科研動態(tài)丨空間中心科研人員通過火星第勒納區(qū)域“源到匯”地質(zhì)過程揭示火星早期水活動演化特征

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火星南部的第勒納臺地（Tyrrhena Terra）區(qū)域因其復(fù)雜的地質(zhì)演化歷史和豐富的早期水蝕變記錄，成為研究火星早期水活動和宜居性的理想窗口。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱“空間中心”）研究人員聯(lián)合國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者系統(tǒng)分析了第勒納區(qū)域含水礦物的分布特征，首次揭示了該區(qū)域表面“源到匯”的地質(zhì)過程，發(fā)現(xiàn)火星早期歷史中可能存在多個時期持續(xù)時間較長的水蝕變過程，為理解火星早期水環(huán)境演化提供了重要新證據(jù)。

豐富的含水礦物“寶庫”

火星快車（Mars Express）的OMEGA光譜儀和火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter）的CRISM光譜儀已在第勒納臺地探測到了大量水巖相互作用的產(chǎn)物——含水礦物，發(fā)現(xiàn)其為火星含水礦物種類最為豐富的區(qū)域之一。這些礦物的分布與地表密布的撞擊坑密切相關(guān)，撞擊事件將地下深層的含水礦物挖掘至地表，是含水礦物出露的主要原因。然而，該區(qū)域除了受到撞擊作用的強烈改造外，還保留了豐富的地表水活動痕跡，如沖積扇和峽谷網(wǎng)絡(luò)等水成地貌。這些水活動對含水礦物成因的影響機制此前缺乏系統(tǒng)研究。

系統(tǒng)性分析揭示礦物分布規(guī)律

研究團隊全面分析了第勒納臺地現(xiàn)有的CRISM高光譜數(shù)據(jù)，識別出包括鐵鎂層狀硅酸鹽、綠泥石、鋁層狀硅酸鹽、葡萄石、沸石、水合二氧化硅、碳酸鹽在內(nèi)的252處含水礦物露頭（圖1）。其中244處分布于144個撞擊坑的不同區(qū)域，另有8處位于遠離撞擊坑的位置。

圖1 第勒納臺地的含水礦物識別結(jié)果。

為深入理解含水礦物與撞擊坑的空間關(guān)系，研究團隊按撞擊坑直徑將探測結(jié)果分為四類（<5千米、5–10千米、10–20千米、>20千米），發(fā)現(xiàn)了重要規(guī)律：礦物多樣性隨撞擊坑增大而增加（圖2）。在各類撞擊坑中，以鐵鎂蒙皂石為主的鐵鎂層狀硅酸鹽分布最廣，綠泥石次之。大于20千米的撞擊坑展現(xiàn)出最豐富的含水礦物種類，包括葡萄石、沸石、水合二氧化硅和碳酸鹽等。

圖2 含水礦物類別隨撞擊坑直徑的變化。第一行餅圖包含所有探測結(jié)果，第二行餅圖包含除中央峰區(qū)域以外的檢測結(jié)果，每列餅圖包含所處不同位置的檢測結(jié)果。每個扇面標(biāo)記的數(shù)字表示含水礦物探測結(jié)果的數(shù)量，不同的顏色代表不同的礦物類別。

發(fā)現(xiàn)礦物組合隨時間演化的關(guān)鍵證據(jù)

研究團隊根據(jù)退化程度將大型撞擊坑（>20公里）分為三種類型：

I型撞擊坑：存在水成地貌但缺乏濺射毯，形成于約40-37億年前（諾亞紀）

II型撞擊坑：既有水成地貌又有濺射毯，形成于約37-33億年前（早中西方紀）

III型撞擊坑：有濺射毯但缺乏水成地貌，形成于約33億年后（晚西方紀至亞馬遜紀）

結(jié)果表明，不同年代撞擊坑中的含水礦物類別存在顯著差異（圖3）。古老的I型撞擊坑含水礦物多樣性很低，主要為鐵鎂層狀硅酸鹽和綠泥石；而較年輕的II型和III型撞擊坑含水礦物多樣性明顯增高。

這一現(xiàn)象十分關(guān)鍵，因為它反映了表面風(fēng)化和撞擊后水活動的影響。年輕撞擊坑為晚期地表缺乏風(fēng)化作用提供了證據(jù)，而古老撞擊坑的相對單一礦物組合表明諾亞紀地表風(fēng)化作用更為活躍。換句話說，如果火星表面的水活動一直以來都十分有限，我們應(yīng)該能在不同年齡的撞擊坑中看到相似的含水礦物多樣性。

