Эфемерное кислотно-соленое озеро

Эфемерное кислотно-соленое озеро — это озеро с относительно высоким содержанием растворенных солей и низким pH , обычно в диапазоне <1 - 5, и не имеющее стоячей воды круглый год. Эти типы озер определяются высокой концентрацией эвапоритовых минералов , в частности, галита , гипса и различных оксидов железа , что позволяет озерам становиться гиперсолеными. Низкий pH и эвапоритовые минералы положительно коррелируют, что позволяет озерам с более низким pH иметь видимые «корки» эвапоритовых минералов. Из-за весьма необычной геохимии, присутствующей в этих озерных системах, они считаются экстремальными средами в природе.

Из-за низкой кислотности и высокой солености, а также периодического полного испарения озер, воды, как правило, непригодны для жизни, превышающей размеры микробов. Микроскопические организмы, которые там живут, обладают поразительным набором биоразнообразия, охватывающим от галофильных бактерий и архей до ацидофильных грибов. ^[1] Из-за необычной способности жизни выживать в такой суровой среде, кислотные соленые озера недавно были изучены на предмет их значимости для области астробиологии .

Системы кислотных соленых озер считаются редкостью в естественном мире, и самая высокая концентрация кислотных соленых озер встречается в Западной Австралии . Они формируются наиболее благоприятно в полузасушливых и засушливых условиях и были тесно связаны со стабильными внутренними кратонами и закрытыми палеодренажными бассейнами, что позволяет грунтовым водам испаряться до экстремальных значений солености и кислотности, существующих сегодня. В отличие от большинства природных кислотных соленых систем, эти озера необычны тем, что они не питаются ни вулканически, ни гидротермально и не находятся в прямом контакте с крупными сульфидными отложениями , но имеют рассолы с pH, который может достигать <1. ^[2]

Экстремальная кислотность и соленость этих озер в значительной степени обусловлены геологическими, климатическими и географическими условиями, которые развивались в течение последних 2 миллионов лет. Географически озера расположены на архейской фундаментной породе в пределах стабильного внутреннего кратона, известного как кратон Йилгарн . Эти древние породы были образованы закрытыми бассейнами через разломные долинные блоки и были врезаны палеодренажем в эпоху эоцена . Наиболее распространенными породами являются граниты и гнейсы , а анортозиты и кварциты встречаются несколько реже. Архейские комплексы сильно выветрены и деформированы и являются экономическими источниками алюминия и никеля , а также других второстепенных металлов. Поскольку кратон тектонически неактивен и не опускался ниже уровня моря с мезозоя , это привело к образованию редких зон слоев осадочных пород, таких как лигнит , алевриты , песчаники и морские известняки . ^[3] Предполагается, что эти отложения в первую очередь были отложены во время последних двух морских трансгрессий третичного периода , что позволило некоторым изрезанным долинам заполниться морской водой и другими морскими отложениями. Палеодренаж из рек закончился в озерном эоцене, а поднятие хребта Дарлинг успешно перекрыло речной поток и создало изолированные озерные бассейны. Из-за разнообразного рельефа озера могут располагаться непосредственно на фундаментных архейских породах, в то время как другие располагаются на выветренном реголите, третичных песчаниках и известняках . Таким образом, различные геохимические характеристики озер частично объясняются различными взаимодействиями воды и породы из-за различных вмещающих пород. ^[3]

Помимо геологического положения, климат Западной Австралии играет важную роль в том, как озера развиваются сезонно. Озера находятся в полузасушливом ландшафте и напрямую зависят от сезонных погодных изменений Юго-Западной Австралии. Сухой сезон приходится в основном на зимние месяцы (июнь-август), а влажный сезон - на летние месяцы (декабрь-март). Несмотря на полузасушливость, ландшафт обычно переживает все четыре сезона с разницей в осадках в каждом. ^[4] В более влажные месяцы озера будут находиться в стадии затопления, что снижает кислотность (медиана = 3,3). И наоборот, в сухие месяцы, когда преобладает концентрация испарения, озера испытывают повышение кислотности (медиана = 4,4) и солености. Метеорные осадки также влияют на осадки, поскольку можно показать, что галит и гипс растворяются после ливней. Осадки также смывают органические вещества из местной флоры и фауны в озера, увеличивая общее содержание растворенных твердых веществ. ^[4]

Геохимически средний диапазон pH озер составляет от >1 до 5, а средняя соленость составляет >25%, что почти в 8 раз больше, чем у морской воды. Большая часть вод Западной Австралии представляет собой рассолы хлорида натрия (NaCl) с различным, но регионально избыточным количеством кальция, калия, алюминия, железа, брома и кремния (Ca, K, Al, Fe, Br и Si). Большинство ионов в водах — это Na и Cl (~88%), но в некоторых озерах их количество может варьироваться от 60% до 98%. Самое кислое из озер (например, озеро Вэйв-Рок, pH 1,7) имеет наименьшее количество ионов Na и Cl, с гораздо более высокой концентрацией других распространенных ионов. ^[3]

