火星上的富锰物质是什么

原创曾小家行星科学

锰（Mn）是一种氧化还原敏感元素。火星壳中的锰元素一般分布于火成岩之中，主要通过类质同象替代火成岩造岩矿物晶格中Fe2+的形式存在。火成岩经历化学风化作用形成Mn2+的过程中，需要在大量液态水参与和强氧化环境的条件下才能实现Mn2+的氧化、循环和沉淀，然而只有高价态的锰（如：Mn3+或Mn4+）才更容易在中性的流体中沉淀形成难容的富锰物质，该特点使得锰元素通常仅能在液态水参与和强氧化环境的条件下才能形成富锰物质。因此富锰物质被认为是液态水活动和强氧化环境的“指示物”。

好奇号火星车在Gale撞击坑区域发现有~3%样本中的锰含量非常高（MnO = ~2–40 wt%），指示火星表面应该存在某种之前未发现的富锰物质（High-Manganese Material），但是由于这些富锰物质颗粒尺寸通常小于100 μm，致使好奇号火星车探测载荷（如：ChemCam和APXS，探测空间分辨率为亚毫米至厘米级）难以获取火星富锰的物质组成信息（图1）。火星富锰物质由什么物相组成？化学成分是什么？微观结构有什么特点？回答这些问题可为进一步揭示火星表面液态水活动和氧化条件提供制约。

火星陨石是目前人类唯一可获得的火星样品。近期中国科学院地球化学研究所曾小家特别研究助理在火星表土角砾岩陨石NWA 11220中发现一颗含有~5 vol%富锰物质的特殊岩石碎屑（图2）。通过TEM分析技术，研究揭示火星富锰物质中的含锰物相为非晶质锰氧化物（图3），并首次获得火星富锰物质的物相组合、含锰物相化学成分（45.8 wt% Mn，41.1 wt% O，5.66 wt% Mg，1.6 wt% Si, 1.53 wt%, 0.35 wt% Cl等）和微观结构特征（纳米级颗粒或细脉）。研究结果的意义及价值主要包括：（1）为火星富锰物质的成因过程（液态水沉积作用）提供了直接证据（如：以细脉状填充于矿物裂隙之中）；（2）指示了形成富锰物质的溶液性质（即：强氧化、非酸性等）；（3）为解释好奇号就位探测结果提供了样品数据支撑（如：解释了好奇号火星车在Groken drill区域探测到富锰物质中P含量高的原因）；（4）为将来火星富锰物质的探测载荷研制提供设计依据（如：分析空间分辨率小于50 μm等）。