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火星南部的第勒納臺(tái)地（Tyrrhena Terra）區(qū)域因其復(fù)雜的地質(zhì)演化歷史和豐富的早期水蝕變記錄，成為研究火星早期水活動(dòng)和宜居性的理想窗口。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“空間中心”）研究人員聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者系統(tǒng)分析了第勒納區(qū)域含水礦物的分布特征，首次揭示了該區(qū)域表面“源到匯”的地質(zhì)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)火星早期歷史中可能存在多個(gè)時(shí)期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的水蝕變過(guò)程，為理解火星早期水環(huán)境演化提供了重要新證據(jù)。

豐富的含水礦物“寶庫(kù)”

火星快車（Mars Express）的OMEGA光譜儀和火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter）的CRISM光譜儀已在第勒納臺(tái)地探測(cè)到了大量水巖相互作用的產(chǎn)物——含水礦物，發(fā)現(xiàn)其為火星含水礦物種類最為豐富的區(qū)域之一。這些礦物的分布與地表密布的撞擊坑密切相關(guān)，撞擊事件將地下深層的含水礦物挖掘至地表，是含水礦物出露的主要原因。然而，該區(qū)域除了受到撞擊作用的強(qiáng)烈改造外，還保留了豐富的地表水活動(dòng)痕跡，如沖積扇和峽谷網(wǎng)絡(luò)等水成地貌。這些水活動(dòng)對(duì)含水礦物成因的影響機(jī)制此前缺乏系統(tǒng)研究。

系統(tǒng)性分析揭示礦物分布規(guī)律

研究團(tuán)隊(duì)全面分析了第勒納臺(tái)地現(xiàn)有的CRISM高光譜數(shù)據(jù)，識(shí)別出包括鐵鎂層狀硅酸鹽、綠泥石、鋁層狀硅酸鹽、葡萄石、沸石、水合二氧化硅、碳酸鹽在內(nèi)的252處含水礦物露頭（圖1）。其中244處分布于144個(gè)撞擊坑的不同區(qū)域，另有8處位于遠(yuǎn)離撞擊坑的位置。

圖1 第勒納臺(tái)地的含水礦物識(shí)別結(jié)果。

為深入理解含水礦物與撞擊坑的空間關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)按撞擊坑直徑將探測(cè)結(jié)果分為四類（<5千米、5–10千米、10–20千米、>20千米），發(fā)現(xiàn)了重要規(guī)律：礦物多樣性隨撞擊坑增大而增加（圖2）。在各類撞擊坑中，以鐵鎂蒙皂石為主的鐵鎂層狀硅酸鹽分布最廣，綠泥石次之。大于20千米的撞擊坑展現(xiàn)出最豐富的含水礦物種類，包括葡萄石、沸石、水合二氧化硅和碳酸鹽等。

圖2 含水礦物類別隨撞擊坑直徑的變化。第一行餅圖包含所有探測(cè)結(jié)果，第二行餅圖包含除中央峰區(qū)域以外的檢測(cè)結(jié)果，每列餅圖包含所處不同位置的檢測(cè)結(jié)果。每個(gè)扇面標(biāo)記的數(shù)字表示含水礦物探測(cè)結(jié)果的數(shù)量，不同的顏色代表不同的礦物類別。

發(fā)現(xiàn)礦物組合隨時(shí)間演化的關(guān)鍵證據(jù)

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)退化程度將大型撞擊坑（>20公里）分為三種類型：

I型撞擊坑：存在水成地貌但缺乏濺射毯，形成于約40-37億年前（諾亞紀(jì)）

II型撞擊坑：既有水成地貌又有濺射毯，形成于約37-33億年前（早中西方紀(jì)）

III型撞擊坑：有濺射毯但缺乏水成地貌，形成于約33億年后（晚西方紀(jì)至亞馬遜紀(jì)）

結(jié)果表明，不同年代撞擊坑中的含水礦物類別存在顯著差異（圖3）。古老的I型撞擊坑含水礦物多樣性很低，主要為鐵鎂層狀硅酸鹽和綠泥石；而較年輕的II型和III型撞擊坑含水礦物多樣性明顯增高。

這一現(xiàn)象十分關(guān)鍵，因?yàn)樗从沉吮砻骘L(fēng)化和撞擊后水活動(dòng)的影響。年輕撞擊坑為晚期地表缺乏風(fēng)化作用提供了證據(jù)，而古老撞擊坑的相對(duì)單一礦物組合表明諾亞紀(jì)地表風(fēng)化作用更為活躍。換句話說(shuō)，如果火星表面的水活動(dòng)一直以來(lái)都十分有限，我們應(yīng)該能在不同年齡的撞擊坑中看到相似的含水礦物多樣性。

