火星陨石Teghaza 001（Teg 001）对火星前诺亚纪地壳及原始地幔源区的岩石学记录（?4.1 Ga）

《SCIENCE》：A Martian meteorite that formed ?4.1 billion years ago samples Mars’ early crust and mantle

　　

火星陨石为行星地质历史提供了记录。然而，大多数陨石在地质时代上较为年轻，无法代表以古老岩石为主的行星表面。研究人员描述了火星陨石Teghaza 001（Teg 001），这是一块缓慢冷却的火成岩，形成于至少4.1 Ga（10⁹年）以前。其成分、矿物学和结构与其他火星陨石显著不同。研究人员确定Teg 001为古老地壳样品，该地壳由具有原始成分（primordial composition）且地球化学性质独特的地幔源区形成。含水蚀变矿物（aqueously altered minerals）的存在，结合全岩及矿物特异性氧同位素（oxygen isotope）测量，表明Teg 001在经受撞击抛射进入太空之前，曾与富集¹⁸O的流体发生反应。

火星不存在全球板块构造（plate tectonics），其表面保存了跨越四十多亿年行星演化的地质记录。撞击坑的大小与密度表明，火星表面大部分形成于?3.0 Ga以前。表面由沉积岩与火成岩的混合物组成。

研究人员通过地球化学分析火星陨石——即由撞击自然转移至地球的行星样品——来推断火星地壳与地幔的组成和演化。然而，大多数火星陨石为火成岩，且远年轻于行星表面主体。三类主要火星陨石，即shergottites, nakhlites, and chassignites（SNC），其形成年龄均≤2.4 Ga。迄今仅确认两颗古老火星陨石：单矿物岩Allan Hills 84001（ALH 84001），于4.1 Ga结晶；以及Northwest Africa 7034（NWA 7034）和与其配对的角砾岩（breccias，由不同矿物与岩石碎块组成），其中部分碎块形成于>4.3 Ga。这两类样品被用于研究火星早期地壳与地幔演化，但它们对古老火星岩浆作用与表面状况的约束并不完整。年龄>3.0 Ga的火成陨石稀缺，反映了对早期火星地壳与地幔成分多样性采样不足，导致对火星早期地质演化的理解存在空白。

研究人员描述了古老的火星陨石Teghaza 001。该陨石于2022年在撒哈拉沙漠的马里被发现，其火星起源已通过氧同位素测量得到验证。Teg 001由8块石头组成，总质量798.5 g，其中最大者442 g。研究人员运用多种技术确定了其结构、矿物学、成分与年龄。

火星因缺乏全球板块构造（plate tectonics），其表面保存了超过四十亿年连续的地质记录，成为研究类地行星早期演化的关键对象。然而，通过陨石样品反演火星历史面临显著局限：现有火星陨石主体为年轻火成岩，以shergottites, nakhlites, and chassignites（SNC）为代表，形成年龄均≤2.4 Ga，远年轻于主导火星表面的古老岩石（?3.0 Ga）。仅有的两颗古老火星陨石——单矿物岩Allan Hills 84001（ALH 84001）于4.1 Ga结晶，以及Northwest Africa 7034（NWA 7034）和与其配对的角砾岩（breccias，由不同矿物与岩石碎块组成，含>4.3 Ga碎块）——虽为约束早期火星壳幔演化提供了重要依据，但它们对前诺亚纪（pre-Noachian）岩浆作用与表面环境的记录并不完整。年龄>3.0 Ga的火成陨石极为稀缺，导致对火星早期地质演化的理解存在重大空白。为系统填补这一空白，研究人员对2022年在马里撒哈拉沙漠新发现的火星陨石Teghaza 001（Teg 001）展开了多学科交叉研究。该陨石由8块样品组成，总质量798.5 g，最大单块达442 g。通过系统的岩相学、矿物学、全岩及原位地球化学分析与高精度同位素定年，研究人员确定Teg 001为一块形成于?4.1 Ga的缓慢冷却leuco-gabbro（斜长石含量高于辉石的侵入岩），代表火星前诺亚纪古老地壳。其不相容微量元素与氧同位素特征指示该岩石源于具有原始成分（primordial composition，未因早期熔体抽取而亏损）且熔融深度≥160 km的地幔源区，表明火星早期岩浆洋分异形成了高度非均一的多个地幔库。该研究成果发表于《SCIENCE》，对深化认识火星早期地壳增生、壳幔物质循环及非均质地幔的形成机制具有重要意义。

研究人员于2022年在撒哈拉沙漠的马里获取了火星陨石Teghaza 001（Teg 001）的8块样品，总质量798.5 g。研究综合运用了岩相学与矿物学分析、全岩及矿物主微量元素地球化学分析、锆石U-Pb与Pb-Pb同位素定年、斜长石原位Rb-Sr等时线定年、全岩及矿物特异性氧同位素分析，以及基于不相容微量元素的平衡熔融计算，并结合轨道遥感数据对比，限定其岩石成因、结晶年龄、蚀变历史、源区性质及可能的源区位置。

