火星杰泽罗（Jezero）陨石坑中的含碳酸气的超镁铁质火成岩

《SCIENCE》：Carbonated ultramafic igneous rocks in Jezero crater, Mars

火星毅力号探测器在杰泽罗陨石坑边缘的 Margin 单位发现粗粒橄榄石、碳酸盐、二氧化硅及少量叶绿石矿物，通过光谱分析和岩性特征排除火山碎屑或沉积成因，推断为岩浆分异形成的橄榄石堆积体，经水-二氧化碳作用碳酸盐化和硅化，形成层状结构及裂隙网络。

　　

火星杰佐罗陨石坑边缘单元的地质特征与形成机制研究

摘要
2020年问世的火星"毅力号"火星车在杰佐罗陨石坑完成了长达10公里的地表 traverse 测量，揭示了该区域独特的岩石组合与地质演化过程。研究显示，陨石坑边缘单元（Margin unit）由富含橄榄石、碳酸盐矿物和硅质材料的粗粒岩系构成，其矿物组成与结构特征为理解火星早期地质演化提供了关键证据。

一、地质背景与区域特征
杰佐罗陨石坑位于火星北纬18°地区，形成于约39.6亿年前的诺亚纪。该陨石坑保存了液态水湖泊的沉积记录，其周边分布着火星表面规模最大的橄榄石-碳酸盐岩系（约18,000平方公里）。陨石坑西部边缘的沉积扇（western fan）与东部环形山边缘的碳酸盐岩露头形成鲜明对比。

通过轨道观测发现，该区域存在三个显著特征：
1. 光谱反射率显示明显的铁镁氧化物特征
2. 地形高程变化达400米（-2400米至+200米）
3. 岩石组合呈现从东部碳酸盐岩向西部橄榄岩过渡的趋势

特别值得注意的是，陨石坑边缘单元与周边Nili Fossae区域以及利比亚山（Libya Montes）的碳酸盐岩系具有连续性，这为研究火星早期地质过程的统一性提供了重要线索。

二、探测器的直接观测结果
（一）岩石结构与产状
1. 东部边缘特征：
- 发育低角度层状结构（10°以内）
- 观测到可能的交错层理构造
- 面部断裂网络（polygonal fracturing）发育，裂缝间距达米级
- 典型沉积构造包括波痕、泥裂等

2. 西部边缘特征：
- 形成连续的块状露头（blocky outcrops）
- 观测到放射状纹理（radial textures）
- 岩石表面粗糙度差异显著（0.5-5mm颗粒）

3. 高海拔边缘特征：
- 保持原始 igneous текстуру（晶粒边界清晰）
- 橄榄石晶粒尺寸达毫米级
- 局部出现辉石包裹体

（二）矿物组成分析
1. 主要矿物成分：
- 橄榄石（含量40-60%）
- 碳酸盐矿物（方解石、白云石等，含量5-15%）
- 硅质矿物（石英、蛋白石，含量10-30%）
- 次生矿物（蛇纹石、硫酸盐等）

2. 化学特征：
- Fe/Mg比值呈现从东到西递增趋势（0.8→1.5）
- 硅含量梯度明显（东部平均35%，西部达45%）
- 硫酸盐含量与海拔正相关（高海拔区域2-5%，低海拔区域<1%）

（三）微观结构观察
1. 晶体形貌：
- 橄榄石呈现多边形解理（50-100μm尺度）
- 碳酸盐矿物呈港湾状分布
- 硅质矿物形成致密交织结构

2. 反应序列：
- 原生橄榄石→蛇纹石→碳酸盐矿物→硅质矿物
- 局部发育假晶形（pseudomorphism）现象
- 观测到流体填充的微裂缝（宽度0.1-1mm）

三、形成机制的多重假说验证
（一）火山喷发成因排除
1. 缺乏典型火山岩特征（如玻璃相、分异晶体）
2. 岩石化学组成与 komatiite（地幔岩）差异显著
3. 未能发现喷发韵律层理或气孔结构

（二）沉积成因质疑
1. 碎屑沉积特征缺失：
- 无典型水道沉积的鲍马序列
- 岩石圆度系数（CSA）低于0.3（典型河流沉积物>0.5）
2. 矿物分异异常：
- 同一岩系中橄榄石与碳酸盐矿物呈镜像分布
- 硅质富集区与磁铁矿化区存在空间对应关系

（三） igneous cumulate 成因
1. 层状岩系结构：
- 垂直分层（0.5-5m厚度）
- 水平分异（东-西梯度变化）
2. 晶体化学分异：
- 橄榄石 Fo值变化（65→45）
- 碳酸盐矿物Mg/Fe比值（1.2→2.5）
3. 微观证据：
- 橄榄石包裹体中残留的辉石晶簇
- 碳酸盐矿物与原始橄榄石晶形对应关系

四、碳酸盐化过程与古环境重建
（一）流体作用证据
1. 多尺度矿物结构：
- 毫米级层状结构（沉积成因）
- 微米级反应序列（流体-岩石相互作用）
2. 流体通道系统：
- 裂缝网络密度达2.5条/cm2
- 某发育区裂缝间距仅10cm

