Эфемерное кислое соленое озеро

Озеро Маккей, одно из крупнейших эфемерных соленых озер, существующих в Западной Австралии.

Эфемерное кислое соленое озеро — это озеро с относительно высоким содержанием растворенных солей и низким pH , обычно в пределах <1–5, и не имеющее стоячей воды круглый год. Эти типы озер характеризуются высокими концентрациями эвапоритовых минералов , особенно галита , гипса и различных оксидов железа , что позволяет озерам становиться гиперсолеными. Низкий pH и минералы эвапорита положительно коррелируют, что позволяет озерам с более низким pH иметь видимые «корки» минералов эвапорита. Из-за весьма необычного геохимического состава этих озерных систем они считаются экстремальными природными условиями.

Из-за низкой кислотности и высокой солености, а также периодического тотального испарения озер, воды вообще непригодны для жизни, превосходящей микробы. Микроскопические организмы, обитающие там, обладают поразительным разнообразием биоразнообразия: от галофильных бактерий и архей до ацидофильных грибов. Из-за необычной способности жизни выживать в такой суровой среде, кислые соленые озера недавно были изучены на предмет их значимости для области астробиологии .

Системы кислых соленых озер считаются редкостью в мире природы, а самая высокая концентрация кислых соленых озер наблюдается в Западной Австралии . Они наиболее благоприятно формируются в полузасушливых и засушливых условиях и 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 кисло-соленых систем, эти озера необычны тем, что они не имеют ни вулканического, ни гидротермального питания и не находятся в прямом контакте с крупными сульфидными отложениями , но имеют рассолы с pH, который может достигать <1.

Геология и геохимия

На чрезвычайную кислотность и соленость этих озер во многом влияют геологические, климатические и географические условия, сложившиеся за последние 2 миллиона лет. Географически озера расположены на архейской скале фундамента внутри стабильного внутреннего кратона, известного как кратон Йилгарн . Эти древние породы были сформированы закрытыми бассейнами через долины разломных блоков и были прорезаны палеодренажем в эпоху эоцена . Наиболее распространенными породами являются граниты и гнейсы , анортозиты и кварциты несколько реже встречаются . 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 со времен мезозоя , это привело к образованию редких зон слоев осадочных пород, таких как бурый уголь , алевролиты , песчаники и морские известняки . В первую очередь считается, что эти отложения были отложены во время двух последних морских трансгрессий третичного периода , что позволило заполнить некоторые из врезанных долин морской водой и другими морскими отложениями. Палеодренаж рек закончился в озере Эоцен, а поднятие хребта Дарлинг успешно перекрыло речной сток и создало изолированные озерные бассейны. Из-за разнообразного рельефа одни озера могут располагаться непосредственно на фундаменте архейских пород, тогда как другие расположены на выветрелом реголите, третичных песчаниках и известняках . Таким образом, различная геохимия озер частично объясняется различным взаимодействием водных пород из-за различных вмещающих пород.

Помимо геологических условий, климат Западной Австралии играет важную роль в сезонном развитии озер. Озера расположены в полузасушливом ландшафте, и на них напрямую влияют сезонные изменения погоды в Юго-Западной Австралии. Сухой сезон приходится преимущественно на зимние месяцы (июнь – август), а сезон дождей – на летние месяцы (декабрь – март). Несмотря на полузасушливость, ландшафт обычно испытывает все четыре сезона с разницей в количестве осадков в каждый из них. В более влажные месяцы озера будут находиться в стадии затопления, что приведет к снижению кислотности (медиана = 3,3). И наоборот, в засушливые месяцы, когда преобладает испарение, в озерах наблюдается повышение кислотности (медиана = 4,4) и солености. Метеорные осадки также влияют на осадки, поскольку галит и гипс растворяются после ливней. Осадки также смывают органические вещества местной флоры и фауны в озера, увеличивая общее содержание растворенных твердых веществ.

Геохимически средний диапазон pH озер составляет от > 1 до 5, а средняя соленость > 25%, что почти в 8 раз выше, чем у морской воды. Большая часть вод Западной Австралии представляет собой рассолы хлорида натрия (NaCl) с различными, но в некоторых регионах чрезмерными количествами кальция, калия, алюминия, железа, брома и кремния (Ca, K, Al, Fe, Br и Si). Большую часть ионов в воде составляют Na и Cl (~88%), но в некоторых озерах их содержание может варьироваться от 60% до 98%. Самое кислое из озер (например, озеро Уэйв-Рок , pH 1,7) имеет наименьшее количество ионов Na и Cl с гораздо более высокой концентрацией других распространенных ионов.

