科學家在火星上發現了一種新礦物

每種礦物都有自己的晶體結構和物理性質。眾所周知的例子是石膏和赤鐵礦。科學家分析太空船數據來識別火星表面的礦物並重建形成它們的環境條件。近二十年來，研究人員一直對火星上的層狀硫酸鐵感到困惑，它們表現出不尋常的光譜特徵。由SETI研究所和加州矽谷NASA艾姆斯研究中心的高級研究科學家Janice Bishop博士領導的一項新研究現已識別並表徵了羥基硫酸鐵的不尋常相。該團隊將實驗室實驗與火星軌道觀測相結合，以便更好地了解這些材料。他們的研究結果為了解熱、水和化學反應在塑造火星地形中的作用提供了新的線索。

畢夏普說：“我們調查了廣闊的水手谷峽谷系統附近的兩個含硫酸鹽的地點，包括通過軌道數據看到的神秘光譜帶，以及硫酸鹽層和有趣的地質情況。”

水手谷周圍的研究地點

該研究重點關注靠近水手谷的兩個區域，而水手谷是太陽系最大的峽谷系統之一。其中一個地點是阿拉姆混沌，位於峽谷系統的東北部，古老的水流向北流入下面的土地。第二個地點位於 Juventae Chasma 上方的高原上，Juventae Chasma 是水手谷以北 5 公里深的峽谷。

尤文塔高原（尤文塔峽谷上方）

水手谷懸崖周圍的這個地區保留了過去濕潤的痕跡。流水沖刷而成的古老運河橫跨景觀。科學家發現硫酸鹽礦物質集中在一個小的低窪區域，可能是由富含硫酸鹽的水池逐漸蒸發形成的。當水消失時，留下了水合硫酸亞鐵。

這些礦物質（包括羥基硫酸鐵）以厚度達一公尺的薄層形式存在，位於玄武岩材料的上方和下方。它們的位置表明它們在最初形成後後來暴露於熔岩或火山灰的熱量中。

「對這四個組成單元的形態和地層的研究使我們能夠確定不同單元之間的年齡和形成關係，」該研究的合著者、行星科學研究所的高級科學家凱瑟琳·韋茨博士說。

阿蘭混亂的證據

硫酸鹽礦物在水手谷地區分佈廣泛，尤其是在被稱為混亂地形的崎嶇地形中。科學家認為，這些區域是大洪水重塑地表時形成的。當水蒸發時，留下了層狀的鐵和硫酸鎂沉積物，證明火星過去更加潮濕。

在古代撞擊坑內形成的混亂土地上，上層含有多水硫酸鹽。它們下面是一水硫酸鹽和羥基硫酸鐵層。

熱如何轉變火星硫酸鹽

這些硫酸鹽類型中的每一種都具有獨特的光譜特徵，可以使用 CRISM 儀器從軌道上檢測到。起初，這些礦物層的組織很難解釋。實驗室實驗幫助解決了這個難題。研究人員發現，將多水硫酸鹽加熱至 50°C 會將其轉化為一水合物形式。當溫度超過100℃時，形成羥基硫酸鐵。這些結果表明，地熱可能改變了沉積後的礦物質。

該地區大面積存在多水合和一水合硫酸鹽。羥基硫酸鐵非常罕見，只出現在少數小地方。科學家懷疑這些地點下方有更熱的地熱源，為這種礦物的形成創造了必要的條件。其他沉積物可能埋藏在一水硫酸鹽層之下。

實驗室實驗揭示了礦物的轉變

SETI 研究所和 NASA 艾姆斯的研究人員進行了實驗室實驗，以了解這些礦物是如何演化的。該過程從薔薇輝石（Fe²⁺所以₄·4小時₂O），每個晶胞中含有四個水分子。加熱使斜錳礦（Fe²⁺所以₄·H₂O），只含一個水分子。繼續加熱會產生羥基硫酸鐵，其中 OH 取代了礦物結構中的 H2O。

「我們的實驗表明，只有當水合硫酸鐵在氧氣存在的情況下加熱時，才會形成這種羥基硫酸鐵，」美國宇航局艾姆斯分校的博士後研究員約翰內斯·莫斯伯格說。 “雖然原子結構的變化非常小，但這種反應極大地改變了這些礦物吸收紅外光的方式，這使得使用 CRISM 能夠識別這種來自火星的新礦物。”

火星上的氧氣和化學反應

此化學反應需要氧氣並產生水（方程式 1）。火星目前有一層稀薄的大氣層，主要成分是二氧化碳₂然而，它仍然含有足夠的氧氣來發生這種反應並氧化其他類型的鐵。

方程式 1: 4 Fe²⁺所以₄·H₂奧+奧₂ → 4 鐵³⁺所以₄羥基+2H₂哦

畢夏普說：“這些實驗室實驗中形成的材料將成為一種新礦物，因為其獨特的晶體結構和熱穩定性。” “然而，科學家還必須在地球上找到它，才能正式承認它是一種新礦物。”

火星上地質活動的痕跡

新發現的羥基硫酸鐵具有與一水硫酸亞鐵類似的晶體結構。然而，它似乎更容易由玫瑰長石形成，玫瑰長石含有四個水分子。

當溫度超過 100°C（比典型的火星表麵條件要熱得多）時，就會發生從水合硫酸亞鐵到羥基硫酸鐵的轉變。在阿拉姆混沌和尤文泰觀察到的硫酸鹽，包括羥基硫酸鐵，可能比周圍地形更晚形成。研究人員認為，它的歷史可以追溯到亞馬遜時期（<30 億年前）。

研究結果表明，來自尤文泰高原的火山熱和阿拉姆混沌下方的地熱能可以將常見的水合硫酸鹽轉化為羥基硫酸鐵。這項發現表明，火星部分地區最近的化學和熱活性比之前想像的要活躍，為了解火星表面的演變及其支持生命的潛力提供了新的見解。

文章《火星上羥基硫酸鐵的特徵及其形成的地球化學環境的影響》發表在該雜誌上 自然通訊。