申建勛等-STOTEN：火星早期水環境演化：來自柴達木盆地的啟示

液態水是支持地球生命活動的重要環境因素，也是天體宜居性的重要指標。早期火星表面曾有大量液態水，但隨著大氣逃逸與干旱化過程的加劇，其表面逐漸受到強烈蒸發作用的影響，因此早期火星水化學的演變過程及是否可能保存生命活動痕跡一直是天體生物學研究的重要科學問題。我國西北部的柴達木盆地是世界上面積最大、海拔最高的荒漠之一，發育了眾多類火星地貌，具有劇烈溫度變化、低氣壓、高輻射、強蒸發、高鹽度、多鹽湖等特征，可以類比早期火星環境。柴達木盆地多種類型的水環境為認識火星早期水環境演變提供了一個天然類似體。

中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星磁場及宜居性學科組的申建勛博士后與合作導師林巍研究員，聯合中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室的黃天明研究員等，在柴達木盆地緯向中軸線的典型類火星環境中，沿干旱梯度分別采集了大氣降水、雨/雪后積水、濕地、鹽湖、鹵水等不同類型共計26個水樣（圖1），對這些樣品開展了系統的水化學和同位素研究。

圖1 柴達木盆地水樣采集的地理位置

研究發現隨著蒸發程度的加劇，樣品中的陰離子從碳酸(氫)根離子型逐漸演變為硫酸根離子/氯離子混合型甚至氯離子型，陽離子則從以鈣/鈉離子混合型為主逐漸變為以鎂離子或鈉離子為主（圖2），這與火星上的鹽分特征相似，暗示了火星上可能曾經歷過類似的蒸發過程。其中在結晶度最高的水樣中碳酸(氫)根離子低于飽和值，表明存在碳酸(氫)根離子流失的途徑，例如在酸性環境中形成氣態二氧化碳等過程。這些水化學演化特征可能有助于解釋火星表面碳酸鹽礦物難探測的現象。無機碳與有機碳同位素的分析結果表明，柴達木水環境中可能存在微生物固碳作用、生物源貧13C碳酸鹽流失、河流或大氣富13C碳酸鹽累積等生命和非生命過程（圖2）。硝酸根離子中的氮氧同位素與水分子氧同位素和大氣氮同位素的比較研究，指示了在蒸發程度較低的區域中存在依賴生命活動參與的硝酸鹽-水氧同位素交換以及硝酸鹽還原作用（圖2）。進一步結合鹵氧化物和溶解磷含量檢測，發現在蒸發作用較強的水環境中已經存在鹵氧化物保存和形成的條件，低于檢出下限的磷可能是水生微生物的限制性營養元素。該研究揭示了柴達木盆地的水化學和同位素信號的變化及其生命信號的保存特征，為認識早期火星潛在生境中的水化學、氧化脅迫、營養元素、同位素信號等天體生物學相關研究問題提供了啟示。

圖2 柴達木盆地類早期火星水環境演化及潛在生命信號的概念圖

成果發表于國際學術期刊STOTEN（申建勛，黃天明，張慧卿，林巍*. Hydrochemical and isotopic characteristics of water sources for biological activity across a massive evaporite basin on the Tibetan Plateau: Implications for aquatic environments on early Mars [J]. Science of The Total Environment, 2024, 935: 173442. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.173442.)。研究受國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中國科學院地質與地球物理研究所等聯合資助。

編輯：萬鵬