主要观点总结
最新研究发现火星内部结构并非均质，而是类似“三明治”的分层结构。通过对火星陨石进行化学元素和锇同位素分析，揭示了火星内部物质来源、岩浆活动以及地壳-地幔相互作用等重要信息。研究指出火星并非死寂，而是拥有复杂而活跃的内部结构和充满故事的演化历史。
关键观点总结
关键观点1: 火星内部结构的研究背景
人类对火星的内部结构一直充满好奇，最新的研究成果为我们揭示了火星并非一颗‘死寂’的星球，而是拥有复杂而活跃的内部结构。
关键观点2: 火星陨石的重要性
火星陨石是理解火星内部结构和演化历史的关键。它们携带着关于其起源地、形成时间以及经历过地质过程的宝贵信息。
关键观点3: 火星内部结构的特点
研究结果表明，火星内部结构类似“三明治”，包括古老且成分丰富的地壳、分层的地幔和活跃的地幔柱。
关键观点4: 纳克利特陨石和夏西尼特陨石的同源关系
纳克利特陨石和夏西尼特陨石展现出一些共同特征，但两者之间也存在差异，这为它们的同源关系带来了神秘。通过对这两种陨石进行高精度化学元素分析和锇同位素分析，揭示了火星内部物质来源和地壳-地幔相互作用等重要信息。
关键观点5: 研究的意义
这项研究不仅帮助我们更好地理解火星的演化历程，还为未来探索火星提供了重要的参考。
正文
人类对火星充满了好奇，但
火星的内部结构
一直是个谜
。近日《科学进展》杂志发表了最新文章，
通过分析火星陨石的亲铁元素和锇同位素组成，
为我们揭示了火星内部的物质来源、岩浆活动以及地壳-地幔相互作用等重要信息，以更好地理解这颗红色星球的演化历程。
研究发现火星内部并非均质结构，而是类似“三明治”的分层结构：上层是古老且成分丰富的火星地壳，中间是分层地幔，下层则是活跃的地幔柱。这项研究提醒我们，火星并非一颗“死寂”的星球，它拥有着复杂而活跃的内部结构，以及一段充满故事的演化历史。
一直以来，人类对火星充满了好奇，这颗红色的星球究竟隐藏着怎样的内部结构和演化历史？
为了解开这些谜团，科学家们将目光投向了来自火星的“天外来客”——火星陨石。
火星陨石是小行星撞击火星表面时，被抛射到太空并最终降落在地球上的岩石碎片。每一块火星陨石都携带着关于其起源地、形成时间以及经历过地质过程的宝贵信息。通过分析这些“天外来客”，我们可以逐步拼凑出火星地质演化的拼图。
在众多火星陨石中，
纳克利特陨石
Nakhlites（
富辉石的玄武质岩石
）和
夏西尼特陨石
Chassignites（纯橄榄岩）尤为引人注目。它们展现出一些共同特征，例如相似的结晶年龄和从火星表面弹射的年龄，暗示着它们可能来自同一个岩浆系统。然而，两者之间也存在差异，例如矿物组成和某些化学元素的含量，这为它们的同源关系蒙上了一层神秘面纱。
现有的研究表明，火星内部并非均质的，而是像地球一样具有分层结构。科学家们普遍认为火星拥有一个以铁镍为主的地核、主要由硅酸盐矿物组成的地幔，以及覆盖地表的地壳。然而，关于火星内部各层的具体物质组成、形成时间以及相互作用方式，仍然存在许多未知。
为了解开纳克利特陨石和夏西尼特陨石的同源之谜，并进一步探究火星内部结构和演化历史，科学家们对这两种陨石进行了高精度化学元素分析和锇同位素分析。这些分析结果将为我们揭示火星内部物质来源、岩浆活动以及地壳-地幔相互作用等重要信息，帮助我们更好地理解这颗红色星球的演化历程。
图1
. 归一化至火星地幔的亲铁元素（HSE）配分模式图。
(A)
纯橄榄岩，
(B)
辉石岩，以及
(C)
艾伦山84001陨石。带十字的符号表示先前发表的数据。(A) 中显示的是模型 1，一个经历了 5% 部分熔融亏损的贫化火星地幔 (MM) 成分的平衡结晶 (FC) 模型。由于在这些相对较低的熔体比例下，硫没有被完全耗尽，MM 成分的熔体亏损只会导致残余物中大多数 HSE 发生轻微亏损，而 Pd 的亏损则更为显著。(B) 中显示的是模型 2，一个在纯橄榄岩（夏西尼特）堆积物移除后的熔体的平衡结晶模型。
图2.
