表面還廣泛分布著低結(jié)晶度甚至無(wú)定形的物質(zhì)，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(xì)微，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，對(duì)環(huán)境變化更為敏感，可提供火星表面局部地區(qū)的更多水-巖相互作用信息。其中，水鋁英石類物質(zhì)是火星表面低反照率地區(qū)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(zhì)在中性到弱酸性環(huán)境（pH 5~7）中發(fā)生微弱晶化形成，火星上富含水鋁英石區(qū)域的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明火星在過(guò)去幾十億年內(nèi)并不只是發(fā)生了之前所認(rèn)為的全球性強(qiáng)酸性化學(xué)風(fēng)化作用（Rampe et al.，Geology，2012）。
近來(lái)，有研究者在火星科普雷茨峽谷（Coprates Chasma）發(fā)現(xiàn)了新近出露的鋁-硅-鐵凝膠物質(zhì)；基于其VNIR結(jié)果，認(rèn)為這些凝膠物質(zhì)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(rèn)為鐵可進(jìn)入水鋁英石結(jié)構(gòu)，但關(guān)于環(huán)境鐵濃度如何影響鋁-硅-鐵體系中水鋁英石的形成與轉(zhuǎn)化，以及水鋁英石中鐵賦存對(duì)其結(jié)構(gòu)和光譜特征的影響均并不清楚，這制約了對(duì)火星表面低結(jié)晶度礦物VNIR數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解析。
為此，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所袁鵬研究組杜培鑫博士等人研究了環(huán)境鐵濃度對(duì)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(yīng)所生成產(chǎn)物的物相、結(jié)構(gòu)和光譜特征變化，探討了實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)地球和火星表面相關(guān)環(huán)境的指示意義。
該研究發(fā)現(xiàn)：（1）環(huán)境鐵濃度控制著鋁-硅-鐵水熱體系中水鋁英石的形成和轉(zhuǎn)化：隨著鐵濃度升高，反應(yīng)體系內(nèi)的物相組成經(jīng)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(wú)定形二氧化硅等物相轉(zhuǎn)化過(guò)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(jié)晶度物質(zhì)時(shí)不敏感；而歸屬于鐵原子激發(fā)的特征吸收帶（0.4~1.2 μm）可用于探測(cè)鋁硅酸鹽中少量的結(jié)構(gòu)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(jié)合水鋁英石和四方纖鐵礦在地球上的獨(dú)特產(chǎn)出環(huán)境可推測(cè)，火星表面同時(shí)產(chǎn)出水鋁英石和四方纖鐵礦的地區(qū)可能存在一個(gè)富氯的鋁-硅-鐵體系（Fe/(Fe+Al)適中），并經(jīng)歷了弱酸到中性的環(huán)境。
上述認(rèn)識(shí)為理解地球表生風(fēng)化鋁-硅-鐵體系中水鋁英石的形成、演化提供了新依據(jù)，并有助于提高基于軌道光譜數(shù)據(jù)鑒定火星表面的低結(jié)晶度礦物、反演其古環(huán)境的準(zhǔn)確度。
該工作獲得了國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(fā)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(chǎn)物的XRD圖案（CoKα）。A：水鋁英石；Ak：四方纖鐵礦
