火星上的蒸發(fā)巖研究

王洪浩　李江?！≡S麗

關(guān)鍵詞：火星 蒸發(fā)巖 光譜

火星蒸發(fā)巖的研究興起于近十年間?；鹦翘綔y器和光譜研究可以對火星上蒸發(fā)巖的類型進行識別。在火星上以氯化物為主的蒸發(fā)巖多呈塊狀分布，主要集中于火星南半球中低緯度的高地，蒸發(fā)巖分布的不均一性很可能受控于火星地貌。

蒸發(fā)巖是海盆或湖盆中的鹵水經(jīng)蒸發(fā)、濃縮，鹽類物質(zhì)依不同的溶解度結(jié)晶而成的水溶性沉積礦物質(zhì)。蒸發(fā)巖是一種化學沉積巖，其礦物組成除石鹽（NaCl）外，還包括：氯化物、硫酸鹽、硫酸鹽-氯化物、碳酸鹽、硼酸鹽、硝酸鹽及非蒸發(fā)礦物（如碎屑物質(zhì)、有機質(zhì)等）等多種礦物類型?；鹦巧系恼舭l(fā)巖研究興起于近十年間，并逐漸成為地質(zhì)研究的熱點問題之一。由于蒸發(fā)巖的沉積多與鹵水相關(guān)。且地球上發(fā)現(xiàn)的一些最古老的有機體保存于鹽晶之中，因此，研究火星蒸發(fā)巖對于探討火星上地質(zhì)歷史時期鹵水的分布及在鹽層中探索有機生命體有著重要的意義。

火星上蒸發(fā)巖的識別方法

火星探測器和光譜研究成為研究火星上蒸發(fā)巖的最主要手段。2004年“機遇號”漫游機器人在火星上的子午線高原（Meridiani Planum）地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的蒸發(fā)巖沉積，推測礦物組成以硫酸鹽為主；隨后，“火星快車”（Mars Express）搭載的可見光及紅外礦物制圖光譜儀（OMEGA）通過光譜證據(jù)認為在火星的水手號峽谷（Valles Marineris）地區(qū)，存在層狀的含水硫酸鹽沉積（以石膏和硫酸鎂為主）。2008年，美國國家航空與航天局（NASA）的火星勘測軌道飛行器在火星上發(fā)現(xiàn)了中性或堿性水中形成的碳酸鹽巖。同年，美國學者利用NASA“奧德賽”火星探測器上的熱輻射成像系統(tǒng)（THEMIS）傳回的數(shù)據(jù)，分析了上千張火星表面的圖像，認為在火星表面存在大量暗色調(diào)的未知成分，并結(jié)合紅外光譜分析，認為此種未知成分為氯化物。

以THEMIS為例來簡單介紹基于光譜分析對于火星上蒸發(fā)巖的識別方法。

“奧德賽”火星探測器上的THEMIS由亞利桑那州立大學的火星太空飛行中心操作，主要包括兩個相互獨立的多光譜成像子系統(tǒng)：10波段熱紅外成像子系統(tǒng)（IR）和5波段可視成像子系統(tǒng)（VIS），其中IR的分辨率能達到100米/像素。THEMIS通過在可見光和紅外線波段拍攝以了解火星表面的熱狀況，并通過與火星全球探勘者號上的熱輻射光譜儀（TES）獲得的光譜數(shù)據(jù)進行交互使用，來對火星表面巖石成分進行測定。

THEMIS測量的吸收光譜包含兩個方面的信息：溫度和發(fā)射率。吸收光譜測量的主要部分是溫度，除非對資料進行修正。THEMIS在火星白晝拍攝的紅外線影像與地形暈渲地圖相當類似，可顯示出面向太陽的較亮斜坡（較高溫）和較暗的陰影區(qū)域（較低溫）。THEMIS的夜間影像則可以推測火星表面物質(zhì)的物理性質(zhì)，例如溫度差異代表了表面物質(zhì)的顆粒大小差異（熱慣性）等。

