火星的岩浆活动与古环境演化

Mars is similar to the Earth, and probably had biotic activity in the past. It is the most extensively explored planet, and will be the next target of Chinese deep space exploration after Chang’e missions. Study of Martian meteorites is another approach to understand this red planet, and it will play a key role to set up the scientific goals of Mars exploration of China. We have discovered kerogen-like organic matter in the recently fallen and fresh Tissint Martian meteorite, which deposited from organic-rich underground water in the subsurface of Mars. By analyzing another Martian meteorite GRV 020090, we have found H isotope evidence for past-existence of hydrothermal activity near the surface of Mars. In order to understand paleoenvironment on Mars, we have obtained much more pieces of the Tissint meteorite, and samples of the unique Martian regolith breccia meteorite NWA 7034 and the oldest Martian meteorite ALH 84001. Using Cameca 1280HR and NanoSIMS 50L SIMS and noble gas mass spectrometers, we plan to investigate various processes recorded in these unique samples, including magmatic fractionation, water-rock reaction and asteroid impacts. We will analyze Martian atmopheric gas capsulated in shock-induced glass in Tissint. Based on the comprehensive analyses, we will try to uncover Martian paleoenvironment and its evolution, determine the water content of Martian mantle reservoir and the H and C isotopic compositions of Martian atmosphere, clarify origins of Martian organic matter, and date asteroid impact events.

火星不仅与地球相似，还可能曾存在生命，既是国际深空探测的热点，也是我国继月球之后的首选探测目标。火星陨石研究是认识火星的另一重要途径，并为我国火星探测科学目标的凝炼提供关键的学科支撑。我们已在最新鲜的Tissint火星陨石中发现了从火星地下水中沉淀出的干酪根型有机碳颗粒，在我国GRV 020090火星陨石中发现了存在地下热液活动的H同位素证据。在此基础上，我们获取了Tissint火星陨石的大量样品，以及唯一一块火星表土角砾岩NWA 7034陨石和最古老的ALH 84001火星陨石。拟以微量元素和同位素的离子探针分析和稀有气体质谱分析为关键技术，剖析这些陨石保存的火星岩浆过程、水-岩相互作用和小行星撞击等信息，测定冲击熔融玻璃捕获的火星大气组成，反演火星古环境及其演化。本项目将厘清火星幔的水含量、火星大气的H和C同位素组成、以及火星有机质的来源和成因，测定小行星撞击事件的同位素年龄。

按照任务书规定的研究目标和内容，以不同类型共13块火星陨石为研究对象，开展了系统的矿物岩石、微量元素等分析，厘清不同火星陨石各自的形成历史，包括岩浆源区的地球化学特征、火星地壳物质的混染、冲击变质特征、以及次生蚀变特征等。在有机质颗粒原位分析的基础上，对新降落的Tissint火星开展了有机物的萃取，并对萃取样品进行液相色谱测定。项目重点对橄榄石和铬铁矿中的熔融包裹体、磷灰石、冲击熔体、以及主要名义无水矿物等进行了水和挥发分含量、H和Cl同位素组成等分析。分析结果证明玄武岩质火星陨石普遍记录了水-岩相互作用，火星陨石H同位素由火星幔源水和表面液态水二端元的扩散混合结果。Cl同位素的分析也进一步证实了这一结论。1.8-6亿年前，火星玄武岩浆的侵入，融化了地下冰川形成地下热液体系，提供了满足生命需求的环境。由于所分析的玄武岩质火星分别来自亏损、富集等不同类型火星地幔，表明火星地下冰川的分布是全球性的，但它们具有相同的氢同位素组成，其D/H比值为地球7倍。因此，火星地表水在30-35亿年前消失时，一部分是转为地下冰川的形式存在，并且其氢同位素基本固定不变。这一新的认识对于整个火星宜居环境的演化具有十分重要的意义。项目还重点研究了降落型火星陨石的次生蚀变作用，包括发现不同Mg, Fe, Ca, Mn组成的碳酸盐、石膏等硫酸盐、粘土矿物、黄铁矿等，不仅证实火星岩石的水蚀变，并且指标其水化学特征具有弱酸、弱碱性的变化。通过对冲击变质作用的研究，在火星陨石中首次发现柯石英高压相，很可能由斯石英退变质形成，指示了特殊的撞击后热历史。对我国南极火星陨石GRV99027的稀有气体同位素分析，测定其宇宙线暴露年龄为5.70.4Ma，以及异常低的气体保持年龄（~54Ma）。基于纳米离子探针平台，研发了超高空间分析的U-Pb定年、H, Cl, S同位素分析、微量元素分析等方法，以及碳酸盐、石膏等标准。