بحيرة مالحة حمضية موسمية

البحيرة الملحية الحمضية الموسمية هي بحيرة ذات تركيز عالٍ نسبيًا من الأملاح الذائبة ودرجة حموضة منخفضة ، تتراوح عادةً بين أقل من 1 و5، ولا تحتوي على مياه راكدة على مدار العام. تتميز هذه البحيرات بتركيزات عالية من معادن التبخر ، وخاصة الهاليت والجبس وأكاسيد الحديد المختلفة، مما يجعلها شديدة الملوحة. يوجد ارتباط إيجابي بين انخفاض درجة الحموضة ومعادن التبخر، مما يسمح للبحيرات ذات درجة الحموضة المنخفضة بتكوين "قشور" مرئية من معادن التبخر. ونظرًا للتركيبات الجيوكيميائية غير العادية الموجودة في هذه البحيرات، تُعتبر بيئات قاسية في الطبيعة.

نظراً لانخفاض حموضة البحيرات وارتفاع ملوحتها، فضلاً عن تبخرها الكامل الدوري ، فإن مياهها غير صالحة عموماً لسكنى الكائنات الحية الأكبر من الميكروبات. وتتمتع الكائنات المجهرية التي تعيش فيها بتنوع بيولوجي مذهل، يمتد من البكتيريا والعتائق المحبة للملوحة إلى الفطريات المحبة للحموضة . ^{[ 1 ]} ونظراً لقدرة الحياة غير العادية على البقاء في مثل هذه البيئة القاسية، فقد خضعت البحيرات الملحية الحمضية للدراسة مؤخراً لأهميتها في مجال علم الأحياء الفلكي .

تُعتبر أنظمة البحيرات الملحية الحمضية ظاهرة نادرة في العالم الطبيعي، ويوجد أعلى تركيز لها في غرب أستراليا . تتشكل هذه البحيرات في أفضل حالاتها في ظل ظروف شبه قاحلة إلى قاحلة، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بالكتل القارية الداخلية المستقرة وأحواض التصريف القديمة المغلقة ، مما يسمح بتبخر المياه الجوفية إلى مستويات الملوحة والحموضة القصوى الموجودة اليوم. وعلى عكس معظم أنظمة البحيرات الملحية الحمضية الطبيعية، تتميز هذه البحيرات بكونها غير عادية، إذ لا تتغذى من مصادر بركانية أو حرارية مائية، ولا تتصل مباشرة برواسب الكبريتيد الكبيرة ، ومع ذلك تحتوي على محاليل ملحية ذات درجة حموضة قد تصل إلى أقل من 1. ^{[ 2 ]}

تتأثر الحموضة والملوحة الشديدة لهذه البحيرات بشكل كبير بالظروف الجيولوجية والمناخية والجغرافية التي تشكلت على مدى المليوني سنة الماضية. جغرافيًا، تقع هذه البحيرات على صخور القاعدة الأركية ضمن الدرع الداخلي المستقر المعروف باسم درع ييلغارن . تشكلت هذه الصخور القديمة بفعل أحواض مغلقة عبر وديان صدعية ، ونُحتت بفعل التصريف القديم في عصر الإيوسين . الصخور الأكثر شيوعًا هي الجرانيت والنيس ، بينما يُعد الأنورثوزيت والكوارتزيت أقل شيوعًا. تتميز المركبات الأركية بتجوية وتشوه شديدين، وهي مصادر اقتصادية للألمنيوم والنيكل ، إلى جانب معادن أخرى بكميات ضئيلة. نظرًا لأن الدرع غير نشط تكتونيًا ولم ينخفض ​​عن مستوى سطح البحر منذ العصر الميزوزوي ، فقد نتج عن ذلك مناطق متفرقة من طبقات الصخور الرسوبية مثل الليغنيت والحجر الطيني والحجر الرملي والحجر الجيري البحري . ^{[ 3 ]} يُعتقد أن هذه الرواسب قد ترسبت في المقام الأول خلال آخر فترتي غمر بحري في العصر الثالث ، مما سمح بملء بعض الوديان المنحوتة بمياه البحر ورواسب بحرية أخرى. انتهى التصريف القديم للأنهار في بحيرة الإيوسين، ونجح ارتفاع سلسلة جبال دارلينج في سد تدفق الأنهار وتكوين أحواض بحيرات معزولة. نظرًا لتنوع التضاريس، يمكن أن تتواجد البحيرات مباشرة على صخور الأركي الأساسية، بينما تتواجد بحيرات أخرى على تربة سطحية متجوّية، وأحجار رملية وجيرية من العصر الثالث . على هذا النحو، يُعزى التباين في التركيب الكيميائي للبحيرات جزئيًا إلى اختلاف تفاعلات الماء مع الصخور نتيجة لاختلاف الصخور المضيفة. ^{[ 3 ]}

