地化所在火星土壤—大气界面的卤素分布与迁移循环取得新进展

火星土壤是火星壳与火星大气相互作用的关键带，记录了火星表面复杂的地质环境过程。火星就位探测任务获得了火星不同着陆区中土壤、尘埃、沙丘、岩石等地质目标中的溴（Br）、氯（Cl）、硫（S）含量数据。但这些元素主要以什么形式存在，指示着怎样的环境演化过程，仍需进一步限定。

中科院地球化学研究所月球与行星科学中心赵宇鴳副研究员通过与美国、加拿大和斯里兰卡的学者开展合作研究，对火星三个着陆点（盖尔撞击坑，古谢夫撞击坑和子午线高原）的Br、Cl和S数据进行了统计分析，并将火星土壤中的Br、Cl分布趋势置于地球海水蒸发体系和火星模拟蒸发实验的框架内，以理解火星土壤中的Br、Cl行为及控制因素。

研究表明，地球海水蒸发体系中Br/Cl比值的变化主要受卤盐沉淀影响，Br在绝大部分卤盐沉淀时表现为在溶液中富集的倾向性。即使盐溶液中初始Br含量很高（死海）或酸性很强（火山湖；初始pH <0.1），蒸发过程中Br/Cl比值依然遵循海水蒸发趋势线。然而，当蒸发体系置于紫外辐照下，盐水和蒸发盐中Br和Cl会在蒸发过程中显著减少，且Br的丢失更为显著。这与地球上已发现的含极低溴（< 20 ppm）的氯化钠成因类似，Br通过光化学作用向大气挥发。而火星土壤中的Br、Cl分布模式与地球海水蒸发体系有相似特征，Br含量的波动可以通过卤盐与无（低）卤素组分（例如玄武岩相）混合得到。Br/Cl比值位于海水蒸发线左侧的样品，指示着Br向大气的挥发（图1）。

研究还发现，火星土壤中的Br、Cl、S不仅受区域水活动影响，还受土壤—大气相互作用的控制。在光化学作用下，火星表壤中Br相对于Cl和S优先挥发，形成活跃的Br氧化还原循环（图2）。在半干旱至极干旱的现代火星环境中，卤素的氧化还原循环比在地球表面更为显著，极大增强了火星表层的化学活性。

图1：火星土壤、地球海水蒸发体系及蒸发模拟实验框架中的卤素行为

图2：火星表面卤素地球化学循环示意图

本研究发表于Journal of Geophysical Research: Planets。论文第一作者为博士研究生王夕予，通讯作者为赵宇鴳副研究员。该成果得到了中科院行星科学先导B项目(XDB 41000000)，国家自然科学基金面上项目（No. 41673072），民用航空航天技术预研项目(No. D020102)，中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（No. IGGCAS-201905）及中科院西部之光项目的资助。

论文信息：Wang, X., Zhao, Y.-Y. S.*, Hood, D. R., Karunatillake, S., Laczniak, D., Schmidt, M. E., & Vithanage, M. (2021). Multiphase volatilization of halogens at the soil-atmosphere interface on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 126, e2021JE006929. https://doi.org/10.1029/2021JE006929

（月球中心 王夕予 赵宇鴳/供稿）