歷史地質/鹽巨頭
鹽巨頭是巨大的可溶性礦物沉積物。我們所說的“巨大”是指什麼呢？舉個例子，盧安鹽覆蓋了 800,000 平方公里，深度為 4 公里，相當於大約 7 千萬億噸鹽。即使是像密歇根盆地中發現的這樣的小型鹽巨頭，也覆蓋了 100,000 平方公里，深度為 250-350 米。
在這篇文章中，我們將回顧關於鹽巨頭形成的已知資訊和合理的推測。
雖然 沉澱 海水中鹽類可以從一個普通的桶中觀察到，但鹽巨頭的形成卻無法在任何地方觀察到。這並不奇怪：地質記錄表明，鹽巨頭的形成只發生在某些時間和某些地方，而我們恰好生活在沒有鹽巨頭形成的時期，這並不意外。
雖然這並不意外，但它確實令人討厭。我們對 沉積岩 的理解在其他情況下因我們能夠在當下看到沉積物正在沉積這一事實而得到極大增強。在鹽巨頭的情況下，我們缺乏這些資訊，只能盡力而為。
海水含有各種溶解的離子，例如（按質量從高到低排列）Cl-、Na+、SO42-、Mg2+、Ca2+、K+、HCO3- 和 Br-；這 8 種 離子 佔海水溶解離子的 99% 以上，其他離子對於本文的目的可以忽略。
當海水蒸發時，這些離子會以 礦物 的形式沉澱出來，例如 岩鹽 (NaCl) 和 石膏 (CaSO4·2H2O)。1 升海水的蒸發將產生大約 35 克的 蒸發巖。
對於 沉澱 所需的蒸發程度因 礦物 而異：因此 石膏 將在海水減少到其原始體積的 30% 左右時開始沉澱出來，但需要減少到其原始體積的 10% 才能沉澱出 岩鹽。
相關事實總結在下表中。第一列指定礦物，第二列給出其佔所有沉澱礦物百分比，整個表格大致按各種礦物沉澱出來的難易程度排序，從最容易沉澱出來的礦物到最易溶解的礦物。只出現微量痕跡的礦物已省略。
| 礦物 | 百分比 |
|---|---|
| CaCO3 (方解石) | 0.3% |
| CaSO4·2H2O (石膏) | 3.6% |
| NaCl (岩鹽) | 78.1% |
| MgSO4 | 6.6% |
| MgCl2 | 8.5% |
| NaBr | 1.5% |
| KCl | 1.3% |
這裡給出的數字是基於尤西利奧的開創性工作，仍然被認為是相當準確的：更多資訊可以在 這裡找到。
所有這一切的結果是，隨著海水的蒸發，少量的 方解石 將首先沉澱出來。隨著蒸發的繼續，石膏 將沉澱出來：由於 石膏 比 方解石 多得多，並且由於大部分方解石已經沉澱出來，這意味著 石膏 將淹沒正在沉澱的 方解石，因此生成的岩石將幾乎完全是 石膏。類似地，當 岩鹽 開始沉澱時，沉澱的 岩鹽 將比 石膏 或 方解石 多，結果將基本上是 岩鹽。真正濃縮的鹽水，被還原到其原始體積的百分之幾，將沉澱出其他鹽類，但 岩鹽 的丰度更大將確保它占主導地位。
我們還應該注意到， 石膏 (CaSO4·2H2O) 的進一步脫水將去除與硫酸鈣相關的水分，將其轉化為 硬石膏 (CaSO4)。
鹽巨頭總是被一層更傳統的沉積物覆蓋，否則它們早就被雨水沖走（如果是在陸地上）或溶解在海里（如果是在水下）。這一觀察結果讓我們產生了一個最初令人困惑的問題：它們究竟是如何形成的呢？海洋溶解可溶性礦物，而且距離它們必須開始沉澱出來的飽和點還很遠。那麼，這些鹽巨頭如何在海洋盆地中形成呢？
你最初的想法可能是它們是海的一部分與大海的主體隔絕並簡單地乾涸的結果。然而，鹽巨頭中的鹽分太多，單憑這樣的事件無法解釋，因為一公里深的海水乾涸只會導致沉積 14 米的鹽。我們需要的是一個模型，在這個模型中，盆地持續或定期地補充新的鹽水。
我們將描述四種這樣的模型。請注意，雖然它們不能同時應用於同一個鹽水巨星，但它們完全有可能應用於不同的鹽水巨星，或者，可以想象，在不同的時間應用於同一個鹽水巨星。從這個意義上說，所有描述的模型都有可能是正確的。
- 模型 1：帶有一個小縫隙的屏障。
我們的第一個模型是這樣的：假設我們有一個沉積盆地，它只通過一個非常狹窄的通道與海洋相連。將此與乾旱氣候和盆地內河流、溪流或雨水補充的淡水量很少相結合。只要蒸發速度大於淡水的輸入量，盆地內海面始終必須與盆地外海面保持同一水平的物理必要性確保鹽水將始終流入盆地；並且由於水將不斷地從盆地中蒸發，留下溶解的礦物質，這將增加盆地中水的鹽度，直到達到飽和點併發生沉澱。
今天可以觀察到類似的情況：這是埃德蒙·哈雷（以哈雷彗星聞名）首先計算出來的，地中海因蒸發而流失的水量超過了淡水的輸入量；他意識到，這解釋了為什麼總有一股洋流透過直布羅陀海峽流入地中海。
我們可以注意到，地中海的確比大西洋略鹹。然而，今天在地中海底部並沒有形成鹽水巨星。原因是（據計算），為了使這種提議的機制起作用，通道的橫截面積必須比沉積盆地中水的表面積小几個數量級；否則，水的混合趨勢將阻止盆地中的水變得足夠飽和以至於發生沉澱。今天的直布羅陀海峽 simply not narrow enough for the formation of saline giants.
