编辑推荐：
为探究古代火星大气与地壳岩石的相互作用及碳循环情况，研究人员利用好奇号（Curiosity rover）在火星盖尔陨石坑（Gale crater）开展研究。他们分析了 89 米地层剖面，发现富含铁碳酸盐（菱铁矿，siderite），表明古代火星存在部分封闭的碳循环，对研究火星气候演变意义重大。
火星，这颗神秘的红色星球，一直是科学界探索的焦点。长久以来，科学家们推测古代火星曾拥有大量液态水和浓厚的二氧化碳（
CO2）大气层。因为火星的地貌特征显示其表面曾有水流过的痕迹，而气候模型也表明，只有大气中含有足够的
CO2，才能使火星表面温度升高，维持液态水的稳定存在。然而，目前火星大气中
CO2含量极低，仅约 6 毫巴（mbar），与过去的推测形成鲜明对比。
为了解开火星大气演变之谜，探寻古代火星的碳循环情况，国外研究人员借助火星科学实验室任务中的好奇号火星车（Curiosity rover），对火星盖尔陨石坑（Gale crater）内的埃俄利斯山（Aeolis Mons，非正式名称为夏普山 Mount Sharp）展开深入研究。此次研究成果发表在《SCIENCE》杂志上，为我们了解火星的过去提供了关键线索。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是利用好奇号携带的化学与矿物学（CheMin）仪器，通过 X 射线衍射技术确定样本的矿物组成；二是借助样本分析（SAM）仪器套件，对样本进行燃烧并分析产生的气体，以此确定样本的化学组成；三是运用化学与相机（ChemCam）仪器，通过激光脉冲远程估算岩石的化学组成。
火星车钻探样本含有菱铁矿
好奇号在探索过程中，抵达了含有硫酸镁的沉积地层。研究人员对该地层的四个岩石样本进行钻探，并利用 CheMin 仪器分析样本。结果发现，塔波卡帕罗（Tapo Caparo）、乌巴哈拉（Ubajara）和红杉（Sequoia）这三个样本中含有结晶菱铁矿（FeCO3），其含量分别为 10.5±0.5、4.8±0.3 和 7.6±0.4 wt%（1σ 不确定性）。同时，样本中还包含玄武岩矿物、硫酸钙、硫酸镁、不同含量的铁羟基氧化物以及一种未识别的 X 射线无定形物质。通过 SAM 仪器的分析，进一步证实了菱铁矿的纯度和伴生矿物学，其结果与 CheMin 数据计算出的化学式相符。
菱铁矿沉积需要流体过饱和
研究发现，菱铁矿的沉积表明火星上碳酸盐的形成和保存存在沉积途径。菱铁矿在理论上被预测为火星早期形成的原生沉积矿物，但此次发现的近乎纯的FeCO3成分与之前在火星样本中发现的富含钙（Ca）和镁（Mg）的碳酸盐不同。通过对样本矿物学和地质背景的分析，研究人员推断菱铁矿形成于与大气不直接接触的地下孔隙空间，其形成溶液需具有一定的碱度，且氧化程度低于现代火星表面和大气。此外，菱铁矿的成分显示其形成溶液中Mn2+、Mg2+含量极低，Fe2+/Ca2+比值较高，这表明菱铁矿和硫酸盐可能由具有不同Fe2+/Ca2+比值的溶液形成，或者在不同时间由演化的溶液形成。
蒸发驱动菱铁矿沉淀
玄武岩的溶解为矿物形成提供了阳离子，大气中的CO2和二氧化硫（SO2）提供了阴离子。然而，要使碳酸盐和硫酸盐矿物成核生长，还需要其他机制使溶液达到足够的过饱和状态。研究人员认为，盖尔陨石坑内水的蒸发是最直接的机制，这与地层从浅湖相到浅地下水位风成沉积的转变相符。利用化学分异概念，研究人员推断在火星水溶液蒸发过程中，菱铁矿是最先沉淀的蒸发矿物之一。化学分异（chemical divides）是指在蒸发过程中，矿物沉淀的顺序与蒸发水的化学性质相关。随着蒸发的进行，会依次形成硫酸钙相和含水硫酸镁矿物。通过 ChemCam 仪器的分析，证实了所分析地层的化学成分均匀，表明沉积碳酸盐和硫酸盐的流体长期存在且影响了夏普山地层的大部分区域。研究人员还推测，菱铁矿沉淀的出现可能标志着硫酸被玄武岩产生的碱度中和，而全球环境条件的变化可能导致了水的可用性降低和硫酸在地球化学反应中作用的减弱。
对全球含硫酸盐地层的影响
通过轨道数据绘制的火星含硫酸盐沉积地层，与夏普山观测到的类似。但在轨道观测中，夏普山含硫酸盐地层并未发现与碳酸盐矿物相关的光谱吸收特征。研究人员认为，可能是由于灰尘覆盖或与其他相（如硫酸镁）混合，导致他们所识别的碳酸盐在轨道调查中不可见。如果其他火星硫酸盐沉积物中碳酸盐含量与盖尔陨石坑测量的相似，那么这些碳酸盐也可能未被轨道探测到。研究人员通过两种情景估算，若夏普山含硫酸盐沉积物的矿物学特征代表全球沉积物，那么全球含硫酸盐地层可能含有大量碳。在第一种情景下，全球含硫酸盐地层可能含有相当于 2.6 - 5.7 mbar 的封存CO2；在第二种情景下，可能含有相当于 16 - 36 mbar 的大气CO2。由于侵蚀作用，这些计算值可能被低估。
成岩作用使碳返回大气
菱铁矿形成后，会因环境参数的变化分解为铁羟基氧化物并释放CO2。在研究的样本中，不同样本中铁矿物的差异表明了沉积后菱铁矿破坏程度的不同，记录了古代火星的碳循环。卡奈马（Canaima）样本中未检测到菱铁矿，但含有大量铁羟基氧化物；塔波卡帕罗样本中含有大量菱铁矿，未检测到铁羟基氧化物；乌巴哈拉和红杉样本中菱铁矿含量较少，但含有大量铁羟基氧化物。这表明成岩作用导致了菱铁矿的部分破坏和铁羟基氧化物的形成，从而使CO2从含硫酸镁地层中释放出来。在火星其他地方含硫酸盐地层中也发现了与铁羟基氧化物相关的物质，研究人员推测这些铁羟基氧化物可能由菱铁矿形成，这表明菱铁矿的分解在多个地点发生，释放的CO2进入大气，形成了火星的碳循环。不过，沉积后菱铁矿的破坏并不完全，更多的碳被封存而不是释放，这表明古代火星的碳循环是不平衡的，与地球长期保持平衡的碳循环形成对比。
综上所述，此次研究通过对火星盖尔陨石坑地层的分析，发现了菱铁矿的存在，揭示了古代火星存在部分封闭的碳循环。这一发现对于理解火星的气候演变、大气演化以及火星过去是否具备支持生命存在的条件具有重要意义。同时，研究结果也为未来火星探索和研究提供了新的方向和思路，有助于科学家们进一步深入了解这颗神秘星球的过去和现在。