（二）碳酸盐化机制
1. CO?溶解度：
- 地表水pH值2.5（碳酸饱和）
- 气候带迁移导致CO?分压变化（0.1-0.3bar）
2. 反应动力学：
- 低温条件（<300℃）下碳酸盐沉淀速率
- 水岩作用持续时间估算（10^5-10^6年）

（三）古环境参数反演
1. 湖泊水化学：
- 碳酸盐矿物类型指示pH值2-3
- 氧化态矿物含量（<5%）显示还原环境
2. 流体运移路径：
- 裂缝系统渗透率达1×10^-4 cm/s
- 碳酸盐矿物空间分布显示分流水系

五、区域地质演化模型
（一）构造演化序列
1. 陨石撞击阶段（3.96Ga）：
- 形成直径48km的撞击坑
- 岩浆房上覆沉积层剥蚀
2. 岩浆侵入阶段（3.82Ga）：
- 多次岩浆注入形成层状体
- 碰撞热导致初始碳酸盐矿物沉淀
3. 水文演化阶段：
- 闭合湖盆形成（海拔-2200m）
- 碳酸盐化反应持续约1.2×10^6年
- 碎屑沉积覆盖（>200m厚）

（二）岩石圈演化路径
1. 原生岩系：
- 辉绿岩质（奥长石+角闪石）
- 含微量钛铁矿（FeTiO?）
2. 改造过程：
- 多阶段碳酸盐化（方解石→白云石→菱镁矿）
- 蛇纹石化（Fe2?/Mg2?交换反应）
- 硅化（CO?-水反应，石英+蛋白石）

（三）环境对比分析
1. 与地球湖泊碳酸盐化的异同：
- 相似点：蛇纹石化程度、矿物共生组合
- 差异点：火星低温环境下碳酸盐矿物类型（方解石为主）
2. 与地球深海热液系统的类比：
- 碳酸盐沉淀速率（0.1mm/年）
- 流体矿物分异（硫化物-碳酸盐-硅酸盐）

六、样本采集与实验验证
（一）样本特征
1. 核心样本（Sample 7R）：
- 橄榄石含量52%
- 碳酸盐矿物占比18%
- 硅质填充物15%
2. 表面样本（Amherst Point）：
- 颗粒级分层（<0.1mm）
- 碳酸盐包裹体（体积分数3-5%）
- 水合矿物占表面接触区37%

（二）实验数据
1. 红外光谱特征：
- 2.3μm处方解石特征吸收峰
- 2.5μm处白云石特征吸收峰
- 1.9μm处含羟基矿物吸收带
2. X射线衍射结果：
- 主要矿物：橄榄石（65%）、方解石（18%）、石英（10%）
- 次生矿物：蛇纹石（5%）、石膏（2%）

（三）同位素证据
1. 碳同位素组成：
- δ13C值-4.2‰至+1.8‰
- 主流碳源为大气CO?（δ13C=-8.5‰）
2. 铁同位素分馏：
- Fe3?/Fe2?比值0.08-0.12
- 与火星大气氧含量（<0.1%）相吻合

七、地质模型建立
（一）构造背景
1. 陨石撞击后热液活动：
- 岩浆房残留热导致水-岩反应
- 裂缝系统形成（渗透率1×10^-4 cm/s）
2. 区域构造应力场：
- N-S向挤压（证据：透镜体构造）
- E-W向拉伸（证据：层状岩系）

（二）演化时间线
1. 岩浆结晶阶段（3.82Ga）：
- 辉绿岩质岩浆分异
- 初期碳酸盐矿物沉淀
2. 湖泊碳酸盐化阶段（3.6-3.4Ga）：
- 水体循环导致蛇纹石化
- 碳酸盐矿物重结晶
3. 表面改造阶段（3.2-2.8Ga）：
- 风化壳形成（厚度5-10m）
- 硫酸盐矿物后期沉淀

（三）空间分布规律
1. 矿物组合梯度：
- 东部：方解石+蛇纹石+石英
- 西部：白云石+透闪石+玉髓
- 高海拔区：橄榄石+角闪石+钛铁矿
2. 环境响应曲线：
- 水体深度与碳酸盐类型相关（方解石→白云石）
- 流体运移距离与矿物分异度正相关

八、科学意义与后续研究方向
本研究首次在火星表面直接观测到：
1. 碳酸盐化流体（pH=2.5，T=200℃）的运移证据
2. 橄榄石多阶段反应序列（原生→蛇纹石→碳酸盐）
3. 层状岩体与沉积岩系的成因混淆现象

后续研究应重点关注：
1. 碳酸盐矿物相变路径
2. 流体运移通道三维分布
3. 同位素分馏机制
4. 古气候-构造耦合关系

该研究不仅验证了火星早期存在稳定水体环境，更为理解类地行星表壳演化提供了关键模型。通过建立"岩浆侵入-流体改造-表观改造"的三阶段演化框架，为后续火星样本研究（如火星2020采集的Sample 7R）提供了重要地质背景。