火星类比地——柴达木盆地的雅丹洞穴中的骨骼状与沉积结构：成因及其意义

《CATENA》：Skeletal and sedimentary structures in yardang caverns in the Mars analog, Qaidam Basin: origin and implication

腔状风化骨骼结构在柴达木盆地形成机制及火星对比研究

　　在地球和火星上，洞穴状风化现象（cavernous weathering）展现出多种多样的形态，这些形态在不同的地质环境和气候条件下形成，反映了复杂的自然过程。然而，对于在极端干旱环境下这类洞穴状风化特征的形成机制，科学界尚未形成统一的认识。本文通过对地球上的一个特殊案例——中国青藏高原东北部柴达木盆地东北部的雅丹洞穴中发现的新型洞穴状风化结构进行研究，提出了一种新的解释，并将其与火星上的类似现象进行对比，特别是好奇号探测器在盖尔陨石坑的“标记带”（Marker Band）中观测到的结构，以期为理解地外环境中的地质演化提供新的视角。

雅丹地貌是典型的风蚀地形，通常形成于干旱或半干旱地区，其特征是风蚀作用塑造出的具有波浪状或柱状形态的岩柱。在柴达木盆地东北部，研究团队发现了一种与传统洞穴状风化结构（如蜂窝状风化和塔丰尼风化）显著不同的新形态，称之为“骨骼结构”（skeletal structure）。这种结构主要由相互连接的贯穿孔洞组成，孔洞之间由类似骨骼的杆状“骨”结构分隔，形成了多循环的框架体系。与常见的蜂窝状风化结构不同，后者通常表现为由薄壁分隔的小型凹坑，而“骨骼结构”则呈现出更为复杂的三维网络形态。此外，这种结构在形态和组成上与塔丰尼风化也有明显差异，塔丰尼通常表现为较大的洞穴，具有拱形入口和凹陷内壁，而“骨骼结构”则更倾向于形成细长的通道和杆状结构。

研究团队通过对这些“骨骼结构”样本的岩相学分析，发现其中的颗粒主要为次棱角状，表明这些岩石在沉积过程中经历了较强的搬运作用。部分正长石和云母晶体则显示出较少的侵蚀痕迹，说明它们在风化过程中相对稳定。结合粒度数据，这些特征表明，沉积作用可能主要由河流搬运过程主导。然而，这些岩石在抬升和暴露后的后期演化过程中，仅表现出有限的水相改造迹象，这可能是由于极端干旱环境抑制了水的活动性，使得化学风化作用相对较弱。

研究团队进一步结合结构、纹理、矿物学和地球化学证据，重建了这些沉积物的演化历史。这一过程可以分为四个阶段：第一阶段是沉积作用，即原始沉积物在河流或湖泊环境中堆积；第二阶段是埋藏成岩作用，沉积物在地下环境中经历压实和胶结；第三阶段是构造抬升，使得这些沉积岩暴露于地表，接受风化作用；第四阶段是侵蚀塑造，风力等外营力对暴露的岩石进行雕琢，形成当前观察到的“骨骼结构”。值得注意的是，尽管这些岩石经历了构造抬升，但其后期的风化过程主要由风蚀作用主导，而非化学风化或生物风化。这主要是因为钙硫酸盐胶结作用削弱了砂岩的抗风化能力，使得风力携带的碎屑物质更容易在孔洞周围沉积并导致岩石结构的破坏。

在降雨影响的区域，盐类物质的作用则呈现出双重性。一方面，硫酸盐的水合作用可能增强岩石的强度，从而延缓风化过程；另一方面，氯化物的溶解作用则会削弱岩石表面，促进洞穴的形成。这种复杂的盐类作用机制在不同气候条件下可能对洞穴状风化产生不同的影响。例如，在湿润环境中，盐类物质的溶解和结晶可能成为主要的风化因素，而在极端干旱环境中，风蚀作用则可能占据主导地位。这一发现不仅有助于理解地球上的洞穴状风化现象，也为研究火星上的类似结构提供了新的思路。

在火星上，好奇号探测器在盖尔陨石坑的“标记带”区域观测到了与地球上的“骨骼结构”形态相似的洞穴状风化结构。这些结构的存在表明，火星表面可能存在类似于地球上的风蚀作用机制。然而，由于火星的环境与地球存在显著差异，如大气稀薄、温度波动大、缺乏液态水等，因此需要对火星上的洞穴状风化进行更深入的分析。研究团队认为，这些结构的形成可能与长期的风蚀作用有关，而其层状沉积特征则可能源自古代河流沉积过程。这种观点得到了地球和火星地质特征的对比支持，同时也为未来火星探测任务提供了潜在的研究方向。

在地球的干旱环境中，洞穴状风化现象通常与风蚀作用密切相关。风力不仅能够搬运和沉积细小颗粒，还能够通过机械磨损和化学作用改变岩石的物理和化学性质。在柴达木盆地这样的高海拔干旱地区，风蚀作用可能是塑造这些“骨骼结构”的关键因素。研究团队通过现场观测和实验室分析，发现这些结构的形成与岩石的胶结特性密切相关。钙硫酸盐胶结作用使得岩石的强度降低，从而更容易被风力侵蚀。此外，研究团队还注意到，在这些“骨骼结构”中，残留的岩石部分呈现出杆状形态，这种形态与生物风化或化学风化作用形成的结构不同，进一步支持了风蚀作用的主导地位。