通過將THEMIS的紅外線影像除去黑體曲線可以移除溫度的影響。消除溫度影像后產(chǎn)生的能量模式就是火星表面特定礦物等物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)射光譜?？梢源_定的礦物有碳酸鹽、硅酸鹽、氫氧化物、硫酸鹽、非晶二氧化硅、氧化物、磷酸鹽等。多數(shù)類型的蒸發(fā)巖礦物可以通過THEMIS進行識別。但THEMIS對于氯化物的識別具有一定的局限性，需要結(jié)合熱輻射光譜儀（TES）獲得的光譜數(shù)據(jù)對氯化物進行識別。

所有硅酸鹽相的物質(zhì)（以及大多數(shù)碳酸鹽、硫酸鹽以及氧化物相的物質(zhì)）通過TES呈現(xiàn)出的輻射率在波數(shù)1350-300厘米^-1之間變化較大。但是，一些氯化物在這個范圍內(nèi)的光譜特征則顯得不那么突出?；鹦堑膸r石中若含有氯化物成分會降低輻射率，從而導致溫度的推導不正確，進而在發(fā)射光譜中出現(xiàn)斜坡。

基于同樣的觀測手段，通過紅外多光譜數(shù)據(jù)在地球上已經(jīng)可以對氯化物鹽類進行識別。如在美國加利福尼亞州的死亡谷（Death Valley），在中分辨率成像光譜儀（MODIS）、先進星載熱輻射與反射輻射計（ASTER，搭載在環(huán)繞地球的泰拉衛(wèi)星上，與THEMIS作用類似）的光譜特征的條件下（上述儀器覆蓋了和熱輻射成像系統(tǒng)波長范圍類似的頻段），石鹽（NaCl）的存在被準確地推測出來。

通過對火星上物質(zhì)的光譜觀測，利用單位輻射率在THEMIS和TES系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)衰減特征，實驗室實測的氯化物鹽類的特征，以及地球上類似的鑒別案例?？梢詫鹦巧弦月然餅橹鞯某练e物進行識別。

火星上蒸發(fā)巖的分布

火星上的氯化物在熱輻射成像系統(tǒng)的圖像上表現(xiàn)為藍色，多呈塊狀分布，面積大小在1-25公里²。且彼此互不相連，多具有流動構(gòu)造的特征，在地理位置上多分布于火星上火山口周圍。

基于上述光譜分析方法，研究人員在火星地表發(fā)現(xiàn)了幾十處較大的以氯化物為主的蒸發(fā)巖沉積。從中可見火星上以氯化物為主的蒸發(fā)巖分布在空間上具有不均一性，主要集中分布于火星南半球中低緯度的高地，在北半球則未見典型的蒸發(fā)巖沉積。形成此種現(xiàn)象的原因可能與火星的地形有關(guān)，火星北半球多為平原，不利于鹵水的積累和蒸發(fā)巖沉積。上述鹽田大多分布于火星南半球高地中地勢相對較低的低洼處，旁邊有很多溝渠通向這些鹽田，據(jù)估計這些蒸發(fā)巖沉積可能形成于中晚期諾亞時代（Noachian Epoch），距今大約為39億到35億年。

關(guān)于火星上蒸發(fā)巖的成因，完全風化成因不足以解釋地表鹽沉積層的多邊形形狀，鹵水的蒸發(fā)可能也是其重要的成因，火山口是地表徑流的儲集以及地表與地下水的交匯理想的地區(qū)，故鹽巖多產(chǎn)于火山口附近，甚至充填整個火山口。此外，外來隕石的沖擊導致巖石的熔融也能解釋一部分蒸發(fā)巖的成因。