Многие элементарные компоненты в озерных системах состоят из ионов, которые обычно встречаются только в следовых количествах в других естественных озерах. Чем кислее вода, тем больше регистрируется элементарных соединений Fe, Al и Si. Наоборот, воды с pH выше 4 практически лишены HCO ₃ ⁻ . Количество Fe в воде имеет положительную корреляцию с соленостью, причем чем выше соленость воды, тем выше значение Fe. Однако эта же корреляция не наблюдается с ионами Al и Si. Еще больше отличаясь от обычных рассолов, в кислых соленых системах количество Al на порядок выше, чем количество Ca. Некоторые из наиболее концентрированных Al составляют 8000 мг/л, что намного выше, чем в кислых шахтных водах или морских водах. ^[5]

Другие следовые ионы также присутствуют в этих озерах в больших количествах. В среднем значения стронция (Sr) могут достигать 65 мг/л и увеличиваться с соленостью. 59% отобранных вод имеют обнаруживаемые количества Mn (>46 мг/л) и Cu (<9,5 мг/л). Менее распространенные следовые ионы включают цинк , никель, молибден и кобальт (Zn, Ni, Mo и Co) в обнаруживаемых количествах и показывают положительную корреляцию с увеличением кислотности и солености. Другие ионы металлов присутствуют в меньшем количестве, но не так высоки по значениям. Были идентифицированы такие металлы, как церий , свинец , сурьма и теллур (Ce, Pb, Sb и Te). В некоторых озерах значения концентрации сурьмы превышают 3 мг/л, что почти в 500 раз превышает предел токсичности Агентства по охране окружающей среды. ^[5]

Высокие уровни металлических ионов и других микроэлементов в большинстве кислых растворов отражают влияние взаимодействия воды и горных пород на формирование этих рассолов. Озера, которые находятся близко к месторождениям сульфида никеля и подвергаются окислению, как полагают, способствуют местной кислотности. Озера, которые находятся намного дальше с медленным потоком грунтовых вод, как полагают, находятся под влиянием преимущественно окисления органических и сульфидных материалов, содержащихся в архейских фундаментных породах и угольных месторождениях. Во время дождей, когда кислотность уменьшается, озера быстро перестраиваются на более кислые условия. Это частично обусловлено постоянным циклом железа и окислительно-восстановительными реакциями , которые генерируют ионы H ^{+ . [6]}

Al-филлосиликаты (например, каолинит и Fe-мусковит) являются основными аутигенными филлосиликатами в озерах. Они, скорее всего, образуются в результате прямого осаждения из кислых вод озер, прямого осаждения из неглубоких грунтовых вод для создания цементов и изменения полевых шпатов и амфиболов . Они тесно связаны с другими минералами в озерах, такими как гипс, галит, гематит , ярозит и алунит . Стабильность минералов в основном контролируется pH и доступностью катионов, и там, где каолинит обычно наиболее стабилен при нейтральных pH в других водах, положительная функция ионов Al и Si для повышения кислотности позволяет каолиниту осаждаться при экстремальных значениях pH. ^[6]

Другие важные минеральные образования, которые образуются в этих озерах, включают Al и Fe/Mg филлосиликаты. Эти глины играют интересную роль в геохимии озер и были изучены, чтобы лучше понять, как кислые соленые озера могут быть полезным планетарным аналогом для Марса . Хотя кислые соленые системы, такие как в Западной Австралии, необычны для Земли, были обнаружены похожие осадочные записи в регионах Mawrth Vallis и Nili Fossae на Марсе. Кроме того, в этих регионах на Марсе были обнаружены глинистые минералы, что указывает на то, что для их образования должны были существовать большие резервуары воды. Существование ярозита, алунита, кислотоустойчивых каолиновых групп и хлоридов на Марсе указывает на то, что эти области могут иметь некоторые общие характеристики с озерами Западной Австралии. ^[1]

В поисках жизни на Марсе глины могут играть решающую роль в улавливании и сохранении органических материалов. Хотя органика не очень хорошо сохраняется в глинах озерной системы, они регистрируют значения D для формационных вод, которые могут пролить свет на потенциальные условия обитания. Другие минералы в озере имеют более высокую склонность к сохранению. В частности, эвапоритовые материалы, где быстрое осаждение может улавливать и сохранять органику в кристаллической структуре. Исследования, проведенные Мелани Р. Мормайл и др. в 2003 году, показывают, что микробы могут быть захвачены в виде жидких включений в осаждающихся минералах, таких как гипс и галит. ^[7] Эти микробы могут быть обнаружены с помощью спектроскопии Рамана и рентгеновской дифракции . ^[1]