余曉文

火星的大氣以二氧化碳為主。好奇號(hào)火星車(chē)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?dú)猓?.89%）。在地球上，大氣中的二氧化碳通過(guò)不斷與水和巖石反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}保存下來(lái)，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(yàn)推測(cè)，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(guò)幾十年不斷的尋找，從環(huán)繞器、著陸器、火星車(chē)和火星隕石中，科學(xué)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(méi)有產(chǎn)生過(guò)大面積的碳酸鹽？如果有，現(xiàn)在又去了哪里呢？這些問(wèn)題對(duì)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(lèi)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(xué)成因、原地生物成因和水流和波浪搬運(yùn)成因。碳酸鹽巖和碳酸鹽沉積物從前寒武紀(jì)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(guó)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(jià)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(chǔ)油巖，全世界50%的石油和天然氣儲(chǔ)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(duì)火星碳酸鹽的研究歷時(shí)已久。最早在1996年8月，美國(guó)科學(xué)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(zhǎng)石裂縫分布的板片裝塊體；不常見(jiàn)的是連貫的半球形小球和包裹細(xì)顆粒輝石的小球。關(guān)于ALH84001中的碳酸鹽起源，有著多種假說(shuō)，一開(kāi)始科學(xué)界傾向于高溫成因，但之后有科學(xué)家用理論和實(shí)驗(yàn)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(shuō)不成立。但低溫實(shí)驗(yàn)中涉及低溫和水溶液兩個(gè)條件，如果低溫假說(shuō)要成立，就必須解釋火星上水溶液的來(lái)源以及導(dǎo)致這些溶液沉積碳酸鹽的原因。另一類(lèi)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(gè)火星著陸點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽的蹤跡。美國(guó)鳳凰號(hào)著陸器降落在火星北極，在一個(gè)叫“邪惡女巫”（Wicked Witch）的表土樣品中發(fā)現(xiàn)了碳酸鈣。美國(guó)勇氣號(hào)火星車(chē)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(lèi)似。最新的發(fā)現(xiàn)是好奇號(hào)火星車(chē)在蓋爾撞擊坑的一個(gè)風(fēng)成沉積物樣本中測(cè)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(guò)遙感光譜探測(cè)，2008年在火星表面一個(gè)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(xué)家們利用類(lèi)似的光譜頻段在火星的各個(gè)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(cè)到的碳酸鹽，或在撞擊坑內(nèi)或與撞擊坑相關(guān)，因此推測(cè)它們可能源于撞擊引起的熱液活動(dòng)或是較老的蝕變地殼被撞擊坑挖掘而暴露在地表。2020美國(guó)毅力號(hào)火星車(chē)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?zé)崴畻l件下變質(zhì)形成）以及蛇紋石（常形成于中低溫?zé)嵋航淮饔茫ｋm然利用光譜可以通過(guò)遙感探測(cè)碳酸鹽，但碳酸鹽含水、顆粒大小的變化等都會(huì)干擾探測(cè)結(jié)果，對(duì)碳酸鹽的探測(cè)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(gè)假說(shuō)認(rèn)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(lái)估計(jì)早期大氣中二氧化碳的濃度。另一個(gè)假說(shuō)則認(rèn)為，火星環(huán)境可能過(guò)于酸性，無(wú)法形成大規(guī)模碳酸鹽沉積；或者曾經(jīng)生成過(guò)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(shuō)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(xué)者模擬了過(guò)去火星大氣中的二氧化碳含量，認(rèn)為450毫巴應(yīng)該是最佳結(jié)果。2019年有學(xué)者通過(guò)缺失存在的碳酸鹽豐度重新估算了大氣二氧化碳，認(rèn)為古火星具有相當(dāng)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(jìn)一步的探測(cè)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(xué)者在地球碳酸鹽沉積物中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)固醇等有機(jī)物，認(rèn)為類(lèi)固醇可以是追蹤微生物活動(dòng)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(tuán)仍舊沒(méi)有解開(kāi)。科學(xué)家們正在用最先進(jìn)的儀器、最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)、最科學(xué)的推測(cè)，帶領(lǐng)我們一步步解開(kāi)層層謎團(tuán)，揭開(kāi)火星早期氣候環(huán)境和火星生命的面紗。