44.5亿年前的火星晶体揭示了红色星球的水之起源

研究人员在研究一块火星陨石时，发现了已知火星上最古老的水存在的证据，这可以追溯到44.5亿年前。这一发现表明，火星的地质历史中包含了大量的热液活动，这些活动可能在火星历史的早期支持了火星的可居住性。 这些古老的锆石经过痕量元素分析，暗示了可能形成与地球上类似矿床的条件，为火星的过去提出了引人入胜的可能性。

对火星陨石的研究揭示了火星上水的最古老证据，这些证据存在于44.5亿年前的锆石矿物中。 这表明火星早期的条件可以支持生命和潜在的矿石形成热液系统。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

水在地球上无处不在--覆盖了地球表面的 70%，弥漫在空气中，甚至被锁在岩石里。 地质证据显示，水在地球上已经稳定存在了约 43 亿年。

然而，火星上的情况却有所不同。 红色星球上水的时间线仍然不确定。 科学家们正在努力确定水何时首次出现在火星上，集中在哪里，以及持续了多长时间。 如果火星曾经适宜居住，那么它至少需要一些水。

在一项突破性研究中，我们分析了火星陨石中的矿物锆石，发现了可追溯到44.5亿年前的水的证据。 这些发现最近发表在Science Advances上，可能是迄今为止火星上有水的最古老证据。

长期以来，人们一直认为水在早期火星历史中扮演着重要角色。 为了将我们的研究结果置于更广阔的背景下，让我们首先从火星地质时间尺度的角度来考虑"早期火星"的含义，然后再考虑在火星上寻找水的不同方法。

与地球一样，火星形成于大约 45 亿年前。 火星的历史有四个地质时期。 它们分别是亚马逊期（从今天追溯到 30 亿年前）、赫斯佩尔期（30 亿年前到 37 亿年前）、诺阿奇期（37 亿年前到 41 亿年前）和前诺阿奇期（41 亿年前到大约 45 亿年前）。

20 世纪 70 年代，NASA 的水手 9 号宇宙飞船捕捉到火星表面河谷的图像，首次报告了火星上有水的证据。 后来的轨道飞行任务，包括Mars Global Surveyor和Mars Express，探测到火星表面广泛存在水合粘土矿物，这些矿物需要水的参与才会存在。

火星河谷和粘土矿物主要出现在诺阿奇安地形中，诺阿奇安地形覆盖了火星约45%的面积。 此外，轨道探测器还在黑斯伯阶地形中发现了大型洪水通道--称为流出通道。 这表明火星表面存在短暂的水，可能是地下水释放的结果。

大多数关于火星上有水的报道都是在 30 亿年前的物质或地形中。 比这更近的火星上没有太多证据表明存在稳定的液态水。

那么，前新元古代呢？ 水第一次出现在火星上是什么时候？

卡西谷是火星上最大的流出通道。 图片来源：NASA/JPL/亚利桑那州立大学，R. Luk。

在火星上寻找水有三种方法。 第一种是利用轨道航天器对火星表面的观测。 第二种方法是利用地面观测，例如火星探测器进行的观测。第三种方法是研究降落在地球上的火星陨石，这就是我们所做的。

事实上，我们唯一可以直接研究的前努阿契亚时期的材料就存在于火星的陨石中。 在登陆地球的所有陨石中，有一小部分来自我们的邻近星球。

在这些陨石中，有一个更小的子集，据信是在一次小行星撞击过程中从火星喷射出来的，其中含有前诺亚纪的物质。

这组陨石中的"海报之子"是一块名为 NWA7034 或"黑美人"的非凡岩石。"黑美人"是一块著名的火星陨石，由碎裂的地表物质（或称碎屑）组成。 除了岩石碎片外，它还含有形成于 44.8 亿年前至 44.3 亿年前的锆石。 这些是已知最古老的火星碎片。

在研究其中一块古老锆石中的微量元素时，我们发现了热液过程的证据--这意味着它们在遥远的过去形成时暴露在热水中。

火星陨石 NWA 7034，又称"黑美人"这块火星陨石被命名为西北非洲（NWA）7034，绰号"黑美人"，重约 11 盎司（320 克）。 资料来源：美国国家航空航天局

我们研究的锆石已有44.5亿年的历史。 在它的内部，铁、铝和钠以同心层的丰度模式保存，类似于洋葱。

这种被称为振荡分带的模式表明，这些元素在锆石的火成岩历史中，即在岩浆中发生了掺入。

问题是，铁、铝和钠通常并不存在于结晶火成岩锆石中，那么这些元素是如何出现在火星锆石中的呢？

44.5 亿年前火星锆石中的铁元素分区。 深蓝色区域表示铁丰度最高。 图片来源：Aaron Cavosie & Jack Gillespie

答案就是热液。在地球岩石中，发现具有铁、铝和钠等元素生长分带模式的锆石非常罕见。 在南澳大利亚的奥林匹克水坝是一个巨大的铜、铀和金矿床，是唯一描述过这种现象的地方之一。

奥林匹克水坝等地的金属是由岩浆活动期间穿过岩石的热液系统浓缩而成的。

热液系统形成于火山管道系统加热的热水流经岩石的任何地方。 美国黄石国家公园等地壮观的间歇泉就是热液在地球表面喷发形成的。

热液火星锆石的发现为火星早期矿床的形成提供了引人入胜的可能性。

黄石国家公园老忠实间歇泉喷发。

先前的研究提出了湿润的前新纪元火星。 在一块 44.3 亿年前的火星锆石中，不寻常的氧同位素比率曾被解释为早期水圈的证据。 甚至有人认为，火星可能在44.5亿年前就有了早期的全球海洋。

从我们的研究中可以看出，岩浆热液系统在 44.5 亿年前火星地壳形成的早期非常活跃。

目前还不清楚这是否意味着地表水在此时已经稳定，但我们认为这是可能的。 显而易见的是，火星地壳和地球一样，在形成后不久就有了水--这是适宜人类居住的必要条件。

作者：Aaron J. Cavosie，科廷大学地球与行星科学学院高级讲师。

改编自最初发表于《对话》的一篇文章。

编译自/ScitechDaily