火星杰泽罗陨石坑中氧化还原驱动的矿物与有机质关联研究

本文报道了毅力号火星车在杰泽罗陨石坑西部Neretva Vallis地区对Bright Angel组独特泥岩和砾岩的综合性地质、岩相与地球化学调查。研究发现该组有机碳质泥岩中含有亚毫米级结核和毫米级反应前沿，富含Fe2+磷酸盐（如vivianite）和硫化物（如greigite），这些特征与低温氧化还原反应相关。通过对比地球实验室与环境中的反应路径，研究者提出这些矿物-有机组合可能为潜在生物标志物（biosignatures），强调未来通过高灵敏度仪器分析返回样本对揭示其成因的关键意义。

outcrop-scale observations

Bright Angel组由约米尺度的岩块组成，这些岩块因露头风化破裂形成。雷达探测显示该组地层包含倾角达30°的雷达反射层，整体呈凹面向上或平卧状分布于Neretva Vallis河道内。以Beaver Falls工作区为例，该处可见厘米级红褐色至棕褐色易蚀层与更薄、抗风化较强的浅色层互层。此外，该组岩石表现出风蚀沟槽、块状构造、结节特征（如厘米级结节）以及被浅色矿化裂缝和脉体穿切的现象。Masonic Temple区域还发育了由磨圆至次棱角状毫米级至厘米级碎屑（内含泥岩基质）组成的贫分选砾岩。

petrographic relationships

尽管岩石结构多样，所有Bright Angel组岩石均含细粒组分（泥岩相）。颗粒直径≤30–110 μm，图像分辨率不足以区分黏土与粉砂比例。泥岩相呈红色、棕褐色或灰白色，可见光光谱显示Masonic Temple靶区富含Fe³⁺（呈红色），而Bright Angel靶区Fe³⁺较少（呈棕褐至灰白色）。近红外光谱显示1.92 μm吸收峰浅，表明岩石弱水合，可能含层状硅酸盐黏土或蛋白石质二氧化硅。钙硫酸盐（以bassanite为主）也被识别。

SHERLOC仪器通过拉曼光谱~1,600 cm⁻¹ G波段在Walhalla Glades、Cheyava Falls和Apollo Temple靶区检测到有机质，其中Apollo Temple信号最强，而Masonic Temple的Malgosa Crest靶区未检测到。PIXL元素分析显示泥岩富含SiO₂、Al₂O₃和FeO，贫MgO和MnO，衍射特性表明晶体域尺寸接近检测限（40–60 μm），无接触变质重结晶证据。橄榄石砂粒和Fe-Mg碳酸盐颗粒出现于Cheyava Falls和Steamboat Mountain靶区，为碎屑成因。

provenance and depositional environments

地球化学与光谱特征表明泥岩物源经历了化学风化和氧化作用，富集Si、Al和Fe³⁺，亏损Mg和Mn。与Western Fan沉积岩（无Fe-Mg分馏）相比，Bright Angel组形成于氧化环境。与Margin Unit接触处可见泥岩与橄榄石层互层，以及贫分选、富泥的橄榄石-碳酸盐岩性，指示Margin Unit物源再搬运。Masonic Temple的砾岩与泥岩交替反映水流速度变化，整体解释为水成沉积环境，包括悬浮沉降形成泥岩及高能流或碎屑流形成粗粒岩性。

nodules and reaction fronts

Bright Angel区域泥岩中广泛分布100–200 μm的黑色至蓝绿色“罂粟种子”状颗粒，PIXL分析显示其富集Fe、P和Zn，摩尔FeO:P比约3:2，衍射特性与周围泥岩一致，解释为微晶vivianite（Fe²⁺₃(PO₄)₂·8H₂O）或其氧化产物。这些结核未显示搬运分选迹象，为成岩自生结节。部分结核被厘米级钙硫酸盐结节包裹，后者又被后期矿化裂缝切穿，表明钙硫酸盐形成晚于磷酸盐。

Cheyava Falls靶区可见“豹斑”状特征：具暗色边缘和亮色核心的200 μm至1 mm斑点。反应边富Fe、P、Zn（磷酸盐矿物），核心富S、Fe、Ni、Zn（硫化物矿物）。Apollo Temple靶区一片非衍射区域显示Fe:S比约3:4，富集Zn、Ni、Cu，颜色呈棕黑色，解释为greigite（Fe³⁺₂Fe²⁺S₄）。相邻区域检测到jarosite（KFe³⁺₃(SO₄)₂(OH)₆）和siderite（FeCO₃）。

泥岩氧化状态（基于NIR/蓝光反射比）与vivianite+greigite估算丰度呈负相关：Apollo Temple有机质信号最强、氧化程度最低、富还原矿物；Malgosa Crest无有机质、氧化程度最高、贫还原矿物；Walhalla Glades和Cheyava Falls介于二者之间。

an exploration of reaction mechanisms

化学与沉积学数据表明，还原性铁和硫在氧化性铁磷沉积后生成、迁移并沉淀。磷酸盐初始吸附于Fe³⁺-Al-Si沉积颗粒，后在还原条件下重组为vivianite（封闭体系）。Zn富集符合铁-硫酸盐还原混合机制。

非生物假说考虑有机质驱动Fe³⁺还原溶解（温度10–80°C），或黄铁矿Fe³⁺(aq)氧化（需低pH，但无证据）。硫化物可能源自岩浆脱气（远端高温系统）或有机质还原硫酸盐（但低温<150–200°C时反应动力学抑制）。

生物路径类比地球淡水与海洋环境：微生物介导的Fe还原形成vivianite，硫酸盐还原形成greigite/pyrite/mackinawite，二者常共生。Zn等重金属通过硫化物-氧化循环稳定固定于vivianite。此类矿物为地球早期生命化学证据，可能为火星生命标志。反应前沿类似地球“还原晕”或“还原斑”，部分被认为具生物成因。

生物 scenario 下，氧化铁与硫酸盐作为终端电子受体消耗有机质，释放Fe²⁺（形成磷酸盐）与硫化物（形成硫化物）。结核区反应较早终止，反应前沿核心区Fe³⁺耗尽后启动硫酸盐还原。

综上，Bright Angel组特征符合“潜在生物标志物”定义，即需进一步数据区分生命与非生命成因。地质背景支持水沉积与宜居环境。未来需通过实验室模拟、野外类比及火星样本返回（如Sapphire Canyon岩芯）深入解析其形成机制。