火星被认为是太阳系内最有可能孕育过生命的地外行星，是人类不懈地探索火星的最主要的动力。现有火星探测表明，火星早期很可能存在大面积的水体，甚至海洋，为生命演化提供了基本条件。大约30亿-35亿年前，火星已经转变成当前寒冷和干旱的气候。水（H2O）是揭示火星环境演变的关键线索，一直是火星探测的主旋律，也是火星科学的研究热点和前沿(Ehlmann et al., 2011; Jakosky, 2021)。通常认为，火星初始的氢同位素组成（δD～0‰）与地球相当，这些结果得到火星陨石实验室测试分析的支持(Hallis et al., 2012)。但是，火星大气与地球相比具有极其富氘的特征，δD可高达约7000‰(Webster et al., 2013)。如此高的δD值指示火星大气发生过强烈的水逃逸，进而导致火星表面水的氢同位素组成逐渐升高。因此，根据行星水演化的物理规律，火星大气的氢同位素组成可以直接反映火星表面水的逃逸比例，也就是说火星大气的D/H比值是火星表面水演变的关键指标(Donahue, 2001)。如果能够建立火星大气氢同位素组成随时间的演变轨迹，就有望建立火星古环境的演化格局。
中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室胡森研究员及其合作者围绕火星水演变这一科学问题，对一块13亿年前结晶形成的纯橄质火星陨石NWA 2737中的熔融包裹体、磷灰石、角闪石等开展了水、S和Cl含量，以及H和Cl同位素组成的原位分析。他们发现NWA 2737熔融包裹体具有极高的水含量，可达2.3wt%，具有明显的环带（图1），外高内低，且贫D（δD<1500‰）；相比，熔体包裹体内的角闪石具有较均一的水含量，但极其富D（δD高达6234‰）；粒间磷灰石介于熔体包裹体和角闪石之间（图2），水含量与氢同位素组成负相关，具有两种分布规律（图2）。熔体包裹体、角闪石和磷灰石具有基本相当的氯同位素组成。
图1 NWA 2737熔体包裹体玻璃的水含量与氢同位素组成剖面，边部富水贫氘，核部贫水富氘. Ol: 橄榄石，Kaer: 钛角闪石，Gl：熔体包裹体玻璃，Px，辉石，Tr：陨硫铁
图2 NWA 2737中熔体包裹体、角闪石、磷灰石、熔长石等的水含量与氢同位素组成及其相关性
根据这些新的研究结果，他们推测NWA 2737从形成到降落地球之间经历过至少两期水岩作用，一期水岩作用发生在结晶时期（～13亿年前），NWA 2737母岩浆侵入火星浅表时，可能导致了富氘的地下水或冰和富37Cl的盐类混入母岩浆，使角闪石、熔体包裹体、磷灰石都记录非常明显的火星浅表水储库的氢同位素和氯同位素组成（图3）。NWA 2737在1.6亿至1.9亿年前经历的强烈撞击事件(Bogard and Garrison, 2008)导致熔体包裹体丢失了结晶时的水分；之后，NWA 2737可能受到一期贫D水的水岩作用，形成熔体包裹体玻璃的水化环带（图1），这些贫D水可能来自火星岩浆去气作用（图3）。
图3 NWA 2737纯橄质火星陨石经历的多期次水岩作用示意图。13亿年前，NWA 2737母岩浆侵入火星浅表，导致地下水包括盐类混入母岩浆，使熔体包裹体中的角闪石记录富D和37Cl的同位素组成。NWA 2737在1.6亿年前，遭受了一次强烈的小行星撞击，导致熔体包裹体玻璃中的水发生严重丢失；该事件之后，推测后期岩浆去气形成的贫D水与NWA 2737发生了水岩反应，形成熔体包裹体的水化环带（图1）
火星陨石NWA 2737新的研究结果为揭示火星古环境演变提供了重要启示：火星大气13亿年以来，其氢同位素非常稳定（δD～6000‰；图4），指示火星大气13亿年以来并未发生明显逃逸，他们推测可能跟火星全球性的冰期有关(Head et al., 2003)。如果该猜想后续得到广泛证实，则需要重新思考火星大气逃逸导致的氢同位素分馏过程和机理。他们指出后续应该侧重从更古老火星样品中追寻火星大气的氢同位素信息，为构建45亿年以来火星表面水的演变格局提供关键证据和线索。
图4 火星大气氢同位素13亿年以来的演变模式。NWA 2737（13亿年）中最高的氢同位素组成与更年轻（<7亿年）的辉玻质火星陨石相当，指示火星大气的氢同位素组成在过去13亿年保持稳定
研究成果发表于国际学术期刊EPSL（Hu Sen*, Anand Mahesh, Frachi Ian, Zhao Xuchao, Stephant Alice, Bonifacie Magali, He Huicun, Yang Wei, Hao Jialong, Lin, Yangting. Multiple hydrothermal events at martian surface revealed by H and Cl isotope systematics of melt inclusions and hydrous minerals from chassignite NWA 2737. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 648: 119072. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.119072.）。研究受科技部重点研发计划（2022YFF0503202）、基金委面上项目（41973062）、国家留学基金委（201804910284）、我所重点部署项目（IGGCAS-201904和202204）等共同资助。