火星新发现矿物重塑地质认知
从轨道上探测到的一种异常硫酸盐可能代表一种此前未知的火星矿物。阿兰混沌区。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室亚利桑那大学
一种潜在的新矿物在火星上形成，其条件是铁硫酸盐被加热至100°C以上。来自水手谷区域的数据显示，远古硫酸盐沉积物曾受到地质热作用的改造。
《自然通讯》上发表的一项研究报道了在火星上发现的一种铁硫酸盐，该物质可能代表一种此前未知的矿物。硫元素在火星上储量丰富，常与其他元素结合形成硫酸盐类矿物。
在地球上，大多数硫酸盐矿物在雨水作用下易溶解。而火星表面极为干燥，因此硫酸盐矿物可长期稳定存在数十亿年，从而保存了有关该行星早期环境的重要信息。每种矿物都具有独特的晶体结构和物理性质，常见的例子包括石膏和赤铁矿。
研究人员利用环绕火星运行的航天器所获取的测量数据，探测火星表面的矿物，并重建这些矿物形成的环境。长期以来，科学家一直在尝试解释一类异常的层状铁硫酸盐，它们在轨道遥感数据中呈现出独特的光谱信号。
破解火星铁硫酸盐之谜
由SETI研究所及美国国家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心（位于加州硅谷）高级研究科学家珍妮斯毕晓普博士领导的研究团队，将实验室实验与火星卫星观测相结合，识别并描述了一种罕见的含水羟基硫酸铁相。该研究成果为理解热量、水及化学过程如何塑造火星表面提供了新的认识。
我们研究了靠近巨大水手谷峡谷系统的两处含硫酸盐的地点，这些地点在轨道遥感数据中显示出神秘的光谱吸收特征，并发育有层状硫酸盐矿物，地质特征也十分引人注目。
此次探测聚焦于两个区域：其一是位于水手谷东北方的阿拉姆混沌区，该区域曾有古代水流向地势较低的北部地区；其二是位于朱文塔斯峡谷上方的高原，该峡谷深度约5千米，地处水手谷正北方。
图1。火星轨道激光高度计（MOLA）绘制的水手谷区域地形图，其中较高海拔区域以红色表示，较低海拔区域依次以黄色、绿色和蓝色表示。资料来源：火星轨道激光高度计（MOLA）
这一靠近水手谷悬崖的区域保留了过去更为湿润环境的迹象。古老的水流通道在地表清晰可见。然而，硫酸盐矿物却集中在一处面积较小、地势较低的区域。科学家认为，这些沉积物是在富含硫酸盐的水体缓慢蒸发后形成的，残留下来的是含水的亚铁硫酸盐。其中包括羟基硫酸铁等矿物，它们以厚度约一米的薄层形式，分别出现在玄武岩层之上和之下。这种层状结构表明，沉积物在形成之后曾受到熔岩或火山灰带来的热作用影响。
古代水体存在的证据及层状硫酸盐沉积
对这四个成分单元的形态和地层特征开展研究，使我们得以确定各单元的形成年代及其相互间的形成关系。
图2：朱文塔埃峡谷上方高原的视图，其中显示了紧凑型火星勘测成像光谱仪（CRISM）识别出的不同成分单元：下部玄武岩单元呈青色（玄武岩1），多水硫酸盐呈蓝色，三价铁羟基硫酸盐相呈红色，上部另一玄武岩单元呈中绿色（玄武岩2），叠加于高分辨率成像科学实验（HiRISE）数字地形模型（垂直方向放大5倍）之上。资料来源：紧凑型火星勘测成像光谱仪（CRISM）与高分辨率成像科学实验（HiRISE）
硫酸盐矿物广泛分布于水手谷地区，包括被称为混沌地形的崎岖区域。科学家认为，这类地貌是在远古时期由大规模洪水重塑地表所形成。随着水流消退，留下了富含铁和镁的硫酸盐层状沉积物，这些沉积物是火星曾经存在更湿润环境的重要证据。在一处位于古老撞击坑内部发育而成的混沌地形中，表层沉积物含有含多个结晶水分子的硫酸盐，而深层沉积物则含有仅含一个结晶水分子的硫酸盐以及含铁羟基硫酸盐。
