火星上的蒸发岩研究

王洪浩　李江海　许丽

关键词：火星 蒸发岩 光谱

火星蒸发岩的研究兴起于近十年间。火星探测器和光谱研究可以对火星上蒸发岩的类型进行识别。在火星上以氯化物为主的蒸发岩多呈块状分布，主要集中于火星南半球中低纬度的高地，蒸发岩分布的不均一性很可能受控于火星地貌。

蒸发岩是海盆或湖盆中的卤水经蒸发、浓缩，盐类物质依不同的溶解度结晶而成的水溶性沉积矿物质。蒸发岩是一种化学沉积岩，其矿物组成除石盐（NaCl）外，还包括：氯化物、硫酸盐、硫酸盐-氯化物、碳酸盐、硼酸盐、硝酸盐及非蒸发矿物（如碎屑物质、有机质等）等多种矿物类型。火星上的蒸发岩研究兴起于近十年间，并逐渐成为地质研究的热点问题之一。由于蒸发岩的沉积多与卤水相关。且地球上发现的一些最古老的有机体保存于盐晶之中，因此，研究火星蒸发岩对于探讨火星上地质历史时期卤水的分布及在盐层中探索有机生命体有着重要的意义。

火星上蒸发岩的识别方法

火星探测器和光谱研究成为研究火星上蒸发岩的最主要手段。2004年“机遇号”漫游机器人在火星上的子午线高原（Meridiani Planum）地区发现了大量的蒸发岩沉积，推测矿物组成以硫酸盐为主；随后，“火星快车”（Mars Express）搭载的可见光及红外矿物制图光谱仪（OMEGA）通过光谱证据认为在火星的水手号峡谷（Valles Marineris）地区，存在层状的含水硫酸盐沉积（以石膏和硫酸镁为主）。2008年，美国国家航空与航天局（NASA）的火星勘测轨道飞行器在火星上发现了中性或碱性水中形成的碳酸盐岩。同年，美国学者利用NASA“奥德赛”火星探测器上的热辐射成像系统（THEMIS）传回的数据，分析了上千张火星表面的图像，认为在火星表面存在大量暗色调的未知成分，并结合红外光谱分析，认为此种未知成分为氯化物。

以THEMIS为例来简单介绍基于光谱分析对于火星上蒸发岩的识别方法。

“奥德赛”火星探测器上的THEMIS由亚利桑那州立大学的火星太空飞行中心操作，主要包括两个相互独立的多光谱成像子系统：10波段热红外成像子系统（IR）和5波段可视成像子系统（VIS），其中IR的分辨率能达到100米/像素。THEMIS通过在可见光和红外线波段拍摄以了解火星表面的热状况，并通过与火星全球探勘者号上的热辐射光谱仪（TES）获得的光谱数据进行交互使用，来对火星表面岩石成分进行测定。

THEMIS测量的吸收光谱包含两个方面的信息：温度和发射率。吸收光谱测量的主要部分是温度，除非对资料进行修正。THEMIS在火星白昼拍摄的红外线影像与地形晕渲地图相当类似，可显示出面向太阳的较亮斜坡（较高温）和较暗的阴影区域（较低温）。THEMIS的夜间影像则可以推测火星表面物质的物理性质，例如温度差异代表了表面物质的颗粒大小差异（热惯性）等。

通过将THEMIS的红外线影像除去黑体曲线可以移除温度的影响。消除温度影像后产生的能量模式就是火星表面特定矿物等物质产生的发射光谱。可以确定的矿物有碳酸盐、硅酸盐、氢氧化物、硫酸盐、非晶二氧化硅、氧化物、磷酸盐等。多数类型的蒸发岩矿物可以通过THEMIS进行识别。但THEMIS对于氯化物的识别具有一定的局限性，需要结合热辐射光谱仪（TES）获得的光谱数据对氯化物进行识别。

所有硅酸盐相的物质（以及大多数碳酸盐、硫酸盐以及氧化物相的物质）通过TES呈现出的辐射率在波数1350-300厘米^-1之间变化较大。但是，一些氯化物在这个范围内的光谱特征则显得不那么突出。火星的岩石中若含有氯化物成分会降低辐射率，从而导致温度的推导不正确，进而在发射光谱中出现斜坡。

基于同樣的观测手段，通过红外多光谱数据在地球上已经可以对氯化物盐类进行识别。如在美国加利福尼亚州的死亡谷（Death Valley），在中分辨率成像光谱仪（MODIS）、先进星载热辐射与反射辐射计（ASTER，搭载在环绕地球的泰拉卫星上，与THEMIS作用类似）的光谱特征的条件下（上述仪器覆盖了和热辐射成像系统波长范围类似的频段），石盐（NaCl）的存在被准确地推测出来。

