柴达木盆地典型类火星地貌表层土壤的矿物与元素多谱学表征

Characterization of Minerals and Elements in Surface Soils from Mars-like Qaidam Landforms through Multi-Spectroscopic Techniques

摘要

火星表面具有丰富的古代水活动历史，可能曾具有较宜居的环境，一直是行星科学和深空探测的研究热点.我国青藏高原东北部的柴达木盆地气候寒冷干旱，地表受到的辐射较强且盐度较高，发育了多种与火星相似的地貌，被认为是开展火星类比研究的理想区域.综合利用短波红外光谱、激光诱导击穿光谱、X射线衍射、X射线荧光光谱等技术手段，结合遥感影像数据，分析了柴达木盆地典型类火星地貌（冲积扇、沙丘、泥石流、冲沟、雅丹、盐滩、多边形等）表层土壤样品的光谱特征以及矿物和元素组成，揭示出柴达木盆地类火星地貌的矿物组成主要包括石英、钠长石、石膏、方解石，以及部分伊利石、绿泥石、微斜长石和岩盐等.其中，雅丹和冲积扇地貌具有较好的碳酸盐、黏土矿物和有机物保存潜力.本研究为从比较行星学角度解译火星古水文地貌的原位光谱数据和地球化学分析提供了参考.

关键词

柴达木盆地 / 类火星地貌 / 光谱学 / 地球化学 / 古水文环境.

Key words

Qaidam Basin / Mars-like landform / spectroscopy / geochemistry / paleohydrology

0 引言

天体生物学是在宇宙演化的背景下研究生命的起源、演化、分布和未来（Des Marais et al.， 2008； Horneck et al.， 2016；林巍等， 2020）.近年来国内外深空探测任务的巨大成功为天体生物学的发展提供了新的机遇，也推动了地外宜居环境和地外生命信号的探测研究（林巍等， 2022）.火星是太阳系中与地球较为相似的类地行星，它与地球一样具有壳、幔、核的分异.火星因其表面丰富的古代水活动历史和可能保存早期生命痕迹，一直是天体生物学研究的热点，也是国际深空探测的主要研究对象（吴伟仁等， 2023）.已有的研究表明，火星表面存在非晶型二氧化硅、碳酸盐、含水硫酸盐、铁氧化物等与水环境相关的矿物（Ehlmann and Edwards， 2014），这些矿物是火星表面曾经存在液态水的重要证据之一.因此与水活动相关的矿物富集区是探寻火星早期生命痕迹的热点区域（Bosak et al.， 2021）.

我国已经成功实施了“天问一号”首次火星探测任务，对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等进行了综合探测并获取了大量宝贵数据.其中，“天问一号”环绕器搭载了火星矿物光谱分析仪（MMS），通过扫描绘制火星表面的光谱和空间信息分析火星表面矿物的组成和分布（He et al.， 2021）.作为“天问一号”任务的一部分，“祝融号”火星车搭载了火星表面成分探测仪（MarSCoDe），主要研究着陆点和巡视区表面的物质成分.MarSCoDe由短波红外光谱显微成像仪（SWIR）、激光诱导击穿光谱仪（LIBS）和微成像相机组成，通过探测火星表面光谱，获得土壤和岩石的矿物组成和元素丰度（Xu et al.， 2021）.“祝融号”获得的SWIR和LIBS数据表明探测区存在含水矿物，火星表面该区域可能曾有液态水活动（Liu et al.， 2022a， 2022b；Lin et al.， 2023； Yong et al.， 2023； Zhao et al.， 2023）.