图3。阿拉姆混沌区影像。a）火星快车号探测器高分辨率立体相机（HRSC）影像，叠加了CRISM光谱数据所识别的矿物成分单元：多水硫酸盐（PHS）以蓝色表示，单水硫酸盐（MHS）以绿色表示，铁羟基硫酸盐以红色表示（图中N指向右侧）。b）HiRISE相机拍摄的黄色方框区域影像，该区域内三种硫酸盐类矿物紧密相邻（图中北向朝上）。图片来源：SETI研究所
这些硫酸盐矿物各自产生独特的光谱特征，可被航天器搭载的仪器探测到。研究人员利用CRISM仪器从轨道上识别出它们。各层的沉积顺序起初难以解释。实验室实验表明，将多水硫酸盐加热至约50°C会生成单水硫酸盐，而温度超过100°C则会形成铁羟基硫酸盐。这些结果表明，地质热源很可能驱动了此类矿物转化过程。
硫酸盐分布与地热活动的测绘
多水合硫酸盐和单水合硫酸盐在该区域广泛分布。相比之下，铁羟基硫酸盐仅出现在少数局部区域。现今发现铁羟基硫酸盐的地点，其下方很可能曾存在温度最高的热泉系统。此外，部分铁羟基硫酸盐矿床可能仍被覆盖于单水合硫酸盐层之下。
为更好地理解这些变化，SETI研究所和NASA艾姆斯研究中心的科学家开展了实验室实验，重现了硫酸盐矿物的转化过程。该过程始于含有四个水分子的水合硫酸亚铁（rozenite，化学式为Fe²⁺SO₄4H₂O）。加热后，它转化为含一个水分子的水合硫酸亚铁（szomolnokite，化学式为Fe²⁺SO₄H₂O）。进一步加热则生成羟基硫酸铁，其中OH基团取代了矿物结构中的H₂O。
图4。由CRISM仪器在阿兰混沌地区测得的多水合硫酸盐（蓝色方块）、单水合硫酸盐（绿色圆圈）及三价铁羟基硫酸盐（红色菱形）的光谱，与实验室光谱（深色线条）对比。注意三价铁羟基硫酸盐光谱中位于2。236微米处的尖锐、窄波段。图片来源：SETI研究所
我们的实验表明，这种铁氢氧化硫酸盐只有在含水的亚铁硫酸盐受热并有氧气存在的情况下才会形成。尽管原子结构的变化非常微小，但这一反应显著改变了这些矿物吸收红外光的方式，从而使得通过CRISM仪器在火星上识别出这种新矿物成为可能。
该化学反应需要氧气参与，并生成水（方程式1）。火星当前的大气稀薄，主要成分为二氧化碳，但仍含有一定量的氧气，足以支持该反应发生，以及铁质矿物的氧化。
方程式1：4Fe²⁺SO₄H₂OO₂→4Fe³⁺SO₄OH2H₂O
一种潜在新矿物的实验室证据
实验室实验中形成的这种物质，因其独特的晶体结构和热稳定性，很可能是一种新矿物。毕晓普表示，但科学家还必须在地球上发现该物质，才能正式认定其为一种新矿物。
新近发现的羟基硫酸铁矿物结构与针绿矾（一种一水合亚铁硫酸盐矿物）相似，但其更易由罗森石（一种四水合硫酸盐矿物）转化形成。
将水合硫酸亚铁转化为羟基硫酸铁需要高于100°C的温度，远高于火星表面典型温度。科学家认为，阿兰混沌区和朱文塔埃地区所见的硫酸盐（包括羟基硫酸铁）形成时间晚于其周围地貌，可能形成于较近期的地质时期。
研究表明，朱文塔埃高原的火山活动热源以及阿拉姆混沌地区下方的地热能量，可能将常见的含水硫酸盐转化为铁羟基硫酸盐。这些结果表明，火星部分区域在化学与热力学层面的活跃期可能比以往认知的更为晚近。该发现为理解火星地表的演化过程及其过去支持生命存在的潜在能力提供了新的认识。
火星上羟基硫酸铁的表征及其形成所指示的地球化学环境意义
《火星上羟基硫酸铁的表征及其形成所指示的地球化学环境意义》发表于《自然通讯》。
BY: SETI Institute
FY: AI
翻译：AI
审核：天文志愿文章组-
终审：天文志愿文章组-零度星系
排版：天文志愿文章组-零度星系
美观：天文志愿文章组-