火星缺失的碳酸鹽之謎

余曉文

火星的大氣以二氧化碳為主。好奇號火星車最新獲得的火星大氣組成，排前三的組分分別是二氧化碳（96%），氬氣（1.93%）和氮氣（1.89%）。在地球上，大氣中的二氧化碳通過不斷與水和巖石反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}保存下來，大氣中的二氧化碳也隨之減少，才形成了我們現(xiàn)在所呼吸的地球大氣。那么，以地球的經(jīng)驗推測，火星大氣以二氧化碳為主，在與火星表明水和巖石的作用下，也應(yīng)該固定了大量碳酸鹽。然而，經(jīng)過幾十年不斷的尋找，從環(huán)繞器、著陸器、火星車和火星隕石中，科學家發(fā)現(xiàn)火星碳酸鹽不是全球性廣泛分布的，而是零星出露在一些局部地區(qū)。那么火星究竟有沒有產(chǎn)生過大面積的碳酸鹽？如果有，現(xiàn)在又去了哪里呢？這些問題對理解火星早期的水環(huán)境和氣候條件非常重要。

碳酸鹽是什么？

要研究火星的碳酸鹽，首先要了解地球上的碳酸鹽。在地球上，碳酸鹽礦物種類多樣，有方解石、文石、菱鎂礦、白云石、菱鐵礦、菱錳礦、菱鋅礦、白鉛礦、碳酸鍶礦和毒重石等等。碳酸鹽成因包括原地化學成因、原地生物成因和水流和波浪搬運成因。碳酸鹽巖和碳酸鹽沉積物從前寒武紀到現(xiàn)代均有產(chǎn)出，分布極廣，約占沉積巖總量的1/5～1/4。地球上最廣為人知且最為典型的碳酸鹽巖建造是喀斯特地貌，在中國廣西、貴州、云南、四川等地有大量發(fā)育。

碳酸鹽巖本身是一種很有價值的礦產(chǎn)。此外，碳酸鹽還參與很多礦床的形成。更重要的是，碳酸鹽巖是重要的儲油巖，全世界50%的石油和天然氣儲存于碳酸鹽巖中?，F(xiàn)代沉積物中的碳酸鹽主要分布在海岸沉積區(qū)、淺水陸棚區(qū)和深水盆地區(qū)。

火星上也有碳酸鹽嗎？

對火星碳酸鹽的研究歷時已久。最早在1996年8月，美國科學家就在火星最古老的隕石ALH84001（41億年）中發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽。其中，最著名的是沿著輝石和斜長石裂縫分布的板片裝塊體；不常見的是連貫的半球形小球和包裹細顆粒輝石的小球。關(guān)于ALH84001中的碳酸鹽起源，有著多種假說，一開始科學界傾向于高溫成因，但之后有科學家用理論和實驗研究表明，18 ℃就可以形成與隕石中非常相似的碳酸鹽，因此高溫假說不成立。但低溫實驗中涉及低溫和水溶液兩個條件，如果低溫假說要成立，就必須解釋火星上水溶液的來源以及導(dǎo)致這些溶液沉積碳酸鹽的原因。另一類火星隕石Nakhlites（約13億年）中也發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽，碳酸鹽以熱液脈紋狀的形式存在。

幾個火星著陸點也發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽的蹤跡。美國鳳凰號著陸器降落在火星北極，在一個叫“邪惡女巫”（Wicked Witch）的表土樣品中發(fā)現(xiàn)了碳酸鈣。美國勇氣號火星車在古塞夫撞擊坑的一塊叫科曼奇（Comanche）的巖石露頭中發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽，碳酸鹽成分占總巖石的26%；碳酸鹽巖的組成與ALH84001中的灰色區(qū)域類似。最新的發(fā)現(xiàn)是好奇號火星車在蓋爾撞擊坑的一個風成沉積物樣本中測量到富含鐵的碳酸鹽，它可能是由富含鐵的橄欖石與CO2大氣和短暫的水的相互作用形成的。

通過遙感光譜探測，2008年在火星表面一個叫尼利·福薩（Nili Forssae）的地區(qū)發(fā)現(xiàn)了區(qū)域性的碳酸鹽單元，厚度約為幾十米。之后，科學家們利用類似的光譜頻段在火星的各個區(qū)域搜索碳酸鹽，并且在撞擊坑、高地和盆地附近發(fā)現(xiàn)富含鐵鎂的碳酸鹽。但是大多數(shù)被觀測到的碳酸鹽，或在撞擊坑內(nèi)或與撞擊坑相關(guān)，因此推測它們可能源于撞擊引起的熱液活動或是較老的蝕變地殼被撞擊坑挖掘而暴露在地表。2020美國毅力號火星車即將著陸的耶澤洛撞擊坑（Jezero Crater）也分布著碳酸鹽，其中的鎂碳酸鹽與盆地充填和河流三角洲沉積有關(guān)。這些碳酸鹽與多種礦物伴生，例如橄欖石和輝石（大都產(chǎn)于堿性的深部地區(qū)）、鐵鎂綠泥石（常由鐵鎂礦物在中低溫熱水條件下變質(zhì)形成）以及蛇紋石（常形成于中低溫熱液交代作用）。雖然利用光譜可以通過遙感探測碳酸鹽，但碳酸鹽含水、顆粒大小的變化等都會干擾探測結(jié)果，對碳酸鹽的探測造成很大困難。目前在火星表面尋找碳酸鹽的工作仍在繼續(xù)。

為什么火星表面缺乏碳酸鹽記錄呢？

一個假說認為，火星的碳酸鹽主要形成和埋藏在地下，因此地表出露很少；碳酸鹽與火星大氣中二氧化碳的濃度關(guān)系不大，不能用碳酸鹽來估計早期大氣中二氧化碳的濃度。另一個假說則認為，火星環(huán)境可能過于酸性，無法形成大規(guī)模碳酸鹽沉積；或者曾經(jīng)生成過大部分碳酸鹽，在火星全球水環(huán)境變酸之后，被重新溶解破壞掉了。如果后一種假說成立的話，那火星早期應(yīng)該有更濃密的大氣，并且全球水環(huán)境發(fā)生了由中性向酸性的單向轉(zhuǎn)化。然而，目前在火星上發(fā)現(xiàn)了多種產(chǎn)生于堿性環(huán)境的碳酸鹽伴生礦物，這兩者顯然互相矛盾。2006年有學者模擬了過去火星大氣中的二氧化碳含量，認為450毫巴應(yīng)該是最佳結(jié)果。2019年有學者通過缺失存在的碳酸鹽豐度重新估算了大氣二氧化碳，認為古火星具有相當含量二氧化碳，排除了古火星大氣二氧化碳少導(dǎo)致碳酸鹽缺失的可能性。目前還需要進一步的探測和研究。

除了指示早期大氣和水環(huán)境，碳酸鹽還是宜居性指示礦物。碳酸鹽產(chǎn)出的環(huán)境代表著中堿性的溫暖（高于14℃）水環(huán)境，這樣的環(huán)境更適合生命存在。有學者在地球碳酸鹽沉積物中發(fā)現(xiàn)了類固醇等有機物，認為類固醇可以是追蹤微生物活動的良好替代品，可能是在火星上尋找生物特征的新穎工具。

目前，火星碳酸鹽的謎團仍舊沒有解開。科學家們正在用最先進的儀器、最嚴謹?shù)膶嶒?、最科學的推測，帶領(lǐng)我們一步步解開層層謎團，揭開火星早期氣候環(huán)境和火星生命的面紗。