火星是深空探測的熱點。人類不懈地探索火星，最主要的動力是期盼發(fā)現地球以外的生命，其基本邏輯是，火星表面的許多地形地貌特征，指示曾經有過水流，因而具有支持和孕育生命的基本條件。除了地形地貌特征之外，在火星上還探測到硫酸鹽和碳酸鹽等可能從水體中沉淀形成的蒸發(fā)鹽類礦物，以及粘土等次生礦物。這些發(fā)現都進一步證明火星上確實存在過液態(tài)水。但是，現在的火星表面不存在液態(tài)水。不僅如此，還有一些研究認為，自30億年前甚至更早以來，火星表面就已經變成現在這樣極度寒冷和干旱。事實是否果真如此呢？人類開展了多方面的探索研究，除了代價高昂的深空探測之外，研究火星的另一條有效途徑是在實驗室對來自火星的樣品（火星隕石）進行各種精細的分析測試。
中國科學院地質與地球物理研究所比較行星學學科組博士后胡森與合作導師林楊挺研究員等人借助該所的納米離子探針，對在南極格羅夫山發(fā)現的兩塊火星隕石之一的GRV 020090火星隕石中的巖漿包裹體和磷灰石的水含量和H同位素組成進行分析。研究發(fā)現，該樣品巖漿包裹體的水含量和H同位素具有非常好的對數相關性（圖1），指示火星大氣水交換的結果，從而推斷火星大氣的H同位素組成為5860±150‰，與美國“好奇號”火星探測器對火星土壤水最新的探測結果一致。此外，這些巖漿包裹體的水含量和D/H比值非常不均勻，二者都從中央向外逐漸升高（圖2），表明這些水是由外部通過擴散進入冷卻后的巖漿包裹體。因此，該研究表明這是火星大氣水而不是巖漿水，這是首次發(fā)現火星存在大氣降水的同位素證據。通過對水在這些巖漿包裹體中的擴散模擬，可進一步對液態(tài)水存在的最長時間進行估算。結果表明，在0℃的條件下，液態(tài)水最長可存在13萬-25萬年左右，如果溫度升高到40℃，則時間縮短至700-1500年。這表明GRV 020090火星隕石的巖漿上侵至火星近表面時，其熱量熔化了周圍的凍土層，形成了一個區(qū)域性的、有限時間的地下熱水體系。同時，由于所測得的D/H比值遠高于之前報導的結果，表明有更多的水逃離了火星，意味著火星早期曾經有過更深的海洋。對GRV 020090火星隕石中磷灰石的分析結果，發(fā)現水含量和H同位素呈正相關（圖1），指示了水在殘留巖漿中由于無水礦物的結晶而不斷富集，以及巖漿在上升過程中含水火星殼源物質的加入。采用最早結晶的磷灰石的水含量進行估算，得到火星幔的水含量僅約為38-45ppm，與地球的地幔相比具有明顯貧水的特征。
該研究結果近期發(fā)表于國際地球化學領域期刊Geochimica et Cosmochimica Acta（Hu et al. NanoSIMS Analyses of Apatite and Melt Inclusions in the GRV 020090 Martian Meteorite: Hydrogen Isotope Evidence for Recent Past Underground Hydrothermal Activity on Mars. Geochimica et CosmochimicaActa, 2014, 140: 321-333）。
圖1 GRV 020090火星隕石磷輝石（Apatite）和巖漿包裹體（Magmatic inclusions）的水含量和H同位素的相關性
圖2 GRV 020090火星隕石巖漿包裹體的水含量和H同位素剖面。GRV 020090中的巖漿包裹體具有明顯的水含量和H同位素環(huán)帶，邊部富水，核部貧水，表明經歷了后期的水化過程。根據H擴散系數計算，液態(tài)水持續(xù)的時間約0.15 Ma。
