2021年5月15日7時(shí)18分，天問一號(hào)探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得成功！事實(shí)上，火星作為類地行星和太陽系八大行星之一，早已被人類所關(guān)注，其中一個(gè)重要原因便是火星上有水（Clifford et al., 1987; DiAchille and Hynek, 2013; Orosei et al., 2018 ）。

火星上現(xiàn)今的水主要以極地冰蓋或者地下冰的固態(tài)形式存在，約折合20～40 m GEL(全球等效層厚）(Zuber et al. 1998; Plaut et al., 2007)。另一方面，大量地質(zhì)學(xué)證據(jù)表明，火星上曾有大規(guī)模的液態(tài)水，其規(guī)模相當(dāng)于100～1500 m GEL (Di Achille and Hynek, 2013)。對(duì)比火星古今的水體規(guī)模可以看出火星早期表面曾經(jīng)流淌的水消失了。其原因通常認(rèn)為火星液態(tài)水消失是水向外太空逃逸所致，然而依據(jù)現(xiàn)今火星大氣的D/H觀測結(jié)果和30億年前火星沉積物的D/H觀測結(jié)果，通過同位素分餾模型計(jì)算大氣逃逸僅能減少10～200 m GEL的水。

加州理工大學(xué)的Scheller博士等通過構(gòu)建一個(gè)全新的氫同位素分餾模型，對(duì)火星水的去向提供了一個(gè)新的解釋（Scheller et al., 2021）。該模型構(gòu)建了一個(gè)水的交換儲(chǔ)庫，其中包含大氣水、液態(tài)水、極地冰和地下冰，其水的來源為火山噴發(fā)（源），而水的去向則包括大氣逃逸和地殼礦物水合作用（匯）。該模型以火星現(xiàn)今水體含量為邊界條件，通過計(jì)算氫同位素分餾，獲得火星不同地質(zhì)歷史時(shí)期（Noachian，40億～37億年；Hesperian，37億～30億年；Amazonian，30億年至今）源和匯的水體通量。同時(shí)基于火星表面巖石樣品高溫實(shí)驗(yàn)獲得的氫同位素?cái)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，以提高模型的準(zhǔn)確性。

圖1 不同地質(zhì)歷史時(shí)期的氫元素同位素交換模型（Scheller et al., 2021）

模型計(jì)算結(jié)果表明，火星水體的去向主要受水巖作用和大氣逃逸控制，其相對(duì)比例從3：8到99：1不等，也就是說高達(dá)30%～99%的水以可以以水巖作用的形式消失。這一結(jié)果可以很好地解釋火星水體的去向，并與地質(zhì)學(xué)證據(jù)相吻合。

基于上述模型結(jié)果，Scheller博士等認(rèn)為火星不斷干旱化正是由于地殼化學(xué)風(fēng)化作用所致，這一過程被火星表面廣泛分布的Noachian時(shí)期的含水礦物所記錄。事實(shí)上，地球上也在發(fā)生類似的礦物水合過程，但不同的是，地球的板塊構(gòu)造事件可以以火山噴發(fā)等形式將礦物結(jié)晶水釋放出來，重新參與水循環(huán)。因此地球水循環(huán)可以在地質(zhì)年代的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)再循環(huán)，而火星水循環(huán)則難以實(shí)現(xiàn)。這一不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)風(fēng)化過程控制著水循環(huán)的地質(zhì)年代尺度，從而對(duì)于塑造火星作為類地行星的宜居性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

此外，模型還可以進(jìn)一步預(yù)測火星冰體的D/H同位素值，從而將它與氣候變化結(jié)合起來。在暖期，發(fā)生礦物水合作用和大氣逃逸的水通量會(huì)增加，快速提高D/H的值；在冷期，D/H可能緩慢下降或上升，取決于火山去氣和大氣逃逸的水量平衡。

【致謝：感謝地星室胡森副研究員的寶貴修改建議?！?/p>

主要參考文獻(xiàn)Clifford S M. Polar basal melting onMars[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1987, 92(B9): 9135-9152.Di Achille G, Hynek B M. Ancient ocean on Mars supported by globaldistribution of deltas and valleys[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(7): 459-463.Orosei R, Lauro S E, Pettinelli E, et al. Radar evidence ofsubglacial liquid water on Mars[J]. Science, 2018, 361(6401): 490-493.Plaut J J, Picardi G, Safaeinili A, et al. Subsurface radar soundingof the south polar layered deposits of Mars[J]. Science, 2007, 316(5821):92-95.Scheller E L, Ehlmann B L, Hu R, et al. Long-term drying of Mars bysequestration of ocean-scale volumes of water in the crust[J]. Science, 2021,372(6537): 56-62.Zuber M T, Smith D E, Solomon S C, et al. Observations of the northpolar region of Mars from the Mars Orbiter Laser Altimeter[J]. Science, 1998,282(5396): 2053-2060.

（撰稿：孔彥龍/頁巖氣與工程室）

校對(duì)：張崧 王海波

來源：中科院地質(zhì)地球所



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