通过对火星上物质的光谱观测，利用单位辐射率在THEMIS和TES系统下的数据衰减特征，实验室实测的氯化物盐类的特征，以及地球上类似的鉴别案例。可以对火星上以氯化物为主的沉积物进行识别。

火星上蒸发岩的分布

火星上的氯化物在热辐射成像系统的图像上表现为蓝色，多呈块状分布，面积大小在1-25公里²。且彼此互不相连，多具有流动构造的特征，在地理位置上多分布于火星上火山口周围。

基于上述光谱分析方法，研究人员在火星地表发现了几十处较大的以氯化物为主的蒸发岩沉积。从中可见火星上以氯化物为主的蒸发岩分布在空间上具有不均一性，主要集中分布于火星南半球中低纬度的高地，在北半球则未见典型的蒸发岩沉积。形成此种现象的原因可能与火星的地形有关，火星北半球多为平原，不利于卤水的积累和蒸发岩沉积。上述盐田大多分布于火星南半球高地中地势相对较低的低洼处，旁边有很多沟渠通向这些盐田，据估计这些蒸发岩沉积可能形成于中晚期诺亚时代（Noachian Epoch），距今大约为39亿到35亿年。

关于火星上蒸发岩的成因，完全风化成因不足以解释地表盐沉积层的多边形形状，卤水的蒸发可能也是其重要的成因，火山口是地表径流的储集以及地表与地下水的交汇理想的地区，故盐岩多产于火山口附近，甚至充填整个火山口。此外，外来陨石的冲击导致岩石的熔融也能解释一部分蒸发岩的成因。

由于蒸发岩特殊的力学性质，地球上的蒸发岩往往会形成各种类型的盐构造，在地表可见盐穹窿、逆冲盐席、滑脱褶皱等多种盐构造类型。基于火星地表变形样式和地球盐构造变形样式的对比，可认为除了在地表基于光谱分析识别出的蒸发岩外，在火星的地下也存有一定数量的蒸发岩沉积，并且在部分地区蒸发岩的变形是全球尺度的，如火星的水手号峡谷（Valles Marineris）地区。

火星上蒸发岩的类型

现在火星表面环境因为大气压力和温度过低，会让液态水蒸发或凝固而无法存在。但目前大量的证据表明火星上曾经有大量液态水存在于表面或地表下，如古河床、极冠、光谱、被侵蚀的撞击坑和针铁矿等矿物都直接显示火星曾经存在液态水。关于火星上液态水消失的原因，目前尚未有合理的解释。

火星地表部分区域的硫酸盐和氯化物，很可能是古代海水蒸发后留下的。硫酸盐集中在火星的土壤层表面，产生这种现象的原因可能是火星上地壳的硫元素被水溶解后向上运输到地表，后水分被蒸发，硫酸盐得以沉积，这在地球上的沙漠中是很常見的现象。这些硫可能与钠、镁、钙或铁形成硫酸盐或铁的硫化物存在。

“海盗号”登陆器的火星表面岩石化学实验结果显示火星表面矿物有约90%是富含铁的黏土混合物；其中约10%是硫酸镁（可能是硫酸镁石）、约5%是碳酸盐（方解石）、约5%是铁氧化物（可能有赤铁矿、磁铁矿、针铁矿）。这些矿物是典型的基性火成岩风化产物，也是水曾经存在的证据。火星上古代水的存在，使得卤水蒸发导致大量盐岩沉积成为可能。

通过对火星上的卤水进行化学分类系统的研究，表明火星上卤水在蒸发的晚期只有五种主要类型会出现（其中三种类型均富含氯、镁，在主量元素组成上基本一致，只在一些微量元素的组成上有差异）。研究认为这五种主要类型卤水含有的主量元素类型很少，主要的蒸发盐矿物为石盐、钾石盐、水氯镁石、南极石（六水合氯化钙）、苏打石、重碳钾石、杂卤石、钙芒硝、无水芒硝等。火星上的卤水相当特别——全部呈现极端的酸性，除第一种类型的卤水pH值在3-4之间外，其余四种卤水的pH值均在0-2之间，这种类型的卤水在地球上只有极少的类似物。蒸发作用会导致卤水中矿物离子高度集中，到一定程度后，高度可溶的矿物会从卤水中析出。

综上所述，基于火星探测器和光谱研究可以对火星地表上的各类蒸发岩进行识别，其中氯化物的识别方法比其他蒸发岩类的复杂，需要结合THEMIS和TES的光谱数据研究，在火星上以氯化物为主的蒸发岩多呈块状分布。主要集中于火星南半球中低纬度的高地，蒸发岩分布的不均一性很可能受控于火星地貌，蒸发岩的成因很大可能性为卤水蒸发。与地球上的卤水类型不同，火星上的卤水在蒸发的晚期通常体现为极端的酸性，产生的主要蒸发岩矿物为石盐、钾石盐、水氯镁石、南极石、苏打石、重碳钾石、杂卤石、钙芒硝、无水芒硝等。