碳酸鹽結(jié)核的成因機(jī)制研究取得新進(jìn)展
凝固結(jié)核的形成是地球與火星表生環(huán)境中一種常見的地質(zhì)過程，但有關(guān)結(jié)核的形成機(jī)制及其響應(yīng)氣候變化的礦物學(xué)和地球化學(xué)特征仍然需要進(jìn)一步的研究。此外，好奇號在火星表面巡視的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些結(jié)核及空心球狀構(gòu)造。相關(guān)研究通過對這些火星結(jié)核尺寸、分布等特征的研究，認(rèn)為具有滲透性的沉積物、活躍的水環(huán)境和飽和的流體是形成這些結(jié)核的關(guān)鍵因素。然而，由于火星結(jié)核成分和內(nèi)部特征信息的缺失，目前尚且不能對其成因做進(jìn)一步的約束。
柴達(dá)木盆地作為地球上最大的類火星環(huán)境之一，其極端環(huán)境中沉積相的形成機(jī)制及古氣候意義對火星探測具有重要的參考價(jià)值。近期，廣州地化所何宏平研究員團(tuán)隊(duì)與香港大學(xué)、加拿大阿爾伯塔大學(xué)合作，在柴達(dá)木盆地西部阿爾金山山麓地帶的一個(gè)古洪積臺地上發(fā)現(xiàn)了大量的碳酸鹽結(jié)核（圖1）。對結(jié)核詳細(xì)的礦物學(xué)與地球化學(xué)研究揭示了一個(gè)在波動中逐漸干旱的古氣候條件。鈾系定年分析為結(jié)核的生長提供了年齡約束。
圖1：柴達(dá)木結(jié)核的野外分布
研究結(jié)果表明，在距今25萬年前，阿爾金山山麓地帶的水環(huán)境有利于文石的沉積，這些文石和碎屑礦物構(gòu)成了碳酸鹽結(jié)核的核部。在接下來10萬年間的洪水作用中，持續(xù)波動的水化學(xué)條件使構(gòu)成結(jié)核的高鎂方解石出現(xiàn)不同的元素含量（如錳）、碳酸鹽晶體形態(tài)以及孔隙度。在洪水鹽度高的時(shí)期，結(jié)核碳酸鹽具有更高的錳含量、更大的碳酸鹽晶體，因而形成的圈層具有更大的孔隙度；低鹽度時(shí)期則相反。致密的碳酸鹽與疏松的碳酸鹽交替成層，形成了結(jié)核特征性的圈層結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2. 柴達(dá)木盆地碳酸鹽結(jié)核的圈層結(jié)構(gòu)。淺色圈層的錳含量更高，碳酸鹽結(jié)晶度更好，孔隙度更大，代表形成環(huán)境的鹽度更高
結(jié)核碳酸鹽的碳氧同位素還記錄了一個(gè)持續(xù)干旱的氣候演變進(jìn)程：瑞利分餾模型顯示，結(jié)核形成的十萬年間，蒸發(fā)作用導(dǎo)致水體減少了50%的H2O和25%的溶解CO2（圖3）。這些結(jié)果表明，干旱環(huán)境中形成的碳酸鹽結(jié)核是一個(gè)非常有效的古氣候變化指標(biāo)。
圖3. 結(jié)核穩(wěn)定碳氧同位素的瑞利分餾模擬
根據(jù)與火星蓋爾隕石坑沉積環(huán)境的對比，該研究認(rèn)為，蓋爾結(jié)核可能經(jīng)歷了與柴達(dá)木結(jié)核相似的演化歷史，記錄了古火星表面液態(tài)水穩(wěn)定存在最后時(shí)期的關(guān)鍵信息。古火星可能經(jīng)歷了表面環(huán)境有利于碳酸鹽結(jié)核形成的環(huán)境，并且這些排水不良的環(huán)境具有長期富水的特點(diǎn)，很可能演化出火星表面最后階段的可居環(huán)境。
上述研究成果發(fā)表在Geochemistry, Geophysics, Geosystems上，作者為：孫宇、李一良、李侃、李龍、何宏平，本研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金的資助。
文章信息：
Sun, Y., Li, Y., Li, K., Li, L., & He, H. (2021). Massive deposition of carbonate nodules in the hyperarid northwest Qaidam Basin of the northern Tibetan Plateau. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22, e2021GC009654. https://doi.org/10.1 029/2021GC009654
文章鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GC009654