Многие элементные компоненты озерных систем состоят из ионов, которые обычно встречаются в следовых количествах в других природных озерах. Чем кислее воды, тем больше регистрируется элементарных соединений Fe, Al и Si. И наоборот, воды с pH выше 4 почти не содержат HCO _{3 .} ⁻ . Количество Fe в водах имеет положительную корреляцию с соленостью: чем выше соленость воды, тем выше содержание Fe. Однако такая же корреляция не наблюдается для ионов Al и Si. В отличие от обычных рассолов, в кисло-солевых системах количество Al во много раз превышает количество Ca. Некоторые из наиболее концентрированных Al имеют концентрацию 8000 мг/л, что намного выше, чем в кислых шахтных или морских водах.

Другие микроэлементы также присутствуют в этих озерах в больших количествах. В среднем значения стронция (Sr) могут достигать 65 мг/л и увеличиваться с увеличением солености. В 59% отобранных вод обнаруживаются 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 демонстрируют положительную корреляцию с увеличением кислотности и солености. Ионы других металлов существуют в меньшей степени, но их значения не такие высокие. такие металлы, как церий , свинец , сурьма и теллур Были идентифицированы (Ce, Pb, Sb и Te). В некоторых озерах значения концентрации сурьмы превышают 3 мг/л, что почти в 500 раз превышает предел токсичности EPA.

Высокие уровни содержания ионов металлов и других микроэлементов в большинстве кислых растворов отражают влияние взаимодействия воды и породы на образование этих рассолов. Считается, что озера, расположенные вблизи месторождений сульфида никеля и подвергающиеся окислению, способствуют повышению местной кислотности. Считается, что на озера, расположенные гораздо дальше с медленным течением грунтовых вод, преимущественно влияет окисление органических и сульфидных материалов, содержащихся в породах архейского фундамента и угольных отложениях. Во время дождей, когда кислотность снижается, озера быстро приспосабливаются к более кислым условиям. Частично на это влияют постоянный круговорот железа и окислительно-восстановительные реакции, в результате которых образуется H. ⁺ ионы.

Al-филлосиликаты (например, каолинит и Fe-мусковит ) являются основными аутигенными филлосиликатами в озерах. Скорее всего, они образуются в результате прямых осадков из кислых озерных вод, прямых осадков из неглубоких грунтовых вод для производства цемента и изменения полевых шпатов и амфиболов . Они тесно связаны с другими минералами озер, такими как гипс, галит, гематит , ярозит и алунит . Стабильность минералов в основном контролируется pH и наличием катионов, и там, где каолинит обычно наиболее стабилен при нейтральном pH в других водах, положительная функция ионов Al и Si по увеличению кислотности позволяет каолиниту осаждаться при экстремальных значениях pH.

Соответствие Марсу

Другие важные минеральные образования, образующиеся в этих озерах, включают слоистые силикаты Al и Fe/Mg. Эти глины играют интересную роль в геохимии озер и были изучены, чтобы лучше понять, как кислые соленые озера могут быть полезным планетарным аналогом Марса . Хотя кисло-солевые системы, такие как системы в Западной Австралии, необычны для Земли, аналогичные осадочные отложения были обнаружены в в долине Маурта и в ямах Нили регионах Марса . Кроме того, в этих регионах Марса были обнаружены глинистые минералы, что указывает на то, что для их образования должны были существовать большие резервуары воды. Существование ярозита, алунита, кислотоустойчивых групп каолина и хлоридов на Марсе указывает на то, что эти области могут иметь некоторые характеристики озер Западной Австралии.

В поисках жизни на Марсе глины могут сыграть решающую роль в улавливании и сохранении органических материалов. Хотя органика плохо сохраняется в глинах озерной системы, она все же фиксирует значения D для пластовых вод, которые могут пролить свет на потенциальные обитаемые условия. Другие минералы в озере имеют более высокую сохранность. Особенно эвапоритовые материалы, быстрое осаждение которых может улавливать и сохранять органику внутри кристаллической структуры. Исследование, проведенное Мелани Р. Мормил и др. в 2003 году показали, что микробы могут задерживаться в виде жидких включений в осаждающихся минералах, таких как гипс и галит. Эти микробы можно было обнаружить с помощью рамановской спектроскопии и рентгеноструктурного анализа.