早期的火星大气层曾经充满二氧化碳，但随着时间的推移，这种浓厚的大气层急剧变薄。这些碳都去哪儿了呢？答案可能就在覆盖在火星表面的岩石和矿物中。

来自麻省理工学院的地质学家约书亚-默里（Joshua Murray）和奥利弗-贾古兹（Oliver Jagoutz）为这一长期存在的谜团找到了潜在的解决方案。他们发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的新研究表明，火星上富含铁和镁的岩石的改变可能产生了大量非生物（非生物）甲烷。这些甲烷随后可能被困并保存在整个火星地壳的粘土矿物中，成为以前未曾认识到的碳库。

"默里解释说："在地球上，我们知道超基性岩的热液蚀变可以产生非生物甲烷。"我们还知道，火星上的粘土矿物（如smectite）具有很强的吸附和保护有机碳化合物的能力。因此，我们想探索这一过程是否会在火星早期大气层消失的过程中起到重要作用。

据估计，早期的火星大气中含有 0.25 到 4 bars 的二氧化碳--比现在的 0.054 bars 厚得多。这种急剧变薄的现象几十年来一直困扰着行星科学家，因为大气逃逸到太空中的模型无法完全解释缺失的碳。

"贾古兹说："我们面临的挑战是，已知的碳向太空流失的速度太低，无法解释这么多二氧化碳的消失。"一定还有其他一些主要的碳汇被我们遗漏了。

进入粘土矿物。火星上的水-岩石反应改变了富含铁和镁的超基性岩，从而产生了蛇纹石（一种带绿色的含水硅酸盐矿物）和粘土。这些粘土具有极高的表面积，为吸附和保护有机分子提供了充分的机会。

"穆雷解释说："从根本上说，橄榄石中的铁在蛇纹石化过程中发生氧化，释放出氢气，然后与二氧化碳反应生成甲烷。"而甲烷可以被截留并保存在所形成的粘土矿物的层间空间中。

研究人员利用质量平衡模型计算出，全球仅 2 公里厚的蛇纹岩层就能将大气中约 5 bars 的二氧化碳转化为甲烷。而这些超基性岩在蚀变过程中形成的粘土矿物，尤其是闪长岩，能够储存数量惊人的有机碳。

"贾古兹说："我们估计，在火星地壳中可能有价值0.07到1.7巴的二氧化碳作为吸附甲烷被封存起来。"这是一个巨大的潜在储藏库，可以在很大程度上解释碳失踪的原因。

但是，这项工作的影响不仅仅局限于碳循环。研究人员还表明，随着时间的推移，这种非生物甲烷的形成和保存可能会对火星大气的同位素组成产生重大影响。

"默里解释说："甲烷的形成优先吸收较轻的碳-12 同位素。"因此，当大气中的二氧化碳转化为甲烷并埋藏在地壳中时，你会发现剩余的二氧化碳会逐渐富含较重的碳-13同位素"。

事实上，研究小组的模型表明，根据他们对粘土体积的 "最佳估计"，大气中的δ13C（碳-13 与碳-12 之比）可能富集了 1.9 到 14/mil。这与现代火星大气的测量结果非常吻合，现代火星大气中的δ13C值为每密耳48个--与火星原始地幔成分预期的每密耳-30到-20个的范围相差甚远。

"贾古兹说："我们的非生物甲烷模型能够解释这种同位素富集的很大一部分，这确实令人兴奋。"它为火星地球化学中这一长期存在的谜团提供了一个潜在的解释"。

重要的是，研究人员指出，他们对有机碳储层规模的估计是保守的。粘土矿物，尤其是直闪石，具有更大的吸附和保护极性有机分子的能力，而不仅仅是甲烷。

"甲烷是一种相对简单的非极性化合物，"默里解释说。"但我们知道，火星泥岩中含有更为复杂的有机特征。如果这些化合物也被稳定在粘土表面，那么有机碳库的总量可能会更大。

这不仅对我们了解火星的过去，而且对未来的探索和潜在的资源利用都有着引人入胜的影响。如果火星地壳中确实封存了大量的有机碳，那么它可以为未来的机器人和人类任务提供宝贵的燃料来源。

"甲烷是一种非常有用的航天器推进剂，"贾古兹说。"如果我们能利用这些埋藏在地下的有机碳储备，就能大大减少我们从地球发射的材料数量，以支持对火星的长期探索。

除此以外，研究小组的发现还为我们更广泛地了解岩质行星宜居性的基本过程提供了新的视角。在地球上，大气、海洋和地壳之间的碳循环与板块构造的运行密切相关--板块构造是一个不断更新地表和循环碳的过程。

但是，缺乏活跃的板块构造的火星似乎形成了一种截然不同的碳循环。在这里，超基性岩的蚀变以及随后粘土矿物中有机碳的捕获可能代表了一种准永久性的碳汇，对火星的气候演变产生了影响。

"默里说："我们在火星上看到的是一个没有板块构造的岩石行星上可能发生的情况的缩影。"有机碳在粘土表面的吸附可能是行星大气演化的一个基本过程，这个过程与行星的地质性质密切相关。

这反过来又对寻找宇宙中其他地方的生命有着深远的影响。毕竟，有机化合物的保存是生物出现和持续存在的关键前提。而在火星这样一个构造不活跃的世界上，受矿物保护的有机碳可能是为数不多的保存有机碳的途径之一。

"如果我们在火星泥岩中发现复杂有机分子的证据，这可能是一个诱人的迹象，表明那里可能曾经有过生命，"贾古兹说。"但即使没有生物，这些非生物有机物库本身也很吸引人，它们为我们提供了一个了解陆地行星早期演化的窗口。

随着 "坚毅 "号漫游车继续探索杰泽罗环形山，"好奇 "号漫游车不断发现新的有机特征，对火星碳的探索才刚刚开始。但是，有了这个非生物甲烷生产和粘土矿物吸附的新模型，行星科学家们现在有了一个强大的框架来了解这些碳在数十亿年中的命运。

"穆雷总结说："火星是研究行星地质、气候和生命潜能共同演化的一个令人难以置信的天然实验室。"通过揭示水、岩石和碳之间复杂的关系，我们正逐步了解火星的非凡故事。

参考文献

1. Murray 和 Jagoutz，科学进展 10，eadm8443 (2024) 2024 年 9 月 25 日

单击 TAGS 查看相关文章 ：

火星