科研进展

广州地化所在环境铁浓度影响水铝英石形成和转化机制上取得进展

  

  火星表面的岩石矿物组合研究有助于推演沉积物的形成和演化历史以及相关古环境古气候。目前,基于火星轨道光谱数据——以可见-近红外光谱(VNIR)数据为主,人们已初步记录了火星全球尺度的矿物学特征,如粘土矿物和水合硫酸盐矿物等的分布。对这些数据的进一步分析结果表明,火星表面曾存在不同的水文地球化学环境,包括温暖地表水,地下热液系统和温泉等。

  除了结晶良好、相对容易鉴定的矿物外,火星表面还广泛分布着低结晶度甚至无定形的物质,如水铝英石、水铁矿和A型蛋白石等。这类矿物颗粒粒径极其细微,结构稳定性差,对环境变化更为敏感,可提供火星表面局部地区的更多水-岩相互作用信息。其中,水铝英石类物质是火星表面低反照率地区的重要组分,其占沉积物的含量约为10~28%。鉴于地球上的水铝英石多是由火山源物质在中性到弱酸性环境(pH 5~7)中发生微弱晶化形成,火星上富含水铝英石区域的发现,说明火星在过去几十亿年内并不只是发生了之前所认为的全球性强酸性化学风化作用(Rampe et al.,Geology,2012)。

  近来,有研究者在火星科普雷茨峡谷(Coprates Chasma)发现了新近出露的铝-硅-铁凝胶物质;基于其VNIR结果,认为这些凝胶物质为含铁水铝英石。反观地球上,虽然天然水铝英石常与铁氧化物(如水铁矿)共生或伴生,且已有少量研究认为铁可进入水铝英石结构,但关于环境铁浓度如何影响铝-硅-铁体系中水铝英石的形成与转化,以及水铝英石中铁赋存对其结构和光谱特征的影响均并不清楚,这制约了对火星表面低结晶度矿物VNIR数据的准确解析。

  为此,中国科学院广州地球化学研究所袁鹏研究组杜培鑫博士等人研究了环境铁浓度对铝-硅-铁体系中水铝英石形成和演化的影响。他们?采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、穆斯堡尔谱(Mo?ssbauer)和VNIR等手段,研究了不同浓度Fe(III)存在的条件下,水铝英石水热合成反应所生成产物的物相、结构和光谱特征变化,探讨了实验结果对地球和火星表面相关环境的指示意义。

  该研究发现:(1)环境铁浓度控制着铝-硅-铁水热体系中水铝英石的形成和转化:随着铁浓度升高,反应体系内的物相组成经历了(含铁)水铝英石——含铁(原)水铝英石+(原)四方纤铁矿——(原)四方纤铁矿+无定形二氧化硅等物相转化过程(图1)。(2)常用于火星表面矿物鉴定的近红外光谱波段(1.2~2.6 μm)在鉴定该体系的低结晶度物质时不敏感;而归属于铁原子激发的特征吸收带(0.4~1.2 μm)可用于探测铝硅酸盐中少量的结构铁,定性鉴别伴生铁氧化物的种类,以及定量分析土壤或沉积物中的总铁(图2)。(3)结合水铝英石和四方纤铁矿在地球上的独特产出环境可推测,火星表面同时产出水铝英石和四方纤铁矿的地区可能存在一个富氯的铝-硅-铁体系(Fe/(Fe+Al)适中),并经历了弱酸到中性的环境。

  上述认识为理解地球表生风化铝-硅-铁体系中水铝英石的形成、演化提供了新依据,并有助于提高基于轨道光谱数据鉴定火星表面的低结晶度矿物、反演其古环境的准确度。

  该工作获得了国家高层次人才特殊支持计划领军人才项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的资助。论文以“Effects of environmental Fe concentrations on formation and evolution of allophane in Al-Si-Fe systems: Implications for both Earth and Mars”为题发表于2020年第12期Journal of Geophysical Research-Planets。

  全文链接:https://doi.org/10.1029/2020JE006590

 

 

1 不同初始Fe/(Fe + Al)摩尔比下所得产物的XRD图案(CoKα)。A:水铝英石;Ak:四方纤铁矿