圖3 含水礦物類別隨>20 km撞擊坑的退化程度的變化。第一行餅圖包含所有探測(cè)結(jié)果，第二行餅圖包含除中央峰區(qū)域以外的檢測(cè)結(jié)果，每列餅圖包含所處不同位置的檢測(cè)結(jié)果。每個(gè)扇面標(biāo)記的數(shù)字表示含水礦物探測(cè)結(jié)果的數(shù)量，不同的顏色代表不同的礦物類別。

揭示“源到匯”地質(zhì)過(guò)程

研究中最重要的發(fā)現(xiàn)之一來(lái)自8處遠(yuǎn)離撞擊坑的含水礦物露頭，它們?yōu)槔斫庾矒糇饔弥獾牡乇硭顒?dòng)提供了直接證據(jù)。在一些遠(yuǎn)離撞擊坑的古老沉積物上，鐵鎂蒙皂石是唯一觀測(cè)到的含水礦物。這些沉積物位于高地地形下坡，被后期河谷網(wǎng)絡(luò)切割，表明其形成早于河谷網(wǎng)絡(luò)（圖4）。同樣地，在I型撞擊坑的邊緣也只觀測(cè)到了鐵鎂蒙皂石。此處的鐵鎂蒙皂石很有可能在形成之后被搬運(yùn)到了前述的古老沉積物上。

圖4 （a）在遠(yuǎn)離撞擊坑的古老沉積物上觀測(cè)到的鐵鎂蒙皂石，及其上層的少量混合了鐵鎂蒙皂石的鋁層狀硅酸鹽。（b）三維側(cè)視圖，可以看出亮色調(diào)的古老沉積物所在的區(qū)域地勢(shì)較低。（c）圖（a）的特寫(xiě)。洋紅色代表鐵鎂蒙皂石，青色代表混合了鐵鎂蒙皂石的鋁層狀硅酸鹽。

綜合分析結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種火星表面的“源到匯”地質(zhì)過(guò)程（圖5）：在一個(gè)大型撞擊坑形成時(shí)，理論上通過(guò)挖掘作用使不同種類的含水礦物出露，同時(shí)還可能產(chǎn)生熱液活動(dòng)并形成蝕變礦物。在諾亞紀(jì)時(shí)期，這些含水礦物經(jīng)歷了活躍的地表風(fēng)化過(guò)程，部分被侵蝕、溶解、重結(jié)晶，部分被改造為種類相對(duì)單一的黏土礦物（主要是鐵鎂蒙皂石），因而缺乏最初的礦物多樣性。隨后，這些黏土礦物被河流水活動(dòng)搬運(yùn)到地勢(shì)較低的位置沉積。對(duì)于諾亞紀(jì)之后形成的撞擊坑，地表風(fēng)化作用相對(duì)有限，使得撞擊坑中較高的礦物多樣性得以保存。

圖5 研究所提出的“源到匯”過(guò)程的剖面示意圖。

這一研究成果表明，諾亞紀(jì)時(shí)期地表水活動(dòng)較為活躍，而自西方紀(jì)開(kāi)始就逐漸減弱。在火星早期歷史中，可能存在多個(gè)時(shí)期的水蝕變過(guò)程，這些過(guò)程早于河谷網(wǎng)絡(luò)形成，且每個(gè)時(shí)期都持續(xù)了足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得含水礦物形成或改變。盡管地表的含水礦物出露幾乎都與撞擊作用有關(guān)，其中仍然保存了諾亞紀(jì)時(shí)期地表水活動(dòng)引起撞擊后水蝕變的證據(jù)。該發(fā)現(xiàn)為理解火星早期水環(huán)境及其演化歷史提供了新的重要見(jiàn)解，為火星諾亞紀(jì)曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)濕潤(rùn)的地表環(huán)境提供了新證據(jù)，有助于我們更好地認(rèn)識(shí)火星宜居性演化和生命存在的可能性。

該項(xiàng)工作以“Comprehensive Analysis of the Alteration of Tyrrhena Terra: Implications for Source‐to‐Sink Processes on Mars”為題發(fā)表在《JGR-Planets》上（https://doi.org/10.1029/2025JE008951）。論文第一作者為空間中心博士研究生武雨純，通訊作者為劉洋研究員。合作者為法國(guó)南特大學(xué)Nicolas Mangold研究員，法國(guó)巴黎-薩克雷大學(xué)John Carter教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘路教授，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)黃倩副教授，及空間中心鄒永廖研究員、吳興副研究員、博士研究生張朝琳、李柯儀等。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、空間中心“攀登計(jì)劃”、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)“博士研究生國(guó)際合作培養(yǎng)計(jì)劃”等的聯(lián)合資助。

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