除了火星的原位探测研究，对地球上典型的类火星区域开展比较研究为认识火星环境演化和探索火星可能的生命信号提供了新视角（Martins et al.， 2017； Shen et al.， 2022）.地球类火星区域的研究不仅可以进行光谱探测分析，还可以利用目前火星上无法开展的实验室多谱学综合分析，为更好地解译火星原位探测数据提供参考.我国西北部的柴达木盆地是世界上海拔最高、面积最大的干旱荒漠之一，具有寒冷、干旱、强风力作用、高紫外辐射等极端环境条件，发育了大量蒸发岩矿床和类火星地貌，可以类比火星在诺亚纪晚期至西方纪早期（约38~34亿年前）表面液态水逐渐减少、气候由较湿润向干旱过渡期的环境（Shen et al.， 2022），因此是开展火星类比研究的理想区域（Rohrmann et al.， 2013； Anglés and Li， 2017；Xiao et al.， 2017； Kong et al.， 2018；李露露等， 2018）.本研究综合利用遥感影像数据、SWIR、LIBS、X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）等技术手段，对柴达木盆地的代表性类火星地貌进行分析，以期为认识火星表面成分以及火星古水文地貌形成和地化特征塑造等提供启示.

1 地质背景与采样信息

柴达木盆地位于我国青海省西部，盆地北缘是阿尔金山，南缘为昆仑山，东北部为祁连山，平均海拔约为2 800 m（Chen and Bowler， 1986）.柴达木盆地自古新世以来是一个封闭的内陆盆地，被周围山脉脱落的新生代沉积物填充（Xia et al.， 2001）.它的形成可以追溯到侏罗纪，当时青藏高原是一个巨大的湖泊，由于持续的印‒亚碰撞，形成了两个主要的冲断系统：古新世在高原北部形成的较老的冲断系统和渐新世在高原南部形成的较年轻的冲断系统（Yin et al.， 2008）.古新世时期湖泊环境仅限于柴达木盆地的西部（Rieser et al.， 2009），此时盆地海拔较低，周围山系不能阻挡潮湿的空气，气候相对湿润.始新世期间古湖沉积中心开始由西向东迁移（黄麒和韩凤清， 2007）.渐新世晚期至中新世阿尔金山与祁连山已具有较高海拔，但总体气候仍较湿润（Wang et al.， 1999）.中新世与上新世之间的喜马拉雅运动导致整个青藏高原的隆升，并将柴达木盆地古湖分为东西两部分（黄麒和韩凤清， 2007）.上新世晚期构造运动隔断了周围山系水源对柴达木盆地古湖的补给，再加上全球干旱气候的影响，古湖开始蒸发收缩，并从西部开始进入盐湖阶段（黄麒和韩凤清， 2007）.更新世晚期的喜马拉雅运动启动了整个青藏高原西北部的隆升，进一步阻断了来自南方的湿润空气，使得柴达木盆地越来越干旱（Wang et al.， 1999）.

在青藏高原隆升时期，柴达木盆地经历了由湿润转为干旱的演化历史，接受的辐射剂量逐渐增高，表面累积的盐分逐渐增多，这与火星早期由湿润向干旱环境演化的过程相似，并且盆地表面留下了众多与水作用相关的地貌及沉积物.柴达木盆地底部覆盖着数百米厚的蒸发盐壳，其中以硫酸盐沉积物为主，主要矿物为石膏等，并且含有较为丰富的碳酸盐，这表明与其形成有关的一部分水是富含硫酸盐和二氧化碳的（Anglés and Li， 2017）.柴达木盆地荒漠地区广泛分布着多种风成地貌，大多数地貌在火星上都有对应的地貌类型，对这些地貌的起源演化研究可以为理解火星地貌形成和气候环境演化提供线索.在柴达木盆地的洼地中发现了可变蒸发矿物组合，从而可以推断火星上对应的蒸发矿物组合的可能来源.总之，柴达木盆地具有多样的地貌类型、沉积岩、蒸发岩矿物组合和类火星极端环境，使其成为地球上开展火星类比研究的理想地区（Xiao et al.， 2017）.

