火星被科学家称为“行星胚胎”或“袖珍地球”,因其可能携带太阳系早期演化和生命起源的关键信息,成为近年来太空探测的重点。硫起源、分布和含量是火星基础研究中的关键科学问题。从上世纪七八十年代研究火星陨石和火星探测开始至今,绝大多数科学家认为火星是富含硫的行星,火星核、幔、壳都富含硫 (Dreibus and Wänke, 1985; King and McLennan, 2010; Wänke and Dreibus, 1988)。其主要依据是:(1)火星探测指示火星表面富含硫酸盐;(2)火星陨石具有高于地球大洋玄武岩的硫含量,预示火星幔含有高硫含量;(3)不同的火星增生模型估计火星核含有10-16%的硫;(4)地球物理数据指示火星核的密度比纯铁低22-25%,意味着火星核可能存在大量轻元素,推测是硫。约束火星核和幔的硫含量对认识火星形成和演化等诸多方面都具有举足轻重的作用,比如火星核硫含量的高低会影响核密度和物理化学状态、内外核分异演化历史 (Stewart et al., 2007)、火星早期磁场形成和消失、核幔分异过程 (Stevenson, 2001) 以及火星表面环境的宜居性等。
近年来,通过对火星陨石中主量元素和亲铜元素的系统研究,关于火星内部硫含量取得一系列重要进展。不同类型火星陨石中的亲铜元素的分异,表明形成于不同地质历史时期的火星陨石的母岩浆均具有硫化物不饱和的演化历史,据此准确限定了火星幔的S含量为360±120 ppm,远低于以前估计的1000-3000 ppm (Wang and Becker, 2017)。中国科学家采用NanoSIMS对火星陨石中熔体包裹体获得的S含量也支持火星幔并不富含硫,甚至局部地区还极度亏损硫 (Hu et al., 2020)。火星幔的硫含量与地球相当,或略高于地幔的结论也得到的最新研究结果的确定 (Paquet et al., 2021)。核幔分异指示火星核可能只有百分之几的S含量,远低于以前广泛认为的10-25 wt.% S。火星内部不富含硫的认识也与挥发性接近元素(例如Zn)得出的结果类似 (Wang and Becker, 2017; Yoshizaki and McDonough, 2020)。火星内部不富含S的结果意味着我们需要进一步约束火星核的密度以及重新审视火星核演化的模型。不过,Insight Mission 的初步地球物理数据表明,火星核的密度低于纯铁,意味着火星和需要大量轻元素 (
https://www.nature.com/articles/s41561-020-0547-8)。因此,火星核这些轻的元素是否全是硫,还是有大量其他轻的元素还值得深入探索。本报告讲综述火星各圈层硫的硫可能含量及其意义。
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