有機物是生命産生的物質基礎，所有的生命體都含有有機化合物。水岩相互作用可形成有機物，豐富礦物種類，影響行星的宜居性。探測器在火星表面古老岩石中發現了複雜的有機物，并在現代火星大氣中發現了甲烷。目前還不清楚是什麼過程産生了這些有機物和甲烷。火星隕石Allan Hills 84001 (簡稱ALH84001)的結晶年齡約為40.9億年（Lapen et al.,2010），形成于火星的諾亞紀時期（Noachian），是最古老的火星岩石之一，也是了解火星早期行星過程的窗口。火星岩石中記錄的早期行星過程在地球上也可能發生。ALH84001 隕石主要由斜方輝石（～95%）和少量碳酸鹽（～5%）組成。碳酸鹽可能與39億年前火星上的流體活動（水岩反應）相關（Borg et al.,1999）。ALH84001隕石中還發現了有機碳和含氮有機化合物（Koike et al.,2020）。關于這些有機物的來源和形成機制的假設包括：撞擊相關、岩漿成因、熱液過程、生物成因和地球物質污染。

針對火星上有機物來源與形成機制的争議，美國卡内基科學研究所的學者Steele與合作者對ALH84001火星隕石中蛇紋石-滑石和碳酸鹽進行了聚焦離子束（FIB）取樣，制備了三個超薄樣品，通過透射電子顯微鏡、同步輻射光譜分析和納米離子探針等方法開展了納米結構和碳-氫同位素分析，限定了有機物的組成與分布（圖1）。

圖1 蛇紋石化區域的FIB切片(A)與分析結果(B-K ). (B-C) 高角度環形暗場（HAADF）像顯示斜方輝石裂隙中填充了纖維狀礦物; (D) MgO-SiO₂-FeO三元圖解顯示不同區域蛇紋石的成分; (E) 圖B區域1中微晶的高分辨圖像，表明其為片狀矽酸鹽，其傅裡葉快速變換圖如F所示; (G-H) 圖C中區域3的TEM圖像與其衍射圖; (I) 不同區域均獲得了碳的譜峰(掃描透射X射線顯微鏡分析結果)，表明存在芳香族有機碳(峰值為 284.9 eV)和有機氧官能團(包括羰基, 286.5 eV, 羧基, 288.5 eV和無機碳酸鹽, 290.4 eV)，星号标示的譜峰可能由脂肪族或酰胺基有機基團官能團造成(譜3); (J)區域B與C的¹²C同位素的豐度圖(碳-氫同位素為NanoSIMS分析結果); (K) 區域B與C的氫同位素分布圖，顯示富碳區域相對更富集重氫(δD值為790 ± 140 ‰), 高于地球樣品，但與火星地殼水一緻(δD值為700-2700 ‰)（Steele et al., 2022）

研究結果用以探讨火星岩石早期水岩反應過程及其與有機物的成因聯系，對火星上有機物的來源、形成機制以及火星的宜居性具有一定的啟示。

（1）有機物的來源。ALH84001隕石中斜方輝石邊部的礦物組合（非晶質二氧化矽、滑石、磁鐵礦和富含Fe-Mg-Ca的碳酸鹽）與地球上經曆了蛇紋石化和碳酸鹽化蝕變的岩石類似，表明早期火星上也發生了類似的蝕變過程。然而，蝕變形成的碳酸鹽、非晶質矽酸鹽和其他矽酸鹽相所占比例較少，表明火星岩石的水岩反應并不十分活躍。重要的是，究竟是什麼地質事件引起了火星岩石的蝕變？以往研究表明ALH84001樣品可能經曆多期流體交代。類比地球上蛇紋岩的形成，蝕變過程受岩石成分、溫度、壓力、pH值、SiO₂活性、陰離子和陽離子濃度、氧化還原條件及水的活度和CO₂逸度等多種元素控制。因此，ALH84001樣品中的流體成分、形成條件，滑石、碳酸鹽和有機物的準确形成時間和機制目前難以限定。但是，蝕變礦物與有機物的密切共生表明蛇紋石化和碳酸鹽化蝕變作用是ALH84001樣品中有機物的來源（圖1）。結合碳酸鹽化蝕變的形成時代（39-40億年，Borg et al.,1999），Steele等推斷斜方輝石的蛇紋石化和碳酸鹽化作用可能形成了火星早期的有機碳。

（2）有機物的形成機制。蛇紋石化是一種非生物有機合成機制。玄武質岩石與流體反應可生成蛇紋石、磁鐵礦和氫氣，該反應産生的氫氣可将CO₂還原為甲烷、CO和有機物，例如甲酸和甲醛。CO和H還可以進一步反應生成烷烴和其他有機分子，包括含氮有機物。ALH84001樣品中有機物與磁鐵礦共存于蛇紋石和碳酸鹽的礦物組合中（圖1），表明蛇紋石化和碳酸鹽化反應是形成有機化合物的重要過程。值得注意的是，在不發育蛇紋石-滑石化和碳酸鹽化的裂隙中并未檢測到有機物。由此推斷，ALH84001隕石樣品中的有機物與水岩反應密切相關。

（3）火星宜居性的指示。上述發現表明火星上發生了蛇紋石化和碳酸鹽化反應，與火星衛星觀測到的蛇紋石區域吻合，也與Nakhla火星隕石的研究認識一緻。ALH84001岩石中有機物的生成類似于地球岩石的水岩反應過程，蛇紋石和碳酸鹽通過含CO₂的流體交代鎂鐵質岩石而成，從含CO₂的流體中産生芳香族、脂肪族、羰基、羧基和碳酸鹽物質。有機物與蛇紋石-碳酸鹽礦物的相關性表明這些有機物都是非生物成因。有意思的是，40億年前形成的ALH84001岩石與6億年形成的Tissint隕石具有相似的有機物特征。這表明火星在大部分曆史中都存在非生物成因有機物的合成反應。在地球上，超鎂鐵岩的水岩反應主導了非生物有機物的合成、甲烷的生成和礦物的多樣性。在火星上，這種反應可能與其居住性密切相關，并可以解釋大氣中甲烷的來源。

（緻謝：感謝谷立新高級工程師完善了分析方法與研究結論，袁方林博士研究生進行了文字校對。）

主要參考文獻

Borg L E, Connelly J N, Nyquist L E, et al. The age of the carbonates in Martian meteorite ALH84001[J]. Science, 1999, 286(5437): 90-94.

Lapen T J, Righter M, Brandon A D, et al. A younger age for ALH84001 and its geochemical link to shergottite sources in Mars[J]. Science, 2010, 328(5976): 347-351.

Koike M, Nakada R, Kajitani I, et al. In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-7.

Steele A, Benning L G, Wirth R, et al. Organic synthesis associated with serpentinization and carbonation on early Mars[J]. Science, 2022, 375(6577): 172-177.

撰稿：毛亞晶/礦産室

美編：陳菲菲

校對：萬鵬

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