本文研究区位于柴达木盆地的西北部地区.通过文献调研、卫星地图筛选和野外实地考察，本研究共选取了冲积扇、沙丘、泥石流、冲沟、雅丹、盐滩、多边形等7种典型地貌进行系统分析.这7种地貌在火星上都有发现，对这些类火星地貌的研究不仅可以指示研究区的环境气候变化，还可以从比较行星学角度更好地认识火星环境的演化.采样点分布如图1所示，采样时先用金属勺刮去表面的砂石等粗颗粒和可能由于风力作用近期搬运沉积下来的浮土，然后换用新的金属勺取0~5 cm深度样品分别装入50 mL无菌离心管中，每种地貌分别采集3份样品，并用封口膜进行密封保存，运送至实验室并存放在-80 ℃冰箱中，在分析前对同种地貌的平行样进行混合研磨以代表该地貌的整体特征.

2 材料与方法

2.1　X射线荧光光谱分析

使用中国科学院地质与地球物理研究所的 Panalytical AXIOS Minerals仪器进行X射线荧光光谱分析.取1.2 g混合均匀的样品，研磨至粒度<48 μm， 在105 ℃下加热12 h，随后置于干燥器（含硅胶）中0.5~1 h，使样品在干燥状态下降至室温.在分析前样品先经过1 000 ℃高温1 h确定样品烧失量（LOI），并使用熔样机将待测样品制作成玻璃质圆盘（Xue et al.， 2020）.

2.2　激光诱导击穿光谱测量

在中国科学院大学杭州高等研究院LIBS实验平台进行激光诱导击穿光谱测量.该平台能够模拟火星大气环境，分析前将混合均匀的样品研磨至粒度<48 μm，然后将粉末样品在238 MPa的压强下压制2 min，制成饼状物，以便于固定在测样台上进行LIBS测量.测试样品被置于模拟的火星环境中（814±1 Pa，22±0.5 ℃，95.73% CO₂，2.67% N₂，1.60% Ar），LIBS测量的检测距离为2.0 m.搭载该平台的MarSCoDe实验室模型可以将LIBS仪器和目标样品同时放置在模拟火星大气环境中进行测量（Cui et al.， 2022）.MarSCoDe实验室模型为“祝融号”MarSCoDe仪器的备份件，光谱范围为240~850 nm，由3个光谱通道组成，分别为240~340 nm、340~540 nm和540~ 850 nm（Cui et al.， 2022），光谱分辨率对应为0.067 nm、0.133 nm和0.2 nm.被激发样品的发射光由同一台接收光学系统收集，由一个信号分离器分成3束，然后转移到3个光谱仪.本实验从3个不同的点收集了压片的LIBS光谱，每个点平均有20个激发等离子体的发射，对平均数据进行分析.所获得的LIBS光谱进行暗背景去除、噪声滤除、基线校正、波长定标、辐射定标等一系列前处理（Liu et al.， 2023）.以氧信号强度为归一化的标准，LIBS发射谱线的强度可用来半定量地估算元素的相对丰度（Singh and Sarkar， 2021）.

2.3　X射线衍射分析

本研究使用粉晶X射线衍射对样品的矿物学特征进行分析.XRD分析在中国科学院地质与地球物理研究所使用Panalytical衍射仪完成.X射线衍射测量步长为0.020°（2θ），扫描速度为0.020°（2θ）/s，扫描范围为2.5°（2θ）至90°（2θ）.该衍射仪采用Ni滤波，Cu-Kα辐射（40 kV， 40 mA）（Hu et al.， 2019）.在测量前，将混合均匀的样品研磨至粒度<48 μm.使用X'Pert Highscore Software对矿物相进行定性分析，并半定量地计算了矿物含量（Chung， 1974）.

2.4　短波红外光谱分析

短波红外光谱利用英国Malvern Panalytical 公司生产的ASD FieldSpec^® 4 Hi-Res NG光谱仪进行分析.测量波长范围为350~2 500 nm，光谱分辨率为3~6 nm，测量视场是一个直径 2.5 cm的圆形区域，测试一个点用时4~10 s.实验测量在中国科学院地质与地球物理研究所进行，在测量前先将混合均匀的样品研磨至粒度<48 μm，并在60 ℃的电热鼓风干燥箱中干燥12 h.