辉石岩、纯橄榄岩和艾伦山84001陨石的铼-锇同位素图解。
(A)
样品中
187
Os/
188
Os
的完整变化范围。
(B)
A图左下角区域的放大图。带十字的符号表示先前发表的数据。在这些图中，辉石岩陨石Nakhla与其他辉石岩是分开的，因为在本研究和先前研究中测量了不同的样品碎片。作为参考，图中显示了13.4亿年球粒陨石参考等时线，以及初始
187
Os/
188
Os
分别为0.15和0.23的13.4亿年放射成因等时线。
通过对纳克利特和夏西尼特陨石进行化学元素和锇同位素分析，研究人员发现，火星内部结构并非我们想象的那样简单，而更像是一个“三明治”：
上层“面包”：古老而富集的地壳
纳克利特陨石中发现了一些古老地壳的碎片，这些碎片形成于20亿年前，富含铼和锇等元素。这意味着火星地壳并非单一结构，而是由不同年龄、不同成分的岩石构成。
中间“馅料”：分层的地幔
分析结果表明，纳克利特和夏西尼特陨石来自火星地幔的不同区域，这些区域的化学成分存在差异，表明火星地幔并非均匀混合，而是分层结构。
下层“面包”：活跃的地幔柱
研究人员还发现，火星内部存在着活跃的地幔柱，它们将来自深层地幔的物质向上输送，形成了独特的岩浆活动，并可能影响了火星表面的地质演化。
图3.
辉石岩和艾伦山84001陨石的
187
Os/
188
Os
比值与Δ33S之间的关系。硫同位素数据来自本研究中测量锇同位素所用样品的不同部分 (9, 39, 40)。年龄校正后的
187
Os/
188
Os
比值与Δ
33
S的关系图也显示出同样的负相关性，但由于一些研究陨石中铼元素的扰动，数据点更加分散。Mil 09XXXX指的是Mil 090030、Mil 090032和Mil 090136陨石。
图4.
模拟辉石岩和纯橄榄岩中的同化作用和分离结晶过程。图中仅显示了本研究中辉石岩和纯橄榄岩的数据，因为粉末样品均测量了
187
Os/
188
Os以及(A) Cr和(B) La/Yb。图 (A) 和 (B) 中的模型展示了辉石岩-纯橄榄岩原生幔源熔体（NC源，蓝色方块；Cr含量：2500 μg/g；Os含量：1.5 ng/g；
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Os/
188
Os：~0.125；La/Yb：8；La含量：3.8 μg/g）与洛杉矶陨石成分（[i] L；Cr含量：600 μg/g；Os含量：0.004 ng/g；
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Os/
188
Os：~0.74；La/Yb：2；La含量：2 μg/g）以及假设的约24亿年历史的高铼锇比地壳物质成分（C；Cr含量：500 μg/g；
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Os/
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Os：~2；La/Yb：1.6；La含量：1 μg/g）之间的混合过程，其中锇含量相对于NC源的比例分别为75（[ii]；Os含量：0.02 ng/g）和15（[iii]；Os含量：0.1 ng/g），以说明同化过程中产生的部分熔体中锇含量的影响。24亿年历史地壳物质成分的锇同位素组成代表了富集型辉橄无球粒陨石样品中预测的
187
Os的增长量，如(B)图中灰色方块所示。图中还显示了从NC源到含铬尖晶石的橄榄石堆积岩（Cr含量：>20,000 μg/g；Os含量：>3 ng/g）之间添加堆积物的影响。D和E分别代表了约2亿年至6亿年历史的贫化型和富集型玄武质辉橄无球粒陨石的成分。"NC" 来作为 "nakhlite-chassignite" 的缩写
“混血儿”陨石：记录岩浆活动
有趣的是，一些纳克利特陨石中还包含了少量来自古老地壳的物质。研究人员推测，这是由于岩浆在上升过程中，融化并混合了周围的古老地壳物质，形成了这些“混血儿”陨石。
火星演化的故事：从岩浆海洋到“三明治”
基于这项研究成果，科学家们勾勒出了火星演化的可能历程：
在火星形成的早期，它曾是一个炽热的岩浆海洋，随着时间的推移，重的元素下沉形成地核，轻的元素上浮形成地壳。
在地壳形成后，火星内部仍然活跃，地幔柱的活动将深部物质向上输送，形成了分层的地幔结构，并引发了持续的岩浆活动。
这些岩浆活动塑造了火星表面的地貌，并可能为早期生命的出现提供了条件。
图5.
辉石岩-纯橄榄岩与其他火星陨石及主要火星硅酸盐储层的关系示意图。图中显示了Tharsis负载导致岩石圈弯曲隆起的关系。下方地幔柱的冲击以及岩石圈-软流圈边界的小规模熔融可能导致地幔交代作用，而这种交代作用以及富含不相容元素的上地幔堆积物的熔融，可以解释富集型辉橄无球粒陨石的成因。贫化型辉橄无球粒陨石则需要贫化不相容元素的源区，并且很可能来自火星内部的地幔柱。富集型和贫化型辉橄无球粒陨石可能起源于火星上的相同区域，也可能来自不同的火山机构。辉石岩和纯橄榄岩侵入到了古老的、蚀变的、富集的地壳中，这些地壳没有经历明显的撞击污染，类似于NWA 7034/7533陨石。艾伦山84001陨石很可能是古老火星地壳中的侵入堆积岩。MiF S指的是与火星表面储层发生过相互作用的大气。
这项研究发现火星并非一颗“死寂”的星球，它拥有着复杂而活跃的内部结构，以及一段充满故事的演化历史。
论文信息：
James M. D. Day et al.
A heterogeneous mantle and crustal structure formed during the early differentiation of Mars. Sci. Adv. 10,eadn9830(2024). DOI:10.1126/sciadv.adn9830
参考文献
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