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。火星探測(cè)器和光譜研究可以對(duì)火星上蒸發(fā)巖的類(lèi)型進(jìn)行識(shí)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(lèi)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(xué)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(jī)質(zhì)等）等多種礦物類(lèi)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(diǎn)問(wèn)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(jī)體保存于鹽晶之中，因此，研究火星蒸發(fā)巖對(duì)于探討火星上地質(zhì)歷史時(shí)期鹵水的分布及在鹽層中探索有機(jī)生命體有著重要的意義。

火星上蒸發(fā)巖的識(shí)別方法

火星探測(cè)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(jī)遇號(hào)”漫游機(jī)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(cè)礦物組成以硫酸鹽為主；隨后，“火星快車(chē)”（Mars Express）搭載的可見(jiàn)光及紅外礦物制圖光譜儀（OMEGA）通過(guò)光譜證據(jù)認(rèn)為在火星的水手號(hào)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(guó)國(guó)家航空與航天局（NASA）的火星勘測(cè)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(guó)學(xué)者利用NASA“奧德賽”火星探測(cè)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(rèn)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(rèn)為此種未知成分為氯化物。

以THEMIS為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹基于光譜分析對(duì)于火星上蒸發(fā)巖的識(shí)別方法。

“奧德賽”火星探測(cè)器上的THEMIS由亞利桑那州立大學(xué)的火星太空飛行中心操作，主要包括兩個(gè)相互獨(dú)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(dá)到100米/像素。THEMIS通過(guò)在可見(jiàn)光和紅外線波段拍攝以了解火星表面的熱狀況，并通過(guò)與火星全球探勘者號(hào)上的熱輻射光譜儀（TES）獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行交互使用，來(lái)對(duì)火星表面巖石成分進(jìn)行測(cè)定。

THEMIS測(cè)量的吸收光譜包含兩個(gè)方面的信息：溫度和發(fā)射率。吸收光譜測(cè)量的主要部分是溫度，除非對(duì)資料進(jìn)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(dāng)類(lèi)似，可顯示出面向太陽(yáng)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(cè)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(guò)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。可以確定的礦物有碳酸鹽、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(lèi)型的蒸發(fā)巖礦物可以通過(guò)THEMIS進(jìn)行識(shí)別。但THEMIS對(duì)于氯化物的識(shí)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(duì)氯化物進(jìn)行識(shí)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(guò)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(gè)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(huì)降低輻射率，從而導(dǎo)致溫度的推導(dǎo)不正確，進(jìn)而在發(fā)射光譜中出現(xiàn)斜坡。

基于同樣的觀測(cè)手段，通過(guò)紅外多光譜數(shù)據(jù)在地球上已經(jīng)可以對(duì)氯化物鹽類(lèi)進(jìn)行識(shí)別。如在美國(guó)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(jìn)星載熱輻射與反射輻射計(jì)（ASTER，搭載在環(huán)繞地球的泰拉衛(wèi)星上，與THEMIS作用類(lèi)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(zhǎng)范圍類(lèi)似的頻段），石鹽（NaCl）的存在被準(zhǔn)確地推測(cè)出來(lái)。

通過(guò)對(duì)火星上物質(zhì)的光譜觀測(cè)，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(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的氯化物鹽類(lèi)的特征，以及地球上類(lèi)似的鑒別案例?？梢詫?duì)火星上以氯化物為主的沉積物進(jìn)行識(shí)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(lán)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(dòng)構(gòu)造的特征，在地理位置上多分布于火星上火山口周?chē)?/p>

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(jiàn)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(jiàn)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(shì)相對(duì)較低的低洼處，旁邊有很多溝渠通向這些鹽田，據(jù)估計(jì)這些蒸發(fā)巖沉積可能形成于中晚期諾亞時(shí)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(fēng)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(chǔ)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(gè)火山口。此外，外來(lái)隕石的沖擊導(dǎo)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(xué)性質(zhì)，地球上的蒸發(fā)巖往往會(huì)形成各種類(lèi)型的鹽構(gòu)造，在地表可見(jiàn)鹽穹窿、逆沖鹽席、滑脫褶皺等多種鹽構(gòu)造類(lèi)型。基于火星地表變形樣式和地球鹽構(gòu)造變形樣式的對(duì)比，可認(rèn)為除了在地表基于光譜分析識(shí)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(hào)峽谷（Valles Marineris）地區(qū)。

火星上蒸發(fā)巖的類(lèi)型

現(xiàn)在火星表面環(huán)境因?yàn)榇髿鈮毫蜏囟冗^(guò)低，會(huì)讓液態(tài)水蒸發(fā)或凝固而無(wú)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(yùn)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(jiàn)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(hào)”登陸器的火星表面巖石化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(fēng)化產(chǎn)物，也是水曾經(jīng)存在的證據(jù)?；鹦巧瞎糯拇嬖?，使得鹵水蒸發(fā)導(dǎo)致大量鹽巖沉積成為可能。

通過(guò)對(duì)火星上的鹵水進(jìn)行化學(xué)分類(lèi)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(lèi)型會(huì)出現(xiàn)（其中三種類(lèi)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(rèn)為這五種主要類(lèi)型鹵水含有的主量元素類(lèi)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(wú)水芒硝等。火星上的鹵水相當(dāng)特別——全部呈現(xiàn)極端的酸性，除第一種類(lèi)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(lèi)型的鹵水在地球上只有極少的類(lèi)似物。蒸發(fā)作用會(huì)導(dǎo)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(huì)從鹵水中析出。

綜上所述，基于火星探測(cè)器和光譜研究可以對(duì)火星地表上的各類(lèi)蒸發(fā)巖進(jìn)行識(shí)別，其中氯化物的識(shí)別方法比其他蒸發(fā)巖類(lèi)的復(fù)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(lèi)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(wú)水芒硝等。