一時的な酸性塩湖とは、溶存塩分が比較的多く、 pHが低い（通常1～5未満）湖で、年間を通して水が溜まりません。このような湖は、蒸発岩鉱物、特に岩塩、石膏、そして様々な酸化鉄の濃度が高いことで特徴付けられ、湖は高塩分になります。低pHと蒸発岩鉱物は正の相関関係にあり、pHが低い湖では目に見える蒸発岩鉱物の「クラスト」が見られます。これらの湖系は非常に特殊な地球化学組成を持つため、自然界における極限環境と考えられています。
湖水は酸性度が低く塩分濃度が高いため、また定期的に蒸発するため、微生物よりも大きな生物は一般的に生息できません。しかし、そこに生息する微生物は、好塩性細菌や古細菌から好酸性真菌に至るまで、驚くほど多様な生物種を擁しています。[1]このような過酷な環境で生命が生き延びるという並外れた能力を持つため、酸性塩湖は近年、宇宙生物学分野との関連性について研究されています。
酸性塩湖系は自然界では稀有な存在と考えられており、その集中度が最も高いのは西オーストラリア州です。これらの湖は半乾燥から乾燥地帯で最も形成されやすく、安定した内部クラトンや閉鎖された古排水盆地と密接につながっているため、地下水が蒸発して現在の極めて高い塩分濃度と酸性度に達します。ほとんどの天然酸性塩湖系とは異なり、これらの湖は火山活動や熱水活動によって供給されておらず、大規模な硫化物鉱床と直接接触していないにもかかわらず、 pHが1未満に達する塩水が存在するという点で珍しいものです。 [2]
地質学と地球化学
これらの湖の極端な酸性度と塩分濃度は、過去200万年の間に形成された地質学的、気候学的、そして地理的条件に大きく影響されています。地理的には、これらの湖は、イルガーン・クラトンとして知られる安定した内部クラトン内の始生代基盤岩に位置しています。これらの古代の岩石は、断層ブロックの谷によって閉鎖された盆地によって形成され、始新世の古排水によって削り取られました。最も一般的な岩石は花崗岩と片麻岩で、斜長岩と珪岩はやや少ないです。始生代の複合岩石は風化と変形が著しく、アルミニウム、ニッケル、その他の微量金属の経済的な供給源となっています。クラトンは地殻変動的に不活発で、中生代以降海面下に沈降していないため、褐炭、シルト岩、砂岩、海成石灰岩などの堆積岩層のまばらな帯が形成されています。[3]これらの堆積物は主に、第三紀の最後の2回の海進で堆積したと考えられており、これにより、侵食された谷の一部が海水やその他の海成堆積物で満たされました。河川からの古排水は湖の始新世で終了し、ダーリング山脈の隆起により河川の流れが堰き止められ、孤立した湖盆が形成されました。地形が多様なため、湖は基底始生代の岩石に直接存在する場合もあれば、風化したレゴリス、第三紀の砂岩や石灰岩に存在する場合もあります。そのため、湖の地球化学組成が異なるのは、ホスト岩石の違いによる水と岩石の相互作用が異なることが一因となっています。[3]
地質学的条件に加えて、西オーストラリア州の気候は、湖の季節的な変化に大きな役割を果たしています。湖は半乾燥地帯にあり、南西オーストラリア州の季節的な天候変動の影響を直接受けます。乾季は主に冬季（6月～8月）、雨季は夏季（12月～3月）です。半乾燥地帯であるにもかかわらず、この地帯では通常、四季があり、季節ごとに降水量が異なります。[4]雨量が多い月には湖は洪水状態になり、酸性度（中央値3.3）が低下します。逆に乾季には蒸発濃縮が優勢になり、湖の酸性度（中央値4.4）と塩分が上昇します。天文学的な降水も沈殿物に影響を与え、暴風雨の後には岩塩や石膏が溶解することが示されています。降雨はまた、地元の動植物から有機物を湖に洗い流し、総溶解固形物含有量を増加させます。[4]
地球化学的には、湖の平均pH範囲は1以上から5未満で、平均塩分濃度は25%以上であり、海水の約8倍に相当します。西オーストラリア州の水の大部分は塩化ナトリウム（NaCl）の塩水で、カルシウム、カリウム、アルミニウム、鉄、臭素、ケイ素（Ca、K、Al、Fe、Br、Si）の含有量は地域によって異なり、過剰となっています。水中のイオンの大部分はNaとCl（約88%）ですが、湖によっては60%から98%まで変化することもあります。最も酸性度の高い湖（例：ウェーブロック湖、pH 1.7）はNaとClイオンが最も低く、他の一般的なイオンの濃度がはるかに高くなっています。[3]
湖沼系内の多くの元素成分は、通常他の天然湖沼では微量しか存在しないイオンで構成されています。水質が酸性になるほど、Fe、Al、Si元素化合物の記録量が多くなります。逆に、pHが4を超える水にはHCO3-がほとんど含まれません。水中のFeの量は塩分濃度と正の相関関係にあり、水の塩分濃度が高いほどFeの値は高くなります。しかし、AlイオンとSiイオンには同様の相関関係は見られません。通常の塩水とはさらに異なり、酸性塩水系ではAlの量がCaイオンの量よりも桁違いに多くなります。最も高濃度のAlは8000mg/Lに達することもあり、これは酸性鉱山水や海水よりもはるかに高い値です。[5]
これらの湖には他の微量イオンも大量に存在しています。平均して、ストロンチウム（Sr）の値は最大65mg/Lに達し、塩分濃度とともに増加します。サンプル水の59％で、検出可能な量のMn（> 46 mg/L）およびCu（< 9.5 mg/L）が含まれています。あまり一般的ではない微量イオンには、亜鉛、ニッケル、モリブデン、コバルト（Zn、Ni、Mo、Co）が検出可能量で含まれており、酸性度および塩分の上昇と正の相関関係を示しています。他の金属イオンも少量存在しますが、値はそれほど高くありません。セリウム、鉛、アンチモン、テルル（Ce、Pb、Sb、Te）などの金属が確認されています。一部の湖では、アンチモン濃度が3mg/Lを超えており、これはEPAの毒性限度の約500倍です。[5]
