重新审视火星陨石中的氧逸度：对火星地幔氧化还原历史的启示

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Revisiting the oxygen fugacity of martian meteorites: implications for the redox history of the mantle of mars

氧 fugacity（fO?）是衡量氧化还原状态的关键参数。本文通过重新计算70余种火星陨石（尤其是谢尔戈蒂陨石）的fO?值，结合矿物结晶顺序和压力影响，揭示了fO?与不相容 trace elements（ITE）富集之间的相关性。研究显示，橄榄石-单斜辉石-尖晶石氧 barometer（Ol-Px-Sp）和Fe-Ti氧化物氧 barometer（Fe-Ti）的fO?值存在显著差异，需通过矿物化学平衡筛选。通过MAGEC模型模拟挥发物（H、C、S）的脱气过程，发现压力降低（ decompression）和冷却（ post-magma ocean crystallization）可导致fO?增加1-4 log units，无需依赖大量auto-oxidation。最终提出火星地幔红ox-ITE趋势：贫瘠源（La/Yb≈0.1，fO?=FMQ-4）、中等源（La/Yb≈0.5，fO?=FMQ-3）和富集源（La/Yb≈1.0，fO?=FMQ-2），与地球地幔氧化还原状态形成对比。

　　火星陨石是研究火星内部化学环境和演化历史的重要材料，这些陨石为科学家提供了关于火星地质过程的宝贵信息。本文对火星陨石中的氧逸度（fO?）进行了系统性的数据整理和分析，特别关注了火星陨石中的一种重要类型——Shergottites（火星玄武岩）。通过使用多种氧逸度估算方法，包括橄榄石-辉石-尖晶石（Ol-Px-Sp）氧逸度计、Fe-Ti氧化物氧逸度计以及Eu/Gd氧逸度计，研究者们能够更全面地理解火星陨石中氧逸度的变化，并进一步探讨其与不相容微量元素（ITE）富集之间的关系。

### 氧逸度的定义与估算方法

氧逸度是衡量一个系统化学势的重要参数，反映了该系统氧化（红ox）状态。通常以对数单位表示，比如10?11.? bar的O?相当于log fO? = -11.5。在地质学中，氧逸度通常以固态氧缓冲液（如Fayalite-Magnetite-Quartz，简称FMQ）作为参考，这种缓冲液定义了氧逸度在温度-氧逸度空间中的标准。通过氧逸度计，研究者可以估算矿物或矿物组合的氧逸度，从而推断岩浆的氧化状态。例如，Fe-Ti氧化物氧逸度计基于铁和钛氧化物之间的化学平衡，而Eu/Gd氧逸度计则利用铕和钆的分配系数差异来估算氧逸度。这些方法的使用使得科学家能够从不同类型的矿物组合中提取氧逸度信息，从而对火星陨石的氧化状态进行综合分析。

### 火星陨石中的氧逸度变化与不相容微量元素富集

研究发现，火星陨石中氧逸度与不相容微量元素（ITE）富集之间存在显著的正相关性。这种相关性在考虑了岩浆形成史、岩石类型以及早期与晚期结晶组合的差异后仍然成立。这一发现表明，火星陨石的氧化状态可能与它们的母岩浆源区的氧化条件有关，而不是单纯由后期过程决定。例如，某些陨石显示出在结晶过程中氧逸度显著增加，这可能是由于岩浆在上升和喷发过程中经历了挥发性物质的脱气作用。

通过对比地球玄武岩的氧逸度数据，可以发现火星陨石与地球玄武岩之间存在根本性的差异。地球玄武岩的氧逸度范围相对狭窄，通常在FMQ ±1 log单位内，而火星陨石的氧逸度范围更广，从FMQ-4到FMQ-2，显示出火星岩浆的氧化状态在喷发过程中发生了显著变化。这种差异可能源于火星地幔对流混合程度的不同，以及挥发性物质在岩浆演化过程中对氧化状态的影响。