除了风蚀作用，盐类物质的参与也是洞穴状风化的重要因素。在极端干旱条件下，盐类物质可能通过不同的方式影响岩石的稳定性。例如，硫酸盐在水合过程中可能增强岩石的结构强度，而氯化物的溶解作用则可能导致岩石表面的弱化。这种盐类物质的双重作用机制在地球上的某些干旱地区已有报道，而在火星上，这种机制是否同样适用仍需进一步研究。研究团队认为，尽管火星上的盐类物质可能与地球不同，但其在风化过程中的作用机制可能具有一定的相似性。

此外，研究团队还注意到，在柴达木盆地的“骨骼结构”中，残留的岩石部分显示出一定的化学风化特征。这表明，尽管风蚀作用是主要的塑造因素，但化学风化可能在某些阶段也起到了辅助作用。例如，在岩石暴露于地表后，由于温度波动和盐类物质的参与，可能引发一定程度的化学风化，从而影响岩石的物理结构。然而，由于极端干旱环境的限制，这种化学风化作用可能相对较弱，主要表现为局部的矿物溶解和胶结作用。

在火星的“标记带”区域，好奇号探测器的观测结果表明，该地区的洞穴状风化结构与地球上的“骨骼结构”具有一定的相似性。这种相似性可能不仅体现在形态上，还可能涉及其形成机制。研究团队认为，火星上的“标记带”可能经历了类似于地球上的风蚀作用过程，即长期的风力侵蚀塑造了这些结构。然而，由于火星缺乏液态水，其风化过程可能与地球存在显著差异。例如，在火星上，风蚀作用可能主要依赖于风力携带的细小颗粒，而非水相作用。此外，火星大气中的成分差异也可能影响风化过程，例如，二氧化碳和尘埃的含量可能对岩石的物理和化学性质产生不同的影响。

在研究过程中，研究团队还发现了一些有趣的地质现象。例如，在某些“骨骼结构”中，残留的岩石部分显示出较高的耐久性，这可能与其矿物组成有关。这些岩石可能含有较多的石英或其他耐风化的矿物，使得它们在风蚀作用下能够保持一定的结构完整性。此外，研究团队还注意到，这些“骨骼结构”在某些区域呈现出一定的对称性，这可能与风向的稳定性有关。例如，在风力方向相对一致的区域，风蚀作用可能更倾向于形成规则的孔洞网络，而在风向多变的区域，这些结构可能更加复杂和不规则。

研究团队还通过地球和火星的对比分析，提出了关于洞穴状风化结构形成的更广泛观点。他们认为，洞穴状风化结构的形成可能不仅仅依赖于单一的风化机制，而是多种因素共同作用的结果。例如，在某些情况下，风蚀作用可能与盐类物质的参与相结合，形成更为复杂的风化模式。此外，生物因素也可能在某些环境中起到一定的作用，尽管在极端干旱条件下，这种作用可能相对有限。例如，某些微生物可能通过代谢活动影响岩石的化学组成，从而促进风化过程。然而，由于极端干旱环境的限制，生物风化作用可能主要局限于岩石表面的微小区域。

研究团队的发现对于理解地球和火星上的地质演化具有重要意义。首先，这些“骨骼结构”为地球上的洞穴状风化现象提供了一个新的分类依据，有助于更全面地认识风化作用的多样性。其次，这些结构的存在为火星地质研究提供了新的视角，特别是在解释火星表面的地形特征时。例如，好奇号探测器在“标记带”区域观测到的洞穴状结构可能与地球上的“骨骼结构”具有相似的形成机制，这为研究火星的风化历史提供了重要的参考。此外，这些结构还可能揭示火星上过去是否存在类似的沉积环境和气候条件，这对于探索火星的水文历史和气候演化具有重要的科学价值。

在研究过程中，研究团队还强调了对样本的详细描述和分析的重要性。他们通过收集和研究来自三个雅丹地貌的八块砂岩样本，结合现场观测和实验室分析，对这些“骨骼结构”的形成机制进行了系统性的探讨。这些样本不仅提供了关于岩石矿物组成和结构特征的信息，还揭示了沉积环境和后期演化过程的细节。例如，某些样本中发现了硫酸盐胶结的砂岩和盐类物质形成的结晶层，这些特征可能与该地区的沉积历史和风化过程密切相关。

总的来说，研究团队的发现不仅丰富了我们对洞穴状风化现象的认识，也为理解火星上的地质演化提供了新的思路。通过对比地球和火星的地质特征，研究团队认为，尽管两者在环境条件上存在差异，但某些风化机制可能具有一定的共性。例如，风蚀作用和盐类物质的参与可能在两种环境中都起到关键作用。这些发现对于未来的火星探测任务具有重要的指导意义，特别是在分析火星表面的地形特征和地质演化时，可以借鉴地球上的研究经验，以更全面地理解火星的地质历史。此外，这些研究也为地球上的极端干旱环境研究提供了新的视角，有助于更深入地探讨风化作用在不同环境条件下的表现形式和演化机制。