إلى جانب التكوين الجيولوجي، يلعب مناخ غرب أستراليا دورًا رئيسيًا في تطور البحيرات موسميًا. تقع هذه البحيرات في منطقة شبه قاحلة، وتتأثر بشكل مباشر بالتقلبات المناخية الموسمية في جنوب غرب أستراليا. يمتد موسم الجفاف بشكل رئيسي خلال أشهر الشتاء (يونيو - أغسطس)، بينما يمتد موسم الأمطار خلال أشهر الصيف (ديسمبر - مارس). وعلى الرغم من كونها شبه قاحلة، إلا أن المنطقة تشهد عادةً الفصول الأربعة مع اختلافات في هطول الأمطار بين كل فصل وآخر. ^{[ 4 ]} خلال الأشهر الأكثر رطوبة، تصل البحيرات إلى مرحلة الفيضان، مما يقلل من حموضتها (المتوسط ​​= 3.3). في المقابل، خلال الأشهر الجافة، يزداد التبخر، مما يؤدي إلى ارتفاع حموضة البحيرات (المتوسط ​​= 4.4) وملوحتها. كما يؤثر هطول الأمطار على الرواسب، حيث لوحظ ذوبان الهاليت والجبس بعد العواصف المطرية. وتجرف مياه الأمطار أيضًا المواد العضوية من النباتات والحيوانات المحلية إلى البحيرات، مما يزيد من إجمالي محتوى المواد الصلبة الذائبة. ^{[ 4 ]}

من الناحية الجيوكيميائية، يتراوح متوسط ​​الرقم الهيدروجيني للبحيرات بين أكثر من 1 و5، ويبلغ متوسط ​​ملوحتها أكثر من 25%، أي ما يقارب ثمانية أضعاف ملوحة مياه البحر. معظم مياه غرب أستراليا عبارة عن محاليل ملحية من كلوريد الصوديوم (NaCl) تحتوي على كميات متفاوتة، ولكنها مرتفعة إقليميًا، من الكالسيوم والبوتاسيوم والألومنيوم والحديد والبروم والسيليكون (Ca, K, Al, Fe, Br, وSi). تُشكل أيونات الصوديوم والكلور غالبية الأيونات في المياه (حوالي 88%)، ولكن قد تتراوح نسبتها بين 60% و98% في بعض البحيرات. أما البحيرات الأكثر حمضية (مثل بحيرة ويف روك ، الرقم الهيدروجيني 1.7) فتحتوي على أقل تركيز من أيونات الصوديوم والكلور، مع تركيز أعلى بكثير من الأيونات الشائعة الأخرى. ^{[ 3 ]}

تتكون العديد من العناصر الأساسية في أنظمة البحيرات من أيونات لا توجد عادةً إلا بكميات ضئيلة في البحيرات الطبيعية الأخرى. وكلما زادت حموضة المياه، زادت كمية مركبات الحديد والألومنيوم والسيليكون المسجلة. وعلى العكس، تكاد المياه ذات الرقم الهيدروجيني الأعلى من 4 تخلو من أيونات البيكربونات ( _HCO3− ) ^. ترتبط كمية الحديد في المياه ارتباطًا طرديًا بالملوحة، فكلما زادت ملوحة الماء، زادت نسبة الحديد فيه. إلا أن هذا الارتباط لا ينطبق على أيونات الألومنيوم والسيليكون. وعلى عكس المحاليل الملحية المعتادة، فإن كمية الألومنيوم في الأنظمة الملحية الحمضية أعلى بكثير من كمية الكالسيوم. يصل تركيز الألومنيوم في بعض البحيرات إلى 8000 ملغم/لتر، وهو أعلى بكثير من تركيزه في مياه المناجم الحمضية أو مياه البحر. ^{[ 5 ]}

توجد أيونات ضئيلة أخرى بكميات كبيرة في هذه البحيرات أيضًا. في المتوسط، قد تصل قيم السترونتيوم (Sr) إلى 65 ملغم/لتر وتزداد مع زيادة الملوحة. تحتوي 59% من عينات المياه على كميات قابلة للكشف من المنغنيز (>46 ملغم/لتر) والنحاس (<9.5 ملغم/لتر). تشمل الأيونات الضئيلة الأقل شيوعًا الزنك والنيكل والموليبدينوم والكوبالت (Zn، Ni، Mo، وCo) بكميات قابلة للكشف، وتُظهر ارتباطًا إيجابيًا مع زيادة الحموضة والملوحة. توجد أيونات معدنية أخرى بنسب أقل ولكن بتركيزات أقل. تم تحديد معادن مثل السيريوم والرصاص والأنتيمون والتيلوريوم (Ce، Pb، Sb، وTe). في بعض البحيرات ، تتجاوز قيم تركيز الأنتيمون 3 ملغم/لتر، أي ما يقرب من 500 ضعف الحد المسموح به للسمية وفقًا لوكالة حماية البيئة الأمريكية. ^{[ 5 ]}