現在，一個恰到好處的通道是不穩定的：我們可能會期望它在很短的時間內被堵塞，或者，或者，被拓寬，這兩種情況都會破壞提議的機制。地中海下鹽水巨星的沉積花了 300,000 年——按地質學家的標準，這是眨眼之間的事，但對於這樣狹窄的通道來說，保持恰到好處的寬度卻是一段很長的時間。因此，儘管我們必須將這種提議的機制視為理論上可行的，但我們應該需要非常確鑿的證據才能在任何特定情況下支援它。
- 模型 2：高潮時被淹沒的屏障。
另一個提議是，在海的主體和沉積盆地之間有一個屏障（一個“門檻”），使得水只有在高潮時才能越過它。同樣，這是可能的，但與之前描述的機制一樣，它需要恰到好處，並且需要保持數百數千年的時間。這是可能的，但不太可能。這種模型的另一個問題是：高潮時的水流入量需要正好抵消蒸發流失的水量。如果水流入量小於水流失量，那麼盆地中的水就會減少到一個間歇性的水坑，這並不能解釋盆地範圍內的沉積；如果水流入量大於水流失量，那麼最終盆地將被填滿，直到在高潮時，它與海的主體處於同一水平，允許混合發生。很難想象什麼影響能使這種情況保持平衡，以至於盆地總是相當滿但從不完全被填滿。
- 模型 3：被海平面上升淹沒的屏障。
第三個類似的模型同樣需要一個完全封閉沉積盆地的屏障，它會週期性地被淹沒，不是由於潮汐，而是由於地球氣候變化導致的全球海平面上升。這種模型將預測，蒸發岩層應該與在盆地充滿水期間沉積的更傳統的海洋沉積層交替出現。似乎這就是我們在地中海沉積物中看到的情況（有關更多資訊，請參閱 這裡），但絕不是所有此類蒸發巖都如此。
這需要比上一個模型不太精確的一組情況，因為氣候變化引起的全球海平面波動可能比潮汐引起的區域性波動幅度更大。
這個模型可以與第一個或第二個模型結合：海平面的變化可能會交替地允許和阻止模型一或二中描述的機制：同樣，我們應該期望看到蒸發巖與更傳統的沉積物交替出現。
- 模型 4：可滲透屏障。
第四個模型如下：盆地與海的主體完全隔絕，但透過多孔沉積物或沉積岩，海水可以滲透屏障。與我們其他模型一樣，我們要求透過蒸發產生的淡水輸出量應大於輸入量：然而，在這種情況下，與“狹窄通道模型”不同的是，盆地中的水在蒸發時可以自由下降到海平面以下：這會在屏障的兩側產生壓差，並確保水只朝一個方向流動，從海的主體流入盆地。在現代世界中，最接近這個模型的類似物是瀉湖中鹽的沉積。
你會注意到，這個模型不需要任何東西恰到好處：屏障的高度或寬度都沒有關鍵性：只要屏障高於海平面，描述的系統就會起作用。
這種模型不受我們對第二模型提出的平衡問題的困擾。因為盆地中的水位因蒸發而下降得越低，屏障兩側的壓差就越大，水流入量就越大；反之，盆地中的水位越高，滲透屏障的水量就越少。因此，我們很可能會期望這種系統處於平衡狀態，盆地既不會完全乾涸，也不會充滿到溢位屏障的地步。
鹽水巨星：我們知道什麼，我們是如何知道的？
[edit | edit source]上面描述的所有模型都需要兩件事：沉積鹽水巨星的盆地應該幾乎或完全與海的主體隔絕；並且氣候應該使得更多淡水透過蒸發流失，而不是透過河流和雨水補充。我們可以測試這些條件是否到位，並表明這些是鹽水巨星形成的條件。例如，地中海在今天幾乎與海洋隔絕，假設 590 萬年前它更加孤立，這並不費吹灰之力。再舉一個例子，如果今天在墨西哥灣看到蒸發巖形成，那將是奇怪的；但在它們形成時，當時條件恰到好處，當時它幾乎或完全被現在的西非擋住了與海的主體隔絕。再舉一個例子，德克薩斯州和新墨西哥州的卡斯蒂爾地層在形成期間被一個礁石複合體包圍。來自古氣候學的獨立證據也證實，在每種情況下，氣候條件都適合蒸發巖的形成。
因此，儘管在許多情況下，關於我們描述的哪種模型最能解釋特定鹽水巨星的存在存在爭議（這種爭議可能在某些情況下永遠無法完全解決），但這實際上是關於細節的爭論：地質學家對此達成一致，並且可以確認，需要的是一個幾乎或完全與海的主體隔絕的盆地，再加上一個乾旱氣候。
這解釋了為什麼這種沉積物在地質記錄中如此罕見。這組情況沒有特別的理由應該很常見：它們是偶然發生的，而不是任何地質必然性。