新的研究表明，火星的氛围在约35亿年前显著减少，可能被困在该行星富含粘土的地壳中。人们认为，火星上的水可能触发了反应，将二氧化碳从大气中提取出来，并转化为粘土矿物中的甲烷。
火星并不总是现在看起来的冰冷荒原。越来越多的证据表明，数十亿年前水曾在其表面流动。如果水存在，这意味着曾经有一个密集的氛围来防止这些水冻结。然而，在约35亿年前，水蒸发了，曾经丰富的大气中的二氧化碳显著减少，留下只有薄薄的氛围残留至今。
那么，火星的氛围发生了什么？这在火星4.6亿年的历史中一直是一个悬而未解的谜。
麻省理工学院的两位地质学家认为，答案可能在该行星的粘土中。在一项发表在《科学进展》上的研究中，他们建议，火星损失的大气中很大一部分可能存储在其覆盖粘土的地壳中。
研究人员认为，火星上水的存在可能使其渗透到特定的岩石类型中，启动了一系列逐渐的反应，将大气中的二氧化碳提取出来，转化为甲烷——一种可以在粘土中保存的碳的形式。
这个过程与地球上某些地区观察到的情况相似。该团队利用他们对地球上岩石-气体相互作用的理解，推测类似的过程可能发生在火星上。他们的发现表明，覆盖火星的粘土可能会捕获多达1.7 bar的二氧化碳，这可能占该行星原始大气的约80%。
研究人员推测，这些存储在火星上的碳在未来某天可能会被提取并转化为未来地球与火星之间任务的燃料。
“我们关于地球的研究表明，类似的机制可能在火星上起作用，使得大量的二氧化碳被转化为甲烷并存储在粘土中，”研究共同作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系的地质学教授奥利弗·雅古茨说。“这种甲烷可能仍然存在，甚至可能为未来在火星上的任务提供能量。”
该研究由麻省理工学院的最近毕业生约书亚·穆雷领导。
在褶皱中
雅古茨在麻省理工学院的团队旨在揭示雕塑地球岩石圈——坚硬的外层，包括地壳和上地幔的地质过程和相互作用，地壳和上地幔是构造板块的驻地。
2023年，他和穆雷集中于一种表面粘土矿物，称为膨润土，以其极佳的碳捕存能力而闻名。每一颗膨润土颗粒都包含许多褶皱，为碳在数十亿年间静静地存放提供了庇护所。他们证明，地球上的膨润土可能由构造过程形成，一旦暴露，这些粘土矿物可以吸收并存储来自大气的相当多的二氧化碳，从而导致数百万年的全球变冷。
在分享他们的发现后不久，雅古茨注意到一张火星表面地图，显示出大面积区域覆盖着类似的膨润土。那些粘土是否在火星上具有相似的碳捕获能力？如果是，那么它们可以存储多少碳？
“我们知道这个过程是发生的，并且在地球上是非常著名的。这些岩石和粘土在火星上也存在，”雅古茨指出。“所以我们旨在连接这些点。”
“每一个角落”
与地球不同的是，膨润土是由于大陆板块运动将深层岩石带到地表，而火星缺乏构造活动。该团队探讨了这些粘土可能在火星上形成的潜在方式，受到关于火星历史和组成的现有知识的指导。
火星的遥感数据暗示其某些部分的地壳可能包含超镁铁质火成岩，类似于那些通过在地球上风化过程生成膨润土的岩石。其他的地质模式与地球上的河流系统相似，暗示出水曾在此流动并与周围岩石相互作用的路径。
雅古茨和穆雷思考水是否可能与火星的深层超镁铁质岩石相互作用，导致现在看到的表面粘土的形成。他们根据火成岩与其周围环境相互作用的方式建立了一个简单的岩石化学模型。
他们将该模型应用于火星，在那里被认为地壳主要由富含橄榄石的火成岩组成。该模型用于预测如果在二氧化碳丰富的大气中存在水，富含橄榄石的岩石可能经历的转变。
“在火星的过去那个时代，我们假设二氧化碳在每一个角落都很普遍，水在饱和二氧化碳的岩石中渗透，”穆雷解释说。
在近十亿年的时间里，随着水通过地壳缓慢地与富含还原铁的橄榄石反应。水中的氧分子与铁结合，释放氢并形成氧化铁，这使火星呈现出独特的红色。这释放出的氢将与水中的二氧化碳结合形成甲烷。随着时间的推移，橄榄石将逐渐转变为另一种富含铁的岩石类型，称为蛇纹石，继续与水反应，产生膨润土。
“这些膨润土粘土具有非凡的碳存储能力，”穆雷评论道。“然后我们利用我们对这些矿物在地球粘土中存储有机化合物的知识，估算如果火星表面存在这么多粘土，潜在可以存储多少甲烷。”
他和雅古茨确定，如果火星被厚度为1100米的膨润土层包围，这些粘土可以封存大量的甲烷，相当于自从该行星干涸以来被认为损失的大多数二氧化碳。
“我们的发现表明，预计火星上全球的粘土数量足以解释火星初始二氧化碳作为有机化合物被封存于富含粘土的地壳中的重要部分，”穆雷解释说。“在某种程度上，火星失去的氛围可能就在我们面前。”
这项研究部分由国家科学基金会资助。
