澳科大学者联合粤港学者发表关于火星粘土矿物最新研究进展与展望的综述文章

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2023年7月3日

近日，国际地球与行星科学领域著名期刊Earth-Science Reviews在线发表了题为“Clay minerals on Mars: An up-to-date review with future perspectives”的综述文章。文章对火星粘（黏）土矿物的现有认识进行了系统总结与评述（图1），包括火星粘土矿物的定义、结构和水化状态，全球分布特征，形成机制，环境指示意义，探测手段以及未来研究方向的展望等。澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室杜培鑫助理教授为文章的第一作者和通讯作者，合作作者包括广东工业大学的袁鹏教授、香港大学的刘嘉成研究助理教授和叶斌龙博士。

杜培鑫助理教授

图1 图文摘要

火星粘土矿物记录了火星上的水-岩相互作用历史，是最重要、也是关注度最高的一类矿物。它们的种类、丰度和地质产状可提供有关火星地质演化过程及相关古环境、火星（过去）生命宜居性等信息。因此，人类自对火星进行科学探测以来，一直高度重视对火星粘土矿物的探测和研究，迄今（尤其是近二十年来）也已取得系列重要进展。然而，由于在不同阶段所利用的技术种类不同（即使对于同一技术，其采集数据的质量也不断提升），加之数据处理理论和方法也在不断迭代以及至今未能将火星样品返回地球等原因，目前关于火星粘土矿物的认识仍存在很多不一致甚至相互矛盾、或亟待更新或进一步研究之处。

鉴于此，文章基于对从现有火星粘土矿物相关文献中选取的三百余篇代表性文献进行研读的基础上，详细对比、总结和评述了火星粘土矿物的定义、结构和水化状态，全球分布特点和形成机制，环境指示意义以及不断发展的各类探测技术等最新研究进展，具体归纳如下：

火星粘土矿物的定义和结构分类基于它们在地球上的类似物。一些火星粘土矿物含水较其地球类似物少，因此具有不同的层间结构；这可能影响其在火星表面的鉴定。

到目前为止，几乎所有地球上的主要粘土矿物类型已在火星上被发现，包括高岭石亚族矿物（如高岭石、埃洛石）、蛇纹石、富铁/镁蒙皂石族矿物（例如绿脱石、皂石）、富铝蒙皂石族矿物（如蒙脱石、贝德石）、伊利石/白云母、绿泥石和水铝英石。其中，富铁/镁蒙皂石族矿物在火星上分布最广泛。

火星上的粘土矿物遍布于诺亚纪和西方纪早期（>35亿年）的古老地层中（图2、图3）。它们形成的起始和结束时间尚未得到较准确的限定，但它们的空间分布与火星南部高地和北部低地之间的地形和地质年龄的二分性大体一致。

火星上的粘土矿物主要通过化学风化作用、沉积作用（包括碎屑沉积作用和化学沉积作用）和热液蚀变作用形成于地表或地下，虽然其它机制也对一些地区的火星粘土矿物的形成有所贡献。

火星粘土矿物在古老地质体中的广泛分布表明火星早期经历了全球性的水蚀变过程（图6），该过程被认为主要发生在中性至碱性环境（尽管最新研究结果表明，不能排除弱酸性环境）。另一方面，由于具有保存有机质和维持古老宜居性的强大潜力，粘土矿物产出地区一直是寻找（古老的）火星生命痕迹的重要目标。此外，火星粘土矿物的原位资源利用有望为火箭发射、人类登火和火星移民提供液态水。

目前用于火星粘土矿物（可扩展为含水矿物）探测、鉴定和研究的技术可分为四类：①基于地球太空望远镜的观测，②基于火星轨道器的大尺度遥感勘测，③基于火星着陆器/漫游车的就位探测，以及④基于火星陨石和地球类似环境样品的实验室研究和地球化学模拟等。总结并对比了四类技术以及每类技术所包含的各类方法在火星粘土矿物探测中的应用情况、优缺点以及基于该类（种）手段所取得的主要认识。在这些技术中，基于火星轨道器的可见-近红外反射光谱技术是在全球或区域尺度上研究火星粘土矿物的最有效的技术（图4），而基于漫游车的原位X射线衍射技术则是在更小尺度上分析火星粘土矿物的最精确技术（图5）。未来，将更复杂仪器（例如：可进行原位地质年代准确测定的仪器）送往火星，甚至人类直接登陆火星进行研究和/或将火星样品返回地球进行精细实验室研究将大大提升我们对火星粘土矿物及其反映的火星古环境古气候变化的认识。