2.5　碳酸盐含量分析

在土壤样品中加入过量6M HCl并振荡使其充分反应，在70 ℃的烘箱中放置过夜除去反应释放的二氧化碳气体，利用盐酸对碳酸盐的溶解性质将土壤中的碳酸盐类矿物和盐分洗脱.接着用 18 MΩ超纯水清洗3次去掉多余的盐酸，在烘箱中以70 ℃烘干3日，称量计算样品中的碳酸盐含量.

2.6　采样区遥感分析

利用Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer（ASTER）遥感数据对采样区的区域背景进行分析，ASTER是极地轨道环境遥感卫星Terra携载的一种成像传感器，具有较高的空间分辨率、光谱分辨率以及辐射分辨率，扫描带宽度为60 km，每景ASTER影像覆盖60× 60 km²（Abrams， 2000）.ASTER数据共3个谱段14个光谱通道，可分为3组：3个可见光和近红外（VNIR）波段，波长为0.52~0.86 μm，空间分辨率为15 m；6个短波红外波段，波长为1.60~2.43 μm，空间分辨率为30 m；5个热红外（TIR）波段，波长为8.13~11.65 μm，空间分辨率为90 m（Abrams， 2000）.本研究使用的是ASTER 1T级遥感影像，挑选了云量较少（云层覆盖率分别为0%和3%）且质量较好的影像，以满足分析需求.由于ASTER 短波红外设备单元2007年受到损坏，因此选取了2007年以前的遥感影像，挑选出的ASTER遥感影像的时相为2002年05月13日（数据编号：AST_L1T_00305132002045804_20150422072448_20032）和2004年03月01日（数据编号：AST_L1T_00303012004044453_20150503111021_61317）.对数据进行了辐射定标、大气校正、重采样等预处理.

3 结果

3.1　元素表征

利用X射线荧光光谱法测量柴达木盆地典型类火星地貌7组样品的元素组成（图2和表1）.XRF测定的主要元素的浓度为主要元素离子的氧化物，包括SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、TFe₂O₃、MnO、MgO、CaO、Na₂O、K₂O和P₂O₅，以及微量元素S、Ba、Co、Cr、Cu、Ni、Rb、Sr、V、Zr和Zn.其中，TFe₂O₃表示FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄之和.LOI代表烧失量，即样品中结晶水、无机碳、有机碳、硫化物、铵盐和部分硫酸盐等的总含量.XRF检测可以识别样品之间矿物成分的差异.冲积扇、沙丘、泥石流、冲沟样品的SiO₂含量均高于50%，雅丹和多边形样品的SiO₂含量最低，分别为38.38%和20.15%.多边形样品的Al₂O₃含量最低为3.91%，其余样品的Al₂O₃含量均为10%左右.冲积扇、雅丹、泥石流样品的总铁含量（TFe₂O₃）依次降低，所有样品中冲积扇的总铁含量最高.雅丹样品MgO含量最高（8.48%），其余样品MgO含量较低且相差不大.本研究样品中冲积扇、沙丘、泥石流、冲沟4个样品的总铁含量高于Mg含量，雅丹、盐滩、多边形3个样品的总铁含量低于Mg含量.多边形、盐滩、雅丹样品的CaO和SO₃含量依次降低.冲积扇和雅丹的磷元素含量较高（表1）.