تُشير المستويات العالية من الأيونات المعدنية والعناصر النزرة الأخرى في معظم المحاليل الحمضية إلى تأثير تفاعلات الماء والصخور في تكوين هذه المحاليل الملحية. يُعتقد أن البحيرات القريبة من رواسب كبريتيد النيكل والتي تخضع للأكسدة تُساهم في زيادة الحموضة المحلية. أما البحيرات الأبعد ذات التدفق البطيء للمياه الجوفية، فيُعتقد أنها تتأثر بشكل أساسي بأكسدة المواد العضوية والكبريتيدية الموجودة في صخور القاعدة الأركية ورواسب الفحم. خلال فترات هطول الأمطار، عندما تقل الحموضة، تعود البحيرات بسرعة إلى ظروف أكثر حمضية. ويتأثر ذلك جزئيًا بدورة الحديد المستمرة وتفاعلات الأكسدة والاختزال التي تُنتج أيونات الهيدروجين (H ^{+) . [ 6 ]}

تُعدّ السيليكات الصفائحية المحتوية على الألومنيوم ( مثل الكاولينيت والمسكوفيت المحتوي على الحديد ) السيليكات الصفائحية الرئيسية ذاتية التكوين في البحيرات. ويُرجّح أنها تتشكل من الترسيب المباشر من مياه البحيرة الحمضية، والترسيب المباشر من المياه الجوفية الضحلة لتكوين الأسمنت، وتغير الفلسبارات والأمفيبولات . وترتبط هذه السيليكات ارتباطًا وثيقًا بمعادن أخرى داخل البحيرات، مثل الجبس والهاليت والهيماتيت والجاروسيت والألونيت . وتعتمد استقرارية هذه المعادن بشكل أساسي على درجة الحموضة وتوافر الكاتيونات ، فبينما يكون الكاولينيت أكثر استقرارًا عند درجة حموضة متعادلة في المياه الأخرى، فإن الوظيفة الإيجابية لأيونات الألومنيوم والسيليكون في زيادة الحموضة تسمح للكاولينيت بالترسب عند درجات حموضة قصوى. ^{[ 6 ]}

تشمل التكوينات المعدنية الهامة الأخرى التي تتشكل داخل هذه البحيرات سيليكات الألومنيوم والحديد/المغنيسيوم. تلعب هذه الطينات دورًا مهمًا في التركيب الجيوكيميائي للبحيرات، وقد دُرست لفهم أفضل لكيفية اعتبار البحيرات الملحية الحمضية نموذجًا كوكبيًا مفيدًا للمريخ . في حين أن الأنظمة الملحية الحمضية، كتلك الموجودة في غرب أستراليا، نادرة على الأرض، فقد عُثر على سجلات رسوبية مماثلة في منطقتي وادي ماورث ووادي نيلي على سطح المريخ. بالإضافة إلى ذلك، تم الكشف عن معادن طينية في هذه المناطق على سطح المريخ، مما يشير إلى وجود خزانات مائية كبيرة لتكوينها. يشير وجود الجاروسيت والألونيت ومجموعات الكاولين المقاومة للأحماض والكلوريدات على سطح المريخ إلى أن هذه المناطق قد تشترك في بعض خصائص بحيرات غرب أستراليا. ^{[ 1 ]}

في البحث عن الحياة على المريخ ، تلعب الطينات دورًا حاسمًا في احتجاز المواد العضوية وحفظها. ورغم أن المواد العضوية لا تُحفظ جيدًا داخل طينات نظام البحيرة، إلا أنها تُسجل قيم D للمياه التكوينية، مما قد يُلقي الضوء على الظروف الصالحة للحياة المحتملة. تتمتع معادن أخرى في البحيرة بميل أكبر للحفظ، لا سيما مواد التبخر، حيث يُمكن للترسيب السريع أن يحتجز المواد العضوية ويحفظها داخل بنيتها البلورية. تُشير الأبحاث التي أجرتها ميلاني ر. مورميل وآخرون عام 2003 إلى إمكانية احتجاز الميكروبات كشوائب سائلة داخل المعادن المترسبة مثل الجبس والهاليت. ^{[ 7 ]} وقد أمكن الكشف عن هذه الميكروبات باستخدام مطيافية رامان وتحليل حيود الأشعة السينية . ^{[ 1 ]}