由于蒸發(fā)巖特殊的力學性質(zhì)，地球上的蒸發(fā)巖往往會形成各種類型的鹽構(gòu)造，在地表可見鹽穹窿、逆沖鹽席、滑脫褶皺等多種鹽構(gòu)造類型?；诨鹦堑乇碜冃螛邮胶偷厍螓}構(gòu)造變形樣式的對比，可認為除了在地表基于光譜分析識別出的蒸發(fā)巖外，在火星的地下也存有一定數(shù)量的蒸發(fā)巖沉積，并且在部分地區(qū)蒸發(fā)巖的變形是全球尺度的，如火星的水手號峽谷（Valles Marineris）地區(qū)。

火星上蒸發(fā)巖的類型

現(xiàn)在火星表面環(huán)境因為大氣壓力和溫度過低，會讓液態(tài)水蒸發(fā)或凝固而無法存在。但目前大量的證據(jù)表明火星上曾經(jīng)有大量液態(tài)水存在于表面或地表下，如古河床、極冠、光譜、被侵蝕的撞擊坑和針鐵礦等礦物都直接顯示火星曾經(jīng)存在液態(tài)水。關(guān)于火星上液態(tài)水消失的原因，目前尚未有合理的解釋。

火星地表部分區(qū)域的硫酸鹽和氯化物，很可能是古代海水蒸發(fā)后留下的。硫酸鹽集中在火星的土壤層表面，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是火星上地殼的硫元素被水溶解后向上運輸?shù)降乇?，后水分被蒸發(fā)，硫酸鹽得以沉積，這在地球上的沙漠中是很常見的現(xiàn)象。這些硫可能與鈉、鎂、鈣或鐵形成硫酸鹽或鐵的硫化物存在。

“海盜號”登陸器的火星表面巖石化學實驗結(jié)果顯示火星表面礦物有約90%是富含鐵的黏土混合物；其中約10%是硫酸鎂（可能是硫酸鎂石）、約5%是碳酸鹽（方解石）、約5%是鐵氧化物（可能有赤鐵礦、磁鐵礦、針鐵礦）。這些礦物是典型的基性火成巖風化產(chǎn)物，也是水曾經(jīng)存在的證據(jù)。火星上古代水的存在，使得鹵水蒸發(fā)導致大量鹽巖沉積成為可能。

通過對火星上的鹵水進行化學分類系統(tǒng)的研究，表明火星上鹵水在蒸發(fā)的晚期只有五種主要類型會出現(xiàn)（其中三種類型均富含氯、鎂，在主量元素組成上基本一致，只在一些微量元素的組成上有差異）。研究認為這五種主要類型鹵水含有的主量元素類型很少，主要的蒸發(fā)鹽礦物為石鹽、鉀石鹽、水氯鎂石、南極石（六水合氯化鈣）、蘇打石、重碳鉀石、雜鹵石、鈣芒硝、無水芒硝等?；鹦巧系柠u水相當特別——全部呈現(xiàn)極端的酸性，除第一種類型的鹵水pH值在3-4之間外，其余四種鹵水的pH值均在0-2之間，這種類型的鹵水在地球上只有極少的類似物。蒸發(fā)作用會導致鹵水中礦物離子高度集中，到一定程度后，高度可溶的礦物會從鹵水中析出。

綜上所述，基于火星探測器和光譜研究可以對火星地表上的各類蒸發(fā)巖進行識別，其中氯化物的識別方法比其他蒸發(fā)巖類的復雜，需要結(jié)合THEMIS和TES的光譜數(shù)據(jù)研究，在火星上以氯化物為主的蒸發(fā)巖多呈塊狀分布。主要集中于火星南半球中低緯度的高地，蒸發(fā)巖分布的不均一性很可能受控于火星地貌，蒸發(fā)巖的成因很大可能性為鹵水蒸發(fā)。與地球上的鹵水類型不同，火星上的鹵水在蒸發(fā)的晚期通常體現(xiàn)為極端的酸性，產(chǎn)生的主要蒸發(fā)巖礦物為石鹽、鉀石鹽、水氯鎂石、南極石、蘇打石、重碳鉀石、雜鹵石、鈣芒硝、無水芒硝等。