为了进一步厘清不同地貌的元素含量差异，本研究还分析了7个类火星地貌采样点LIBS光谱的全光谱范围（即240~850 nm）（图3）.为了更好地展示，将数据进一步分为紫外（240~340 nm）（图3a）、可见光（340~540 nm）（图3b）和近红外（540~ 850 nm）波段（图3c）（Xu et al.， 2021）.强度值没有被归一化，但对光谱进行了偏移绘制.基于美国国家标准与技术研究所（NIST）标准数据库（Ralchenko and Kramida， 2020），本研究确定Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、H和O等元素的特征发射谱线覆盖了柴达木盆地类火星地貌样品中所含的大部分成分，主要元素的特征峰被标记了出来，有些元素由于浓度过低而无法识别（图3）.大部分主要元素在紫外范围内出现特征峰.样品中的Si、Fe、Mg、Al和Ca 可以通过光谱中的特征峰（Si在251.60 nm和288.21 nm处，Fe在259.9 nm和274.8 nm处，Mg在279.57 nm和285.21 nm处，Al在309.27 nm处，Ca在317.92 nm处）推断出来（图3a）.对于泥石流、冲沟、盐滩和多边形等地貌样品，Fe的特征峰相对于其他样品较平坦，表明这4种地貌的矿物中Fe的含量比其他样品要低.所有样品在可见光光谱范围内都显示出明显的Ca发射线，两个Ca谱线分别位于393.36 nm和396.84 nm处，是整个光谱中最突出的两个峰，在这两个峰之间是Al在394.38 nm和396.18 nm处的两个相对较弱的峰，Ca和Al发射谱线部分重叠在一起.在近红外范围内发现了明显的Na（589.14 nm和819.37 nm）和相对较弱的K（766.49 nm和769.97 nm）的发射谱线.在所有的光谱中，都观察到H（656.3 nm）的发射峰，表明样品中可能存在水分子.基于元素在LIBS发射谱线的相对强度，可用来半定量地估计元素的相对丰度（图3d）.

3.2　矿物学特征

利用X射线衍射对样品的矿物组成进行了定性和半定量分析，发现柴达木表层土壤样品的矿物相主要有石英、钠长石、伊利石、绿泥石、方解石、微斜长石、石膏、岩盐等（图4）.XRD分析的粉末未进行有机物去除处理，因绝大部分有机物较少在土壤中结晶，因而不在X射线衍射谱上体现，因此本研究中XRD主要反映结晶矿物相的结果.分析表明大部分样品都含有大量的石英，其中冲积扇、沙丘、泥石流、冲沟、盐滩样品的石英含量均超过50%，沙丘的石英含量最高为76.46%，石英含量最低的是多边形地貌样品（20.29%）.在冲积扇、沙丘、泥石流地貌采集的样品主要由石英、钠长石、伊利石、绿泥石、微斜长石等硅质矿物以及方解石组成，硅质矿物含量均高于89%，没有检测到蒸发岩矿物.在冲沟、雅丹、盐滩、多边形地貌中检测到了蒸发岩矿物，包括石膏和岩盐.各样品的蒸发岩矿物含量相差较大，其中含量最高的为多边形地貌样品，包括59.21%的石膏和13.64%的岩盐.冲沟、雅丹、多边形地貌的样品中蒸发岩矿物含量均低于25%.

本研究共获得了7个来自柴达木盆地不同地貌表层样品的短波红外光谱，大部分样品光谱形状相似（图5a）.这些样品的SWIR光谱在1 400 nm附近有明显的吸收，这归因于结构O-H键拉伸振动的倍频特征.反射光谱在1 900 nm附近有明显的吸收特征，表明这些样品中可能存在结构水（Bishop et al.， 1994）.其中，雅丹、泥石流、冲沟、盐滩、多边形地貌的样品在1 900 nm附近吸收表现最突出（中心为 1 940 nm，图5a）.沙丘和冲积扇样品的吸收峰向低波段方向偏移至1 910~1 940 nm之间，这可能指示了矿物晶格中铁含量的增加，表明沙丘和冲积扇样品可能含有更多的富铁矿物（Bishop et al.， 1994）.多边形、盐滩、冲沟相较于其他地貌在1 450 nm、 1 750 nm、1 940 nm、2 200 nm处具有特征谱带，这与石膏的吸收特征一致（Gendrin et al.， 2005； Langevin et al.， 2005），并且这些样品的反射光谱还包含一个以1 500 nm为中心的吸收三重态，具体表现为在 1 449 nm、1 489 nm、1 550 nm有3个连续吸收峰，表明多边形、盐滩、冲沟3个样品含有石膏，而且根据吸收峰的相对深度推测多边形、盐滩、冲沟样品的石膏含量依次降低（Crowley， 1991； Crowley and Hook， 1996； Sobron et al.， 2018）.综上，推测 1 450 nm和1 940 nm处的吸收指示了多水合硫酸盐中的水分子（Cloutis et al.， 2006）.强石膏吸收特征主导了多边形、盐滩、冲沟样品的实验室反射光谱.所有样品均在2 200 nm附近有明显的吸收，这也指示了石膏的存在（Crowley and Hook， 1996）.