金属イオンやその他の微量元素の濃度が高いことは、酸性溶液のほとんどに存在し、水と岩石の相互作用がこれらの塩水の形成に影響を与えていることを表しています。ニッケル硫化物鉱床に近く、酸化を受ける湖は、局所的な酸性化に寄与していると考えられています。はるか遠く、地下水の流れが遅い湖は、主に始生代基盤岩や石炭鉱床に含まれる有機物や硫化物の酸化の影響を受けていると考えられています。降雨により酸性度が低下すると、湖は急速に酸性度の高い状態に再調整されます。これは、鉄の絶え間ない循環と、H +イオンを生成する酸化還元反応の影響も受けています。[6]
Al-フィロケイ酸塩（例：カオリナイト、Fe-白雲母）は、湖沼における主要な自生フィロケイ酸塩です。これらは、酸性湖水からの直接沈殿、セメント原料となる浅層地下水からの直接沈殿、長石や角閃石の変質作用によって形成されると考えられます。これらは、湖沼中の石膏、岩塩、赤鉄鉱、ジャロサイト、明礬石などの他の鉱物と密接に関連しています。これらの鉱物の安定性は主にpHと陽イオンの利用可能性によって制御され、カオリナイトは通常、他の水域では中性pHで最も安定しますが、AlイオンとSiイオンが酸性度を高めるというプラスの作用により、極端なpHでもカオリナイトが沈殿します。[6]
火星との関連性
これらの湖で形成される他の重要な鉱物層には、AlおよびFe/Mgフィロケイ酸塩があります。これらの粘土は湖の地球化学において興味深い役割を果たしており、酸性塩湖が火星の有用な惑星アナログである理由をより深く理解するために研究されてきました。西オーストラリア州のような酸性塩システムは地球では珍しいですが、火星のマウルス渓谷とニリフォッサエ地域では同様の堆積記録が見つかっています。さらに、火星のこれらの地域では粘土鉱物が検出されており、それらの形成には大量の水の貯留層が存在しなければならなかったことを示しています。火星にジャロサイト、明礬石、耐酸性カオリン群、塩化物が存在することは、これらの地域が西オーストラリア州の湖といくつかの特徴を共有している可能性があることを示唆しています。[1]
火星生命探査において、粘土は有機物を捕捉し保存する上で重要な役割を果たす可能性がある。湖沼系の粘土には有機物が十分に保存されていないものの、地層水のD値を記録し、潜在的な居住環境を明らかにする可能性がある。湖沼の他の鉱物は、より保存性が高い。特に蒸発岩は、急速な沈殿によって結晶構造内に有機物を捕捉し保存することができる。2003年にメラニー・R・モルマイルらが行った研究では、微生物が石膏や岩塩などの沈殿鉱物内に流体包有物として捕捉されている可能性があることが示された。[7]これらの微生物は、ラマン分光法とX線回折分析によって検出できる。[1]
参考文献
- ^ abc Benison, KC (2013年11月). 「酸性塩水流体包有物：現代およびペルム紀の極限湖沼システムの例」. Geofluids . 13 (4): 579– 593. doi :10.1111/gfl.12053.
- ^ ベニソン、キャスリーン・C. (2006). 「カンザス州における火星類似地：火星の地層とペルム紀の酸性塩湖堆積物の比較」地質学34 ( 5): 385. doi :10.1130/G22176.1.
- ^ abc Benison, KC; Bowen, BB; Oboh-Ikuenobe, FE; Jagniecki, EA; LaClair, DA; Story, SL; Mormile, MR; Hong, B.-Y. (2007年5月1日). 「西オーストラリア南部の酸性塩湖の堆積学：極限環境における新たなプロセスと生成物」. Journal of Sedimentary Research . 77 (5): 366– 388. doi :10.2110/jsr.2007.038.
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- ^ ab Bowen, Brenda Beitler; Benison, KC; Oboh-Ikuenobe, FE; Story, S.; Mormile, MR (2008年4月). 「西オーストラリア州ブラウン湖の現代の酸性塩湖堆積物における活発なヘマタイトコンクリーションの形成」.地球惑星科学レターズ. 268 ( 1–2 ): 52– 63. doi :10.1016/j.epsl.2007.12.023.
- ^ ab ストーリー、ステイシー、ボーエン、ブレンダ・ベイトラー、ベニソン、キャスリーン・カウンター、シュルツ、ダレル・G. (2010年12月18日). 「現代の酸性塩湖堆積物中の自生フィロケイ酸塩と火星への示唆」.地球物理学研究ジャーナル. 115 (E12). doi : 10.1029/2010JE003687 .
- ^ Mormile, Melanie R.; Biesen, Michelle A.; Gutierrez, M. Carmen; Ventosa, Antonio; Pavlovich, Justin B.; Onstott, Tullis C.; Fredrickson, James K. (2003年11月). 「岩塩塩水包有物から直接回収したHalobacterium salinarumの分離」. Environmental Microbiology . 5 (11): 1094– 1102. doi :10.1046/j.1462-2920.2003.00509.x. PMID 14641589.