圖3 含水礦物類別隨>20 km撞擊坑的退化程度的變化。第一行餅圖包含所有探測結(jié)果，第二行餅圖包含除中央峰區(qū)域以外的檢測結(jié)果，每列餅圖包含所處不同位置的檢測結(jié)果。每個扇面標(biāo)記的數(shù)字表示含水礦物探測結(jié)果的數(shù)量，不同的顏色代表不同的礦物類別。

揭示“源到匯”地質(zhì)過程

研究中最重要的發(fā)現(xiàn)之一來自8處遠離撞擊坑的含水礦物露頭，它們?yōu)槔斫庾矒糇饔弥獾牡乇硭顒犹峁┝酥苯幼C據(jù)。在一些遠離撞擊坑的古老沉積物上，鐵鎂蒙皂石是唯一觀測到的含水礦物。這些沉積物位于高地地形下坡，被后期河谷網(wǎng)絡(luò)切割，表明其形成早于河谷網(wǎng)絡(luò)（圖4）。同樣地，在I型撞擊坑的邊緣也只觀測到了鐵鎂蒙皂石。此處的鐵鎂蒙皂石很有可能在形成之后被搬運到了前述的古老沉積物上。

圖4 （a）在遠離撞擊坑的古老沉積物上觀測到的鐵鎂蒙皂石，及其上層的少量混合了鐵鎂蒙皂石的鋁層狀硅酸鹽。（b）三維側(cè)視圖，可以看出亮色調(diào)的古老沉積物所在的區(qū)域地勢較低。（c）圖（a）的特寫。洋紅色代表鐵鎂蒙皂石，青色代表混合了鐵鎂蒙皂石的鋁層狀硅酸鹽。

綜合分析結(jié)果，研究團隊提出了一種火星表面的“源到匯”地質(zhì)過程（圖5）：在一個大型撞擊坑形成時，理論上通過挖掘作用使不同種類的含水礦物出露，同時還可能產(chǎn)生熱液活動并形成蝕變礦物。在諾亞紀時期，這些含水礦物經(jīng)歷了活躍的地表風(fēng)化過程，部分被侵蝕、溶解、重結(jié)晶，部分被改造為種類相對單一的黏土礦物（主要是鐵鎂蒙皂石），因而缺乏最初的礦物多樣性。隨后，這些黏土礦物被河流水活動搬運到地勢較低的位置沉積。對于諾亞紀之后形成的撞擊坑，地表風(fēng)化作用相對有限，使得撞擊坑中較高的礦物多樣性得以保存。

圖5 研究所提出的“源到匯”過程的剖面示意圖。

這一研究成果表明，諾亞紀時期地表水活動較為活躍，而自西方紀開始就逐漸減弱。在火星早期歷史中，可能存在多個時期的水蝕變過程，這些過程早于河谷網(wǎng)絡(luò)形成，且每個時期都持續(xù)了足夠長的時間，使得含水礦物形成或改變。盡管地表的含水礦物出露幾乎都與撞擊作用有關(guān)，其中仍然保存了諾亞紀時期地表水活動引起撞擊后水蝕變的證據(jù)。該發(fā)現(xiàn)為理解火星早期水環(huán)境及其演化歷史提供了新的重要見解，為火星諾亞紀曾經(jīng)有過一個濕潤的地表環(huán)境提供了新證據(jù)，有助于我們更好地認識火星宜居性演化和生命存在的可能性。

該項工作以“Comprehensive Analysis of the Alteration of Tyrrhena Terra: Implications for Source‐to‐Sink Processes on Mars”為題發(fā)表在《JGR-Planets》上（https://doi.org/10.1029/2025JE008951）。論文第一作者為空間中心博士研究生武雨純，通訊作者為劉洋研究員。合作者為法國南特大學(xué)Nicolas Mangold研究員，法國巴黎-薩克雷大學(xué)John Carter教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘路教授，中國地質(zhì)大學(xué)黃倩副教授，及空間中心鄒永廖研究員、吳興副研究員、博士研究生張朝琳、李柯儀等。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、空間中心“攀登計劃”、中國科學(xué)院大學(xué)“博士研究生國際合作培養(yǎng)計劃”等的聯(lián)合資助。

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