### 挥发性物质脱气对氧逸度的影响

为了进一步理解氧逸度的变化机制，研究者使用了MAGEC模型对原始火星岩浆的挥发性物质脱气进行了模拟。该模型可以计算岩浆在不同压力和温度条件下的氧逸度变化，并考虑了H、C和S等挥发性物质的溶解度。模拟结果显示，脱气过程可以显著提高岩浆的氧逸度，而不依赖于大量的自动氧化。这种氧化效应在橄榄石-辉石型Shergottites中尤为明显，其氧逸度从早期结晶阶段到晚期结晶阶段增加了2-3个对数单位。

在火星的岩浆演化过程中，脱气作用可能是一个关键的氧化机制。当岩浆上升和喷发时，H?O、CO?和S等挥发性物质会从岩浆中逸出，从而改变其氧化状态。例如，在压力降低到1 bar的过程中，岩浆的氧逸度增加了约0.6个对数单位，而随着温度的降低，氧逸度进一步增加。这些结果表明，火星陨石的氧化状态主要由喷发过程中的脱气作用决定，而不是由地幔本身的氧化条件所主导。

### 火星地幔的氧化趋势与岩浆演化

研究者提出了一个基于Shergottites的火星地幔氧化-ITE趋势，认为地幔源区的氧化状态可以划分为三种类型：贫化源区（La/Yb ≈ 0.1）对应于FMQ-4 ± 0.7；中间源区（La/Yb ≈ 0.5）对应于FMQ-3 ± 0.75；富集源区（La/Yb ≈ 1）对应于FMQ-2 ± 0.75。这些趋势反映了火星地幔在不同氧化条件下可能存在的不同化学组成，同时也为理解火星的岩浆演化提供了新的视角。

此外，研究还指出，某些火星陨石（如NWA 7635和NWA 8159）显示出独特的氧化趋势，这可能与其形成历史有关。例如，NWA 7635和NWA 8159可能来源于一个共同的母岩浆，并且其中的橄榄石晶体可能是外来晶体（xenocrysts）。这些陨石的氧逸度数据表明，它们的氧化状态可能受到后期脱气作用的影响，而不仅仅是地幔源区的初始氧化条件。

### 火星与地球的对比

火星陨石与地球玄武岩的氧逸度数据对比显示，火星的氧化状态在喷发过程中发生了显著变化，而地球的氧化状态则相对稳定。这种差异可能源于火星地幔对流混合程度较低，导致氧化物质难以重新进入地幔内部。相比之下，地球的地幔经历了更多的物质循环，如俯冲作用，这可能影响了其氧化状态的稳定性。

此外，火星地幔的氧化状态可能受到早期地壳形成和大气脱气的影响。例如，某些研究指出，火星的岩浆可能在早期经历了较大幅度的氧化，这可能是由于挥发性物质的脱气作用。而地球的岩浆则可能在更长的时间尺度上经历了复杂的氧化过程，如地幔柱的影响。

### 未来研究与应用

这些研究结果不仅有助于理解火星的地质演化，还为未来的火星样本返回任务提供了重要参考。例如，Perseverance探测器在火星上采集的样本，其氧逸度和ITE数据可能与本文中所描述的火星陨石趋势一致。通过这些数据，科学家可以更准确地推断火星地幔的氧化状态，并进一步探讨其与地球地幔的异同。

此外，这些研究结果还为火星表面岩石的氧化状态估算提供了依据。例如，一些研究已经利用氧逸度与ITE富集的正相关性来估算火星表面岩石的氧化条件，这为未来的火星探测任务提供了重要的地质背景。

### 研究的意义

通过对火星陨石中氧逸度和不相容微量元素富集的系统分析，本文揭示了火星地幔在氧化条件上的多样性，并提出了一个基于Shergottites的氧化-ITE趋势。这一趋势不仅反映了火星地幔的初始氧化条件，还揭示了脱气作用在岩浆氧化过程中的重要作用。这些发现为理解火星的内部演化过程提供了新的视角，并为未来的火星探测任务提供了重要的科学依据。