火星被認(rèn)為是太陽系內(nèi)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(dòng)力?，F(xiàn)有火星探測(cè)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(jīng)轉(zhuǎn)變成當(dāng)前寒冷和干旱的氣候。水（H2O）是揭示火星環(huán)境演變的關(guān)鍵線索，一直是火星探測(cè)的主旋律，也是火星科學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿(Ehlmann et al., 2011; Jakosky, 2021)。通常認(rèn)為，火星初始的氫同位素組成（δD～0‰）與地球相當(dāng)，這些結(jié)果得到火星隕石實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(dá)約7000‰(Webster et al., 2013)。如此高的δD值指示火星大氣發(fā)生過強(qiáng)烈的水逃逸，進(jìn)而導(dǎo)致火星表面水的氫同位素組成逐漸升高。因此，根據(jù)行星水演化的物理規(guī)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(guān)鍵指標(biāo)(Donahue, 2001)。如果能夠建立火星大氣氫同位素組成隨時(shí)間的演變軌跡，就有望建立火星古環(huán)境的演化格局。
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中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡森研究員及其合作者圍繞火星水演變這一科學(xué)問題，對(duì)一塊13億年前結(jié)晶形成的純橄質(zhì)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(fā)現(xiàn)NWA 2737熔融包裹體具有極高的水含量，可達(dá)2.3wt%，具有明顯的環(huán)帶（圖1），外高內(nèi)低，且貧D（δD<1500‰）；相比，熔體包裹體內(nèi)的角閃石具有較均一的水含量，但極其富D（δD高達(dá)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(fù)相關(guān)，具有兩種分布規(guī)律（圖2）。熔體包裹體、角閃石和磷灰石具有基本相當(dāng)?shù)穆韧凰亟M成。
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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
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圖2 NWA 2737中熔體包裹體、角閃石、磷灰石、熔長(zhǎng)石等的水含量與氫同位素組成及其相關(guān)性
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根據(jù)這些新的研究結(jié)果，他們推測(cè)NWA 2737從形成到降落地球之間經(jīng)歷過至少兩期水巖作用，一期水巖作用發(fā)生在結(jié)晶時(shí)期（～13億年前），NWA 2737母巖漿侵入火星淺表時(shí)，可能導(dǎo)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(chǔ)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(jīng)歷的強(qiáng)烈撞擊事件(Bogard and Garrison, 2008)導(dǎo)致熔體包裹體丟失了結(jié)晶時(shí)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(huán)帶（圖1），這些貧D水可能來自火星巖漿去氣作用（圖3）。
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圖3 NWA 2737純橄質(zhì)火星隕石經(jīng)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(dǎo)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(qiáng)烈的小行星撞擊，導(dǎo)致熔體包裹體玻璃中的水發(fā)生嚴(yán)重丟失；該事件之后，推測(cè)后期巖漿去氣形成的貧D水與NWA 2737發(fā)生了水巖反應(yīng)，形成熔體包裹體的水化環(huán)帶（圖1）
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火星隕石NWA 2737新的研究結(jié)果為揭示火星古環(huán)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(wěn)定（δD～6000‰；圖4），指示火星大氣13億年以來并未發(fā)生明顯逃逸，他們推測(cè)可能跟火星全球性的冰期有關(guān)(Head et al., 2003)。如果該猜想后續(xù)得到廣泛證實(shí)，則需要重新思考火星大氣逃逸導(dǎo)致的氫同位素分餾過程和機(jī)理。他們指出后續(xù)應(yīng)該側(cè)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(gòu)建45億年以來火星表面水的演變格局提供關(guān)鍵證據(jù)和線索。
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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(zhì)火星隕石相當(dāng)，指示火星大氣的氫同位素組成在過去13億年保持穩(wěn)定
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研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0503202）、基金委面上項(xiàng)目（41973062）、國(guó)家留學(xué)基金委（201804910284）、我所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904和202204）等共同資助。