火星杰泽罗陨石坑硫酸盐原位结晶测绘揭示沉积历史与古环境演化

美国NASA毅力号火星车在Jezero陨石坑Shenandoah组发现多期次Ca-硫酸盐矿物充填裂缝。研究团队创新性应用X射线背散射衍射测绘(XBDM)技术，结合断裂几何分析，首次在火星原位揭示两期硫酸盐形成于不同埋深(浅部与>80米)和化学环境，为火星水文历史及地下宜居性评估提供了关键约束。该成果发表于《Science Advances》。

　　

在红色星球的神秘表面，杰泽罗陨石坑一直被视为寻找火星生命痕迹的黄金地带。NASA毅力号火星车自2021年着陆以来，在这片古老湖泊三角洲区域发现了令人着迷的硫酸盐矿物网络。这些晚期的Ca-硫酸盐充填裂缝如同火星地质历史的"时间胶囊"，但科学家们长期面临一个关键难题：这些矿物的沉积环境和形成时间始终成谜。这个问题的答案，将直接关系到我们对火星水文演化史和潜在宜居环境的理解。

为了破解这一科学难题，来自美国加州理工学院等机构的研究团队开发了突破性的原位晶体测绘技术。通过对毅力号在Shenandoah组两个地层相似位置——"野猫山脊"(Wildcat Ridge)和"隐藏港"(Hidden Harbor)采集的数据分析，科学家们首次实现了火星表面硫酸盐矿物的晶体取向测绘。这项开创性研究发表在《Science Advances》上，为解读火星沉积历史提供了全新视角。

研究团队主要运用了三种关键技术：X射线荧光光谱(XRF)用于元素分布测绘；创新的X射线背散射衍射测绘(XBDM)技术实现晶体取向分析；结合断裂网络几何学建模和应力场反演技术。这些方法使得在火星表面未经抛光的岩石上直接进行晶体学研究成为可能。

研究结果揭示了令人惊讶的发现：

【Composition and mineral phases of the veins and vugs】
PIXL元素分析确认浅色脉体主要由CaO和SO₃组成。衍射数据分析显示BH区域(野猫山脊)含37%石膏(CaSO_{4>·2H2>O)和45%硬石膏(CaSO4>)，而UI区域(隐藏港)则以硬石膏为主(66%)，这种差异暗示两处流体具有不同的水活度和温度历史。}

【Outcrop-scale fracture network】
厘米级多边形裂缝网络分析表明，σ_{Hmin>应力方向在隐藏港呈NS向(10°/190°)，在野猫山脊为NE/SW向(45°/225°)。这种垂直张裂缝网络可能形成于沉积物浅埋藏阶段的体积收缩或流体超压作用。}

【UI abrasion patch veins】
隐藏港的"鱼形"孔洞(UI1扫描区)显示块状胶结结构，晶体取向分析未发现明显择优取向，表明其可能形成于开放腔体的快速胶结作用或后期静态重结晶。

【BH abrasion patch vein】
野猫山脊的翼状裂纹呈现典型混合模式破裂特征，晶体学分析显示硬石膏和石膏的[010]面均与主脉壁走向平行。应力场反演表明该裂缝形成于差异应力>4T(T为岩石抗拉强度)的环境，对应埋深超过80米。

【Origin of the fracture network and state of stress】
多边形垂直裂缝网络可能形成于浅埋藏环境，而BH的斜向裂缝则记录了更深部的应力状态。通过岩石力学计算，研究首次量化了火星硫酸盐脉体的形成深度。

在讨论部分，研究团队构建了完整的沉积演化模型：Shenandoah组最初沉积在Séítah和Máaz火成岩组之上；浅部形成垂直张裂缝并被硫酸盐充填；随着80米以上沉积物的加载，发育混合模式剪切裂缝；后期侵蚀作用使不同深度的裂缝系统暴露于地表。值得注意的是，埋深更大的BH裂缝中石膏比例更高，暗示后期流体盐度降低的演化趋势。

这项研究的科学意义深远：首先，创新的XBDM技术开创了行星表面原位晶体学研究的新范式；其次，首次定量约束了火星硫酸盐矿物的形成深度；更重要的是，研究揭示杰泽罗陨石坑保存了不同时期、不同化学环境的地下流体记录——Kukaklek样本记录了浅部高盐环境，而Hazeltop和Bearwallow样本则保留了深部低盐系统的信息。这些发现不仅为火星样本返回(MSR)任务提供了关键科学依据，更为评估火星地下宜居性和寻找潜在生命信号指明了新的研究方向。