胡森等-JGR:火星地下卤水活动——来自火星磷灰石H和Cl同位素组成的证据

(MAAMX.COM报道)普遍认为早期的火星存在液态水,甚至湖泊和海洋。虽然30亿以来,火星表面就已经变成现在这样极度寒冷和干旱的环境,但是近些年的火星探测和火星陨石的研究表明,在火星的局部地区仍然可能存在过地下水(或流体)及水岩作用。火星地形地貌探测结果表明火星地下流体可能具有富含卤族元素,但至今缺乏相关的岩石学和地区化学制约。

磷灰石是火星陨石中普遍存在的副矿物,不仅能用于确定地质事件的年代,也是揭示其源区地球化学性质的重要窗口。更重要的是,磷灰石是一种含水和卤族元素的矿物,是揭示火星源区的水和挥发份含量和后期地质事件中流体性质的重要途经。

结果表明部分橄榄石和单斜辉石的Mg-Fe同位素变化范围超过高温岩浆过程平衡同位素分馏值,很可能是由动力学过程造成的。钛铁矿则具有明显大的Mg-Fe同位素分馏,并表现为非线性的负相关关系(图1)。这很可能是Mg-Fe互交换的结果,而并非热扩散效应或大尺度岩浆分离结晶的结果。该极端的Mg同位素数值(高达23‰)是目前已报道的自然样品中最高值,并在中国地质大学(北京)和美国华盛顿大学(西雅图)两个实验室得到了一致的测试结果。他们进一步发现大多数含矿层钛铁矿的主量元素的剖面变化趋势与非矿层(辉长岩)钛铁矿的主量元素的剖面变化趋势相反(图2),这很可能说明两者Mg-Fe同位素扩散的方向是相反的(图3),这被认为是粒间的液态不混溶过程引起的同位素分馏。初始阶段的高钛玄武质熔体,经过硅酸盐矿物的分离,形成了晶粥层的骨架,随后粒间熔体发生不混溶,分离出Fe-rich相和Si-rich相。前者具有高Fe含量,后者表现为低Mg特征。由于密度差异,富Si熔体逐渐上升,而富Fe熔体则逐渐下沉。不同化学成分的钛铁矿与这两相熔体之间存在较大的Mg活度梯度,从而可引起极大的同位素分馏效应。结合前人的研究,他们的工作为层状岩体中的成矿元素的迁移-富集过程提供了新证据。同时,也表明Mg-Fe同位素体系可用于示踪镁铁质层状铁钛矿床的成因。

中科院地质与地球物理所地球与行星物理院重点实验室(EPP)胡森副研究员及其合作者借助纳米离子探针,对一块来自火星的玄武岩NWA 8657开展了原位的磷灰石、白磷钙矿、熔长石、辉石和填隙物开展了水含量和氢同位素分析,同时测定了磷灰石的氯同位素组成和挥发份含量。他们发现NWA 8657中的磷灰石具有最高的水含量,且极度富集重同位素氘,dD值可达6509‰,与熔融包裹体中的玻璃相相当(图1)。不同矿物的水含量和氢同位素组成对数正相关(图1),该相关性与前人报道的磷灰石的负相关趋势明显不同。NWA 8657磷灰石的氯同位素分布范围为~-2‰到~4‰,与火星壳源储库的同位素特征相近(图2和3)。这些证据表明:(1)NWA 8657中的磷灰石的氢和氯同位素组成具有与火星浅表水相似的“指纹”,说明该样品中的磷灰石与火星浅表流体发生了氢和氯同位素平衡,而非携带火星幔的同位素特征,指示其母岩在结晶后经历过一期水岩作用;(2)磷灰石水含量和氢同位素的相关性(图1),氯含量与氯同位素的相关(图2),以及氢同位素和氯同位素的相关性(图3),指示火星浅表流体富氯,具有卤水的特征;同时也佐证火星浅表水库不仅富氘也富37Cl,即富集重同位素;(3)磷灰石、白磷钙矿、熔长石和填隙物的水含量和氢同位素组成的相关性(图1),以及磷灰石具有与熔融包裹体相当的氢同位素组成(图1),指示水在熔融包裹体中的玻璃相和磷灰石中可能具有相当的扩散或交换速率。

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图1 NWA 8657火星陨石中磷灰石(Apatite)、白磷钙矿(Merrillite)、辉石(Pyroxene)、熔长石(Maskelynite)和填隙物(Mesostasis)的水含量和氢同位素组成的相关性。MIs:熔融包裹体,BS:玄武岩质火星陨石,PS:嵌晶质火星陨石;OS:含橄榄石斑晶质火星陨石。右上灰色方框代表火星浅表流体端元的H同位素组成

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图2 NWA 8657火星陨石中磷灰石的氯含量与氯同位素组成的相关性。点线:不同端元的混合趋势,壳源Cl同位素组成为+8‰,幔源Cl同位素组成为-8‰;虚线:不同端元的混合趋势,壳源Cl同位素组成为+2-4‰,幔源Cl同位素组成为-8‰。f:壳源的贡献率。淡黄色方框为火星壳源的Cl同位素范围

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图3 NWA 8657火星陨石中的磷灰石具有与火星浅表流体几乎相同的H和Cl同位素组成。Tiss:Tissint,Sherg:Shergotty,LA:Los Angeles,EETA:EETA 79001C,Zag:Zagami,Chass:Chassigny,LAR:LAR 06319。虚线:不同端元的混合线

研究成果发表于JGR-Planet。(Hu Sen*, Lin Yangting, Anand Mahesh, Franchi IanA., Zhao Xuchao, Zhang Jianchao, Hao Jialong, Zhang Ting, Yang Wei, ChangelaHitesh. Deuterium and 37Chlorine Rich Fluids on the Surface of Mars: Evidencefrom the Enriched Basaltic Shergottite Northwest Africa 8657. Journal ofGeophysical Research: Planet, 2020. DOI: 10.1029/2020je006537)(原文链接)。该成果受国家自然科学基金委员会重大(41490631)、重点(41430105)和面上(41573057,41973062)项目、英国科学基金(#ST/P000657/1)、国家留学基金委员会(201804910284)和中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201905)共同资助。

校对:覃华清

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