为了进一步厘清可能的矿物类型，选择了与获得的SWIR光谱相似的层状硅酸盐、水合硫酸盐、石英和岩盐的实验室光谱（图5b）.通常在1 000~ 2 400 nm范围内，层状硅酸铝（伊利石）在1 400 nm、1 900 nm和2 200 nm附近具有吸收率（Viviano-Beck et al.， 2014），而石膏在1 450 nm、1 750 nm、 1 940 nm、2 200 nm和2 400 nm附近具有吸收特征（Gendrin et al.， 2005； Langevin et al.， 2005）.因此，如图5a所示，SWIR光谱的1 450 nm和1 940 nm吸收更符合硫酸盐而不是层状硅酸盐.绿泥石在 2 250~2 260 nm和2 340~2 350 nm处有双峰，方解石在2 340 nm处也有C-O的特征吸收峰，然而该信号极易被其他信号（如石膏或绿泥石的吸收能带）所掩盖，在短波红外范围并不明显，在土壤混合物的情况下峰形较平缓（如盐滩和多边形SWIR谱图）.岩盐在光谱上没有特征，通常表现出1 900 nm的吸附水特征，因此无法根据SWIR光谱判断岩盐的存在与否.长石和石英等伴生矿物不表现出吸收带，因此难以通过SWIR技术检测（McKeown et al.， 2009）.

3.3　碳酸盐含量与分布特征

在实验室基于盐酸法定量样品中碳酸盐的含量，通过对样品进行酸洗烘干前后的重量之差与原样品重量的比值，得到各采样点的碳酸盐含量（图6）.多边形地貌的碳酸盐含量最高，雅丹和盐滩的碳酸盐次之，再次为冲积扇和泥石流，而冲沟和沙丘地貌的碳酸盐含量最低.结合SWIR光谱数据，显示出SWIR无法在柴达木盆地土壤综合化学环境背景下（尤其是富盐类土壤）有效探测15%~75%含量的碳酸盐.

基于ASTER遥感数据提取碳酸盐矿物.利用选择性主成分分析法（SPCA），即根据目标矿物选取部分特定波段开展主成分分析，碳酸盐矿物的光谱特征主要在ASTER数据的10、13和14波段上表现得最为明显（Chen et al.， 2022a）.其中，碳酸盐矿物在ASTER13波段（10.25~10.95 μm）的辐射系数最大，在14波段（10.95~11.65 μm）的辐射系数最小（表2），据此对ASTER数据10、13、14波段进行主成分分析.根据主成分分析的结果，只有PC3分量13、14波段数值相反，因此根据PC3负分量识别碳酸盐矿物（Chen et al.， 2022a）.

基于ASTER遥感数据获得柴达木采样区的碳酸盐矿物含量分布图，发现碳酸盐矿物在柴达木地区广泛分布，其中雅丹碳酸盐矿物含量最高，其次为多边形、盐滩、冲积扇和沙丘，而泥石流和冲沟的碳酸盐矿物含量相对较低（图7）.这和盐酸法测得的多边形、雅丹碳酸盐含量最高，沙丘碳酸盐含量最低的结果基本一致.相较而言，XRD测得的结果中雅丹碳酸盐矿物含量最高，其他矿物含量相差不大，可比性较低.值得注意的是，通过遥感影像所获得的数据无法定量碳酸盐矿物含量的绝对值，仅仅是相对含量的表现，是矿物在大空间尺度上的分布，需要结合上述实验室谱学方法开展更精细的分析.此外，矿物沉降顺序不同使得部分碳酸盐矿物可能被其他矿物包裹或覆盖，也可能导致探测到的含量偏低.本研究在野外采集样品前去除表层沙粒的操作也可能导致遥感探测与实验室分析的结果具有一定的差异.

