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亚利桑那大学的研究人员探查了火星陨石,以重建火星的混沌历史。他们的发现表明,火星可能没有全球性的岩浆海洋。

在杰西卡·巴恩斯(Jessica Barnes)的手掌中,是一枚硬币大小的古老马赛克,玻璃,矿物质和岩石厚如一束羊毛纤维。它是一片火星陨石的切片,被称为西北非洲7034或黑色之美,是由巨大的撞击将火星地壳的各个部分粘合在一起而形成的。

巴恩斯是亚利桑那大学月球与行星实验室的行星科学助理教授。她和她的小组化学分析了“黑美人”陨石和臭名昭著的艾伦希尔斯84001陨石(在1990年代因据称含有火星微生物而引起争议),以重建火星的水史和行星起源。

他们的分析今天在《自然地球科学》上发表,表明火星很可能在其历史早期至少从两个截然不同的来源获得了水。研究人员发现,这种变异性意味着火星与地球和月球不同,从来没有完全围绕着地球的岩浆海洋。

巴恩斯说:“火星内部的这两种不同的水源可能在告诉我们有关可聚结到内部岩石行星中的各种物体的信息。”

她说,两种含水量截然不同的独特行星前体可能发生碰撞,而且从未完全混合。“这种情况对于理解火星过去的可居住性和天体生物学也很重要。”

读水

“很多人一直在试图弄清火星的水史,”巴恩斯说。“就像,水从哪里来?在火星的地壳(表面)中已经持续了多长时间?火星的内部水从哪里来?水能告诉我们有关火星如何形成和演化的信息吗?”

巴恩斯和她的团队通过寻找两种氢或同位素氢的线索来整理火星的水历史。一种氢同位素在其原子核中包含一个质子。有时称为“轻氢”。另一个同位素称为氘,氘在原子核中包含质子和中子。有时称为“重氢”。这两种氢同位素的比率向行星科学家发出信号,说明发现它们的岩石,矿物和玻璃中水的形成过程和可能的起源。

陨石之谜

大约20年以来,研究人员一直在记录火星陨石的同位素比率,其数据遍布各地。巴恩斯说,似乎没有什么趋势。

锁在地球岩石中的水被称为未分级的,这意味着它与海水的标准参考值相差不大–重氢与轻氢之比为1:6,420。另一方面,火星的大气层非常分散-它主要由氘或重氢组成,这很可能是因为太阳风剥夺了轻氢。火星陨石的测量结果(其中许多是通过撞击事件从火星深处挖出的)在地球和火星大气测量值之间进行了处理。

巴恩斯的研究小组着手研究火星地​​壳的氢同位素组成,方法是研究他们知道的起源于地壳的样品:黑美人和艾伦希尔斯陨石。《黑美人》特别有用,因为它是火星历史上许多不同点的表面材料的混合体。

巴恩斯说:“这使我们对火星的地壳在数十亿年后的样子形成了一个想法。”

陨石样品的同位素比大约在土石值与火星大气之间的中间位置。当将研究人员的发现与以前的研究(包括好奇号火星车的结果)进行比较时,似乎对于40亿年以上的火星历史来说,大多数情况都是如此。

“我们认为,好的,这很有趣,但也很奇怪,”巴恩斯说。“我们如何解释这种二分法,即火星大气被分割,但地壳在地质时期基本上保持不变?”

巴恩斯和她的同事们也竭尽全力试图解释为什么地壳看起来与火星地幔如此不同-火星地幔位于下面的岩石层。

“如果您试图解释火星地壳的同位素比率相当恒定,那么您真的不能利用大气来做到这一点,”巴恩斯说。“但是我们知道地壳是如何形成的。它们是由内部凝固的熔融材料形成的。”

“在我们开始这项工作之前,普遍的假设是火星内部更像地球并且没有碎片,因此火星样品中氢同位素比率的变化是由于它离开火星时的陆地污染或大气注入造成的,”巴恩斯说。

火星内部构成类似于地球的想法来自对火星陨石的一项研究,该陨石被认为起源于地幔-行星核心与地壳之间的内部。

但是,巴恩斯说:“火星陨石基本上遍布整个地方,因此试图弄清楚这些样本实际上是在告诉我们关于火星地幔中的水,这一直是一个挑战。我们的地壳数据差异如此之大,促使我们回顾了科学文献并对数据进行审查。”

研究人员发现,两种地球化学类型不同的火星火山岩-浓密的钙铁矿和贫化的钙铁矿-含有具有不同氢同位素比的水。他们发现,富化的黑云母比贫化的黑云母含有更多的氘。

巴恩斯说:“事实证明,如果将两种类型的钙锰矿中不同比例的氢气混合在一起,则可以获得地壳价值。”

她和她的同事们认为,这些钙铁矿正在记录火星内部两个不同的氢(进而是水)储层的特征。明显的差异向他们暗示,可能有多个来源为火星贡献了水,并且火星没有全球性的岩浆海洋。