2021年5月15日7時18分，天問一號探測器成功著陸於(yu) 火星烏(wu) 托邦平原南部預選著陸區，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功！事實上，火星作為(wei) 類地行星和太陽係八大行星之一，早已被人類所關(guan) 注，其中一個(ge) 重要原因便是火星上有水（Clifford et al., 1987; DiAchille and Hynek, 2013; Orosei et al., 2018 ）。

火星上現今的水主要以極地冰蓋或者地下冰的固態形式存在，約折合20～40 m GEL(全球等效層厚）(Zuber et al. 1998; Plaut et al., 2007)。另一方麵，大量地質學證據表明，火星上曾有大規模的液態水，其規模相當於(yu) 100～1500 m GEL (Di Achille and Hynek, 2013)。對比火星古今的水體(ti) 規模可以看出火星早期表麵曾經流淌的水消失了。其原因通常認為(wei) 火星液態水消失是水向外太空逃逸所致，然而依據現今火星大氣的D/H觀測結果和30億(yi) 年前火星沉積物的D/H觀測結果，通過同位素分餾模型計算大氣逃逸僅(jin) 能減少10～200 m GEL的水。

加州理工大學的Scheller博士等通過構建一個(ge) 全新的氫同位素分餾模型，對火星水的去向提供了一個(ge) 新的解釋（Scheller et al., 2021）。該模型構建了一個(ge) 水的交換儲(chu) 庫，其中包含大氣水、液態水、極地冰和地下冰，其水的來源為(wei) 火山噴發（源），而水的去向則包括大氣逃逸和地殼礦物水合作用（匯）。該模型以火星現今水體(ti) 含量為(wei) 邊界條件，通過計算氫同位素分餾，獲得火星不同地質曆史時期（Noachian，40億(yi) ～37億(yi) 年；Hesperian，37億(yi) ～30億(yi) 年；Amazonian，30億(yi) 年至今）源和匯的水體(ti) 通量。同時基於(yu) 火星表麵岩石樣品高溫實驗獲得的氫同位素數據對模型進行標定，以提高模型的準確性。

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

模型計算結果表明，火星水體(ti) 的去向主要受水岩作用和大氣逃逸控製，其相對比例從(cong) 3：8到99：1不等，也就是說高達30%～99%的水以可以以水岩作用的形式消失。這一結果可以很好地解釋火星水體(ti) 的去向，並與(yu) 地質學證據相吻合。

基於(yu) 上述模型結果，Scheller博士等認為(wei) 火星不斷幹旱化正是由於(yu) 地殼化學風化作用所致，這一過程被火星表麵廣泛分布的Noachian時期的含水礦物所記錄。事實上，地球上也在發生類似的礦物水合過程，但不同的是，地球的板塊構造事件可以以火山噴發等形式將礦物結晶水釋放出來，重新參與(yu) 水循環。因此地球水循環可以在地質年代的時間尺度上實現再循環，而火星水循環則難以實現。這一不可逆轉的化學風化過程控製著水循環的地質年代尺度，從(cong) 而對於(yu) 塑造火星作為(wei) 類地行星的宜居性發揮了關(guan) 鍵作用。

此外，模型還可以進一步預測火星冰體(ti) 的D/H同位素值，從(cong) 而將它與(yu) 氣候變化結合起來。在暖期，發生礦物水合作用和大氣逃逸的水通量會(hui) 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(jue) 於(yu) 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。】

主要參考文獻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/頁岩氣與(yu) 工程室）

校對：張崧 王海波

來源：中科院地質地球所



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