4 讨论

表面物质成分探测是火星探测任务中的重要科学目标之一，对地球上类火星地区样品的光谱学特征进行系统分析有助于更好地解译火星光谱数据.火星上存在丰富的水成地貌（Cardenas and Stacey， 2023； Xiao et al.， 2023），经过后期干旱化过程的改造作用，形成了一系列诸如雅丹、多边形、盐滩、泥石流、沙丘、冲沟、冲积扇等地貌（Rotz， 2020）.本研究在我国柴达木盆地干旱区选取了类比上述火星地貌的典型样品进行矿物与元素成分分析，研究了柴达木盆地各类地貌的地球化学特征.本研究的采样点均位于柴达木盆地西北部地区，具有类似的温度、辐照和降水等，区域差异较小，因此不同样品的元素和矿物差异主要由地貌类型不同造成.

ASTER遥感数据的空间分辨率为30 m，在像元水平上对柴达木盆地的碳酸盐矿物进行识别制图，相较于实验室样品分析而言具有空间尺度大的特点，能够对采样区全域进行矿物扫描，筛选感兴趣的采样点（图7）.本研究利用ASTER数据对采样点碳酸盐矿物丰度进行了初步评估，整体反映了柴达木盆地采样区中的碳酸盐矿物丰度，但由于探测设备与探测样品距离远以及遥感探测对矿物的识别精度较低，基于ASTER数据的结果与实验室XRD和脱碳酸盐法分析结果有一定差异，特别是碳酸盐分布较稀疏的泥石流和冲沟等采样点（图7），表明大尺度的遥感技术与精细的实验室分析进行综合研究尤为重要.

SWIR光谱检测到了冲沟、盐滩、多边形等地貌样品含有石膏，并且根据吸收峰的深度判断石膏的含量依次增多，这与XRD的结果一致.SWIR光谱硫酸盐的吸收峰形及其深度可为火星识别硫酸盐提供对比借鉴.碳酸盐矿物（如方解石）在2 340 nm处有特征吸收峰，然而在土壤的综合矿物盐分环境下，方解石特征峰形较平缓易被忽略（图5a）.冲积扇样品的SWIR光谱吸收峰偏移现象暗示其可能含有较高的Fe（图5a），这与XRF和LIBS的元素结果吻合（图2和图3）.这些结果可为未来解译火星SWIR数据中碳酸盐和铁的含量变化提供参考.

LIBS可以在微米级水平半定量评估元素的相对丰度，但本研究发现LIBS结果与检测全岩主量元素的XRF结果并不完全匹配（图2和图3d），显示出样品整体和局部尺度上元素组成之间的差异，当然这种差异也可能与LIBS结果具有模型和光谱库依赖性有关.XRD分析的碳酸盐相对丰度与脱碳酸盐法结果的差异可能指示了样品间水溶性盐分含量的差异，非方解石类的碳酸盐矿物也可能在衍射谱上表现出不同的灵敏度（Amao et al.， 2022）.

基于对柴达木盆地各类地貌表层土壤的多光谱学分析，结果表明这些样品以石英、钠长石、石膏为主，以及含有部分方解石、伊利石、绿泥石、微斜长石、岩盐.SWIR光谱中H₂O和O-H的吸收带表明目标样品中存在水合矿物，结合XRD结果分析可能是石膏、伊利石、绿泥石等.LIBS光谱中的H信号进一步支持了样品中存在水.其中，盐滩和多边形地区反映了干旱区的蒸发岩沉积类型，主要含有二氧化硅（石英）、钙和钙‒镁碳酸盐（方解石、白云石）、稍晚期形成的硫酸钙（石膏和硬石膏）以及最后形成的更多易溶性盐类，如氯化钠（岩盐）等（图4、图5a、图6），经过沉积后蚀变过程一些表层形成的矿物或盐分受到风化作用而剥蚀，一些元素（如铝、镁、钙、钠等）从中释放（图2、图3d）.冲积扇、沙丘和泥石流反映了湖泊沉积物的碎屑部分，主要由黏土矿物、石英和长石组成（图4）.雅丹和冲沟的硫酸盐、绿泥石和碳酸盐组成则介于上述两类土壤类型之间，雅丹相比于冲沟而言表现出更强烈的蒸发岩特征.本研究结果显示了柴达木盆地古水文地貌经过干旱化过程后的综合地化特征，反映了不同程度地表水活动、蒸发作用和干旱化过程对于柴达木盆地不同类火星地貌的塑造特点（Anglés and Li， 2017； Kong et al.， 2018； Sun et al.， 2022）.

