地化所在火星古水環境存在時限方面取得新認識
黃鉀鐵礬類礦物（jarosite；(K, Na, H3O)Fe3(SO4)2(OH)6）是一類含水的鐵硫酸鹽，在地球上主要產出于酸性氧化的水體環境中（例如酸性礦山水環境）（圖1）。若長期與水共存，黃鉀鐵礬會分解形成更穩定的礦物相，例如赤鐵礦。因此在地球上，新生代之前（約4千萬年）的沉積巖中鮮少出現黃鉀鐵礬；黃鉀鐵礬在歷經埋藏挖掘等成巖過程中難以被保存下來。
圖1 地球自然產出的黃鉀鐵礬（左：黃鉀鐵礬手標本；右：Jaroso水熱環境中形成的黃鉀鐵礬，混雜了其他硫酸鹽）（圖源自網絡）
然而，在火星表面，就位探測和遙感探測均在古老的沉積巖體中（約35億年左右）發現了黃鉀鐵礬。美國機遇號火星車在火星子午線高原（Meridiani Planum）的伯恩斯組（Burns Formation）沉積巖露頭中首次發現了黃鉀鐵礬（約10 wt%）（圖2A）。在蓋爾撞擊坑，美國好奇號火星車在湖相沉積巖穆瑞組的多個鉆取巖樣中，發現少量的黃鉀鐵礬（大多為 1~3 wt%，僅有一個高達 8 wt%）（圖2C）。在繼續攀爬夏普山（Mount Sharp）的旅途中，好奇號火星車又在一個稱為“赤鐵礦山脊”（Vera Rubin Ridge）的幾個樣品中發現了黃鉀鐵礬，與赤鐵礦和四方纖鐵礦共存（圖2D）。此外，軌道探測器通過紅外光譜探測，在火星多個區域發現黃鉀鐵礬，例如水手大峽谷、馬沃斯峽谷等等（圖2B）。這些沉積記錄中保存的黃鉀鐵礬被認為指示著火星早期短暫的流水活動；倘若水環境長期存在，將會使黃鉀鐵礬消失殆盡。
圖2 火星就位和遙感探測中發現出露黃鉀鐵礬的古沉積環境（A. 子午線高原伯恩斯組沉積巖；B. 水手大峽谷Ius Chasma；C. 蓋爾撞擊坑穆瑞組Pahrump Hills段沉積巖；D. 蓋爾撞擊坑赤鐵礦山脊（屬于穆瑞組））
黃鉀鐵礬的溶解速率可以作為制約火星水體持續時長及其物理化學性質的指標。自2004年開始，學者們圍繞環境溶液條件對黃鉀鐵礬溶解速率的影響開展了諸多工作，例如溶液溫度、酸堿度、水活度、不同組分、水動力條件等等。這些研究幾乎無一例外的采用了水熱條件下FeIII水解合成的黃鉀鐵礬作為初始物質。然而在火星表面探測到的黃鉀鐵礬可能更多源于低溫下FeII氧化（例如黃鐵礦水巖反應或含FeII離子硫酸鹽溶液氧化等）。此外，黃鉀鐵礬因其自身獨特的結構特點，使得其結構中的硫酸根位置容易被其他含氧酸根替代，還可能大量納入溴離子。但鮮有研究考慮形成路徑和陰離子替代對黃鉀鐵礬的溶解速率的影響。
中科院比較行星學卓越創新中心、中科院地球化學研究所月球與行星科學研究中心趙宇鴳研究團隊，考察對比了黃鉀鐵礬形成路徑（低溫FeII氧化和水熱FeIII水解）和陰離子替代（主要為鹵離子）對其溶解速率的影響。實驗結果表明，環境溶液條件是黃鉀鐵礬溶解速率的主要影響因素，而形成路徑和陰離子替代是次要影響因素。兩類因素共同影響著黃鉀鐵礬在水體中的溶解。與前人的研究對比，若考慮黃鉀鐵礬的形成路徑和鹵素替代，在相同的溶液環境中，黃鉀鐵礬的壽命可提高約一個數量級。
本研究表明，若不考慮黃鉀鐵礬自身特點對溶解速率的影響，會低估其礦物顆粒壽命，進而低估火星表面水體可以穩定存在的年限。在子午線高原和蓋爾撞擊坑等沉積巖中，1毫米直徑的黃鉀鐵礬在持續水環境中可保存約數萬年至數百萬年。 這一認識也與地球侏羅紀砂巖中（1.7億年）發現的古老黃鉀鐵礬一致。在地球表面持續雨水淋濾下，該砂巖中的黃鉀鐵礬作為膠結物保存了上千萬年。而該黃鉀鐵礬中含有高達2000 ppm的砷，被認為是穩定黃鉀鐵礬的主要因素。整體而言，火星古老沉積巖中留存的黃鉀鐵礬可能指示著火星早期更長時間的穩定水環境。更進一步的制約將有待于火星樣品返回和樣品分析。
本研究發表于Journal of Geophysical Research: Planets。論文第一作者為博士研究生周迪圣，通訊作者為趙宇鴳副研究員。該成果得到了中科院行星科學先導B項目(XDB 41000000)，國家自然科學基金面上項目（No. 41673072），民用航空航天技術預研項目(No. D020102)，中國科學院西部之光項目，中科院地質與地球物理研究所重點部署項目（No. IGGCAS-201905），國家自然科學基金面上項目（No. 41931077），民用航空航天技術預研項目(No. D020201)，中科院青年創新促進會（Y201867），中科院前沿科學重點研究項目（No. QYZDY-SSW-DQC028)的資助。
論文信息： Zhou, D.-S., Yu, X.-W., Chang, R., Zhao, Y.-Y. S., Li, X., Liu, J., et al.(2022). Effects of formation pathways and bromide incorporation on jarosite dissolution rates: Implications for Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 127, e2022JE007202. http://doi.org/10.1029/2022JE007202
（月球中心 周迪圣 趙宇鴳 /供稿）