岩相学、矿物学和成分：通过岩相学与电子探针分析，研究人员确定Teg 001为中细粒leuco-gabbro，主要矿物为钙长石（plagioclase feldspar）与单斜辉石（clinopyroxene），后者包括低钙的易变辉石（pigeonite）和高钙的augite，并含间白质（mesostasis）、磷酸盐、硅质基质、Fe-Ti氧化物（主要是FeTiO₃）及锆石（zircon）等副矿物。辉石中的叶片结构指示岩石以~0.01°C/年的速率缓慢冷却，具有侵入岩成因。冲击变质作用将部分斜长石转变为非晶质拉长石（maskelynite），并将部分锆石转变为高压同质多象变体赛石英（reidite），表明其经历了10–20 GPa的峰值冲击压力且后续加热未超过1200°C。斜长石富钠边缘、鸽石内部的选择性蚀变以及两种形态锆石中的富钠区（0.3–2 wt% Na₂O）指示其在火星上经历了热液蚀变。

定年与年龄解释：通过锆石U-Pb（²⁰⁷Pb/²³⁵U与²⁰⁶Pb/²³⁸U）与Pb-Pb（²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb）定年，研究人员获得加权平均年龄约4114±17 Ma和4113±14 Ma。原位Rb-Sr等时线给出4238±208 Ma，初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.70270±0.00059。结合磷酸盐定年结果，所有数据一致支持约4.1 Ga的年龄。由于锆石中Pb扩散缓慢且冲击热不足以导致完全Pb丢失，该年龄被解释为发生在主结晶之后不久的火星热液蚀变时间，表明Teg 001于前诺亚纪（pre-Noachian）形成，年龄不晚于约4.1 Ga。

形成与演化：研究人员认为Teg 001由火星地幔派生母岩浆结晶形成，并经历长期冷却；针状锆石可能在此阶段通过钛铁矿中析出的Zr与残余熔体反应形成。普遍存在的富Na锆石及含Na reidite表明岩石在火星上经历了至少一次富Na蚀变，且早于冲击转变。全岩δ¹⁸O值为6.35±0.15‰，显著高于SNC陨石和ALH 84001；非晶质硅、富钾玻璃及锆石的δ¹⁸O值介于7±0.7‰至16.3±2.8‰之间。研究人员指出，单纯的岩浆结晶或脱气无法解释该差异，而更可能源于与富集¹⁸O的地表流体反应或混染了富δ¹⁸O的地壳物质。此后，岩石遭受20 GPa冲击并加热至<1200°C，形成reidite和maskelynite，最终被抛射进入太空。

古老地壳样品：Teg 001的K/Th比为4960±329，接近火星地壳平均值。与轨道遥感数据对比表明，其最可能源区为诺亚纪（Noachian）南半球高地，特别是Hellas撞击盆地西北部。据此，研究人员认为Teg 001代表了火星前诺亚纪的古老地壳。

地幔源区约束：Teg 001的不相容微量元素比值（如Zr/Ti、Zr/Y、Zr/Hf、Nb/Ta、Ce/Pb和U/Pb）高于其他火星陨石，指示其源于不同的地幔源区。基于微量元素的5%平衡熔融计算显示，含石榴子石（garnet）的源区最能匹配其全岩微量元素模式，暗示源区具有原始成分，未经历显著熔体抽取。石榴子石在2–9 GPa压力下的稳定性指示熔融深度≥160 km。这意味着在>4.1 Ga时，火星地幔已存在与先前识别的亏损地幔库截然不同的原始源区，表明早期分异过程产生了高度非均一的多个地幔库。

时间火成演化的意义：轨道观测表明，<3.7 Ga的火成岩随年代变新呈现SiO₂减少和Th增加的趋势，通常解释为随年代加深熔融。然而，Teg 001的地球化学特征并不支持>3.7 Ga岩石应具有更高SiO₂和更少Th的推论。与其他较年轻SNC陨石相比，Teg 001的低钙辉石/总辉石比（约0.8）和K含量（0.4 wt%）符合随时间递减的趋势，但>4.1 Ga不同地幔库的形成与简单地幔随时间演化的模式不一致。

综合上述结果，研究人员认为Teg 001作为一块约4.1 Ga的leuco-gabbro，为火星前诺亚纪地壳与地幔提供了罕见的岩石记录。其高δ¹⁸O特征与富Na蚀变矿物揭示了火星早期存在活跃的地表-岩浆相互作用及热液活动。地幔源区特征表明，在岩浆洋结晶后不久，火星地幔已因早期分异而呈现显著的非均质性，存在保留原始成分的深部源区。这一发现不仅拓展了火星火成陨石的年龄与成分多样性，也挑战了简单地幔随时间单调演化的观点，为重建火星早期行星分异、壳幔相互作用及撞击抛射历史提供了新的关键约束。