本研究结果与Chen et al.（2022b）对不同地貌矿物组成的分析基本一致，由于干旱区物质分布的不均一性，矿物的含量在同一地貌不同样品间仍然存在差异.受大气沉降作用、蒸发作用、物理/化学风化作用、剥蚀作用等地质过程的影响，处于不同演化阶段的同一地貌在石膏、岩盐、正长石、斜长石、伊利石、绿泥石、角闪石等矿物组成上展现出不同分布特点.例如，Chen et al.（2022b）在雅丹地貌中检测到了岩盐矿物，而本研究在雅丹地貌中并未检测到岩盐矿物，而是检测到了大量石膏，说明雅丹地貌不同区域的蒸发环境和后期剥蚀作用不尽相同.此外，LOI反映了大部分微生物可利用的挥发分、结晶水和有机物，此前研究表明土壤有机碳含量与伊利石和绿泥石等黏土矿物具有显著正相关（Shen et al.， 2019； Chen et al.， 2022b），本研究中的雅丹和冲积扇样品同时含有较高的黏土矿物、碳酸盐以及LOI，可能意味着这两类地貌拥有更好的有机物保存能力（Wang et al.， 2018； Chen et al.， 2022b）.

本研究中柴达木表层土壤样品XRD矿物组成结果差异较大，但SWIR所表现出的谱形差异则不甚显著，主要表现在硫酸盐、绿泥石和含铁物质含量的区别上.在“祝融号”火星车获得的火星原位SWIR光谱中，大多数测量区域的斜率、形状和吸收特征也表现出高度的相似性，如在~1 940 nm处有明显的吸收，在~1 450 nm和2 230 nm处存在相对较弱的吸收，一些光谱在1 750 nm处有非常细微的吸收（Yong et al.， 2023）.本研究所分析的柴达木土壤与祝融号着陆区SWIR光谱特征较为相似，因此在一定程度上为火星表面不同地貌中矿物和元素组成的分析提供了参考依据.然而，本研究所获得的样品中大多富含石英等硅质矿物，鉴于火星土壤中钠长石和铁含量普遍较高而石英较少，且地质演化历史与地球不同，因此不能排除地球上少有甚至没有的矿物表现出相似的红外光谱特征.

5 结语

本研究综合利用ASTER、SWIR、LIBS、XRD、XRF和盐酸洗脱碳酸盐法分析了柴达木盆地典型类火星地貌表层样品的矿物组成，发现主要成分为石英、钠长石、石膏，以及部分方解石、伊利石、绿泥石、微斜长石、岩盐等.不同地貌经历不同的干旱改造过程或处于不同演化阶段，呈现出不同的蒸发岩沉积或湖泊沉积物碎屑组成，其中雅丹和冲积扇地貌可能具有较好的碳酸盐、黏土矿物和有机物保存能力.遥感研究从整体上获得观测数据为局地探测提供参考，区域原位探测和实验室样品精细分析深化了对矿物及元素组成的认识，因此多光谱分析结合遥感探测手段可以揭示类火星地貌样品更加完整的地球化学信息.本研究也为未来火星采样返回任务着陆区的遴选提供了一定的参考.

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基金资助

国家自然科学基金项目(T2225011)

中国科学院重点部署项目(ZDBS-SSW-TLC001)

国家重点研发计划青年科学家项目(2022YFF0504000)