火星大氣13億年以來具有穩定的氫同位素組成 |胡森等-EPSL

火星被認為是太陽系內最有可能孕育過生命的地外行星，是人類不懈地探索火星的最主要的動力。現有火星探測表明，火星早期很可能存在大面積的水體，甚至海洋，為生命演化提供了基本條件。大約30億-35億年前，火星已經轉變成當前寒冷和干旱的氣候。水（H2O）是揭示火星環境演變的關鍵線索，一直是火星探測的主旋律，也是火星科學的研究熱點和前沿(Ehlmann et al., 2011; Jakosky, 2021)。通常認為，火星初始的氫同位素組成（δD～0‰）與地球相當，這些結果得到火星隕石實驗室測試分析的支持(Hallis et al., 2012)。但是，火星大氣與地球相比具有極其富氘的特征，δD可高達約7000‰(Webster et al., 2013)。如此高的δD值指示火星大氣發生過強烈的水逃逸，進而導致火星表面水的氫同位素組成逐漸升高。因此，根據行星水演化的物理規律，火星大氣的氫同位素組成可以直接反映火星表面水的逃逸比例，也就是說火星大氣的D/H比值是火星表面水演變的關鍵指標(Donahue, 2001)。如果能夠建立火星大氣氫同位素組成隨時間的演變軌跡，就有望建立火星古環境的演化格局。

中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室胡森研究員及其合作者圍繞火星水演變這一科學問題，對一塊13億年前結晶形成的純橄質火星隕石NWA 2737中的熔融包裹體、磷灰石、角閃石等開展了水、S和Cl含量，以及H和Cl同位素組成的原位分析。他們發現NWA 2737熔融包裹體具有極高的水含量，可達2.3wt%，具有明顯的環帶（圖1），外高內低，且貧D（δD<1500‰）；相比，熔體包裹體內的角閃石具有較均一的水含量，但極其富D（δD高達6234‰）；粒間磷灰石介于熔體包裹體和角閃石之間（圖2），水含量與氫同位素組成負相關，具有兩種分布規律（圖2）。熔體包裹體、角閃石和磷灰石具有基本相當的氯同位素組成。

圖1 NWA 2737熔體包裹體玻璃的水含量與氫同位素組成剖面，邊部富水貧氘，核部貧水富氘. Ol: 橄欖石，Kaer: 鈦角閃石，Gl：熔體包裹體玻璃，Px，輝石，Tr：隕硫鐵

圖2 NWA 2737中熔體包裹體、角閃石、磷灰石、熔長石等的水含量與氫同位素組成及其相關性

根據這些新的研究結果，他們推測NWA 2737從形成到降落地球之間經歷過至少兩期水巖作用，一期水巖作用發生在結晶時期（～13億年前），NWA 2737母巖漿侵入火星淺表時，可能導致了富氘的地下水或冰和富37Cl的鹽類混入母巖漿，使角閃石、熔體包裹體、磷灰石都記錄非常明顯的火星淺表水儲庫的氫同位素和氯同位素組成（圖3）。NWA 2737在1.6億至1.9億年前經歷的強烈撞擊事件(Bogard and Garrison, 2008)導致熔體包裹體丟失了結晶時的水分；之后，NWA 2737可能受到一期貧D水的水巖作用，形成熔體包裹體玻璃的水化環帶（圖1），這些貧D水可能來自火星巖漿去氣作用（圖3）。

圖3 NWA 2737純橄質火星隕石經歷的多期次水巖作用示意圖。13億年前，NWA 2737母巖漿侵入火星淺表，導致地下水包括鹽類混入母巖漿，使熔體包裹體中的角閃石記錄富D和37Cl的同位素組成。NWA 2737在1.6億年前，遭受了一次強烈的小行星撞擊，導致熔體包裹體玻璃中的水發生嚴重丟失；該事件之后，推測后期巖漿去氣形成的貧D水與NWA 2737發生了水巖反應，形成熔體包裹體的水化環帶（圖1）

火星隕石NWA 2737新的研究結果為揭示火星古環境演變提供了重要啟示：火星大氣13億年以來，其氫同位素非常穩定（δD～6000‰；圖4），指示火星大氣13億年以來并未發生明顯逃逸，他們推測可能跟火星全球性的冰期有關(Head et al., 2003)。如果該猜想后續得到廣泛證實，則需要重新思考火星大氣逃逸導致的氫同位素分餾過程和機理。他們指出后續應該側重從更古老火星樣品中追尋火星大氣的氫同位素信息，為構建45億年以來火星表面水的演變格局提供關鍵證據和線索。

圖4 火星大氣氫同位素13億年以來的演變模式。NWA 2737（13億年）中最高的氫同位素組成與更年輕（<7億年）的輝玻質火星隕石相當，指示火星大氣的氫同位素組成在過去13億年保持穩定

研究成果發表于國際學術期刊EPSL（Hu Sen*, Anand Mahesh, Frachi Ian, Zhao Xuchao, Stephant Alice, Bonifacie Magali, He Huicun, Yang Wei, Hao Jialong, Lin, Yangting. Multiple hydrothermal events at martian surface revealed by H and Cl isotope systematics of melt inclusions and hydrous minerals from chassignite NWA 2737.Earth and Planetary Science Letters, 2024, 648: 119072. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.119072.）。研究受科技部重點研發計劃（2022YFF0503202）、基金委面上項目（41973062）、國家留學基金委（201804910284）、我所重點部署項目（IGGCAS-201904和202204）等共同資助。

編輯：劉強