行星火山活动的历史包含在其岩石中。火星的岩石——或者至少是许多从火星到地球的陨石——正在讲述一个矛盾的故事。它们似乎被高度氧化，但我们对火星内部火山力的理解意味着它们应该是在还原环境中形成的——这与岩石本身的化学成分所表明的完全相反。现在，爱媛大学行星科学家 Hideharu Kuwahara 和 Ryoichi Nakada 在《地球物理研究杂志：固体地球》上发表的一篇新论文提供了原因的答案 – 它涉及宝石。
这并不是说珠宝商会镶嵌在戒指上的宝石类型。但多数石榴石（一种仅在行星地幔深处的巨大压力和高温下形成的石榴石）似乎是产生矛盾的岩石信号的原因。但为了理解其中的原因，首先让我们仔细看看火星地质学的历史。
当地球在四亿五亿年前首次形成时，它的重金属被拉到中心并形成了一个富含铁的核心，类似于地球的核心。当存在纯金属（例如行星核心）时，化学反应通常会立即剥夺氧气，从而形成所谓的还原环境。最近，美国宇航局的洞察号任务还证实了地核正上方有一个 150 公里深的熔融硅酸盐岩层，即我们通常所说的“地幔”。由于它是在如此高含量的纯金属存在下形成的，因此它也应该被极度还原。然而，来自陨石和火星地壳样本的证据表明它们被极度氧化。
描述火星内部的视频。图片来源 – 海洋科学研究所 – CSIC YouTube 频道
这是研究人员着手解决的核心矛盾，他们怀疑大多数人可能都参与其中。在火星上，它是在地幔底部形成的，就在严重还原的核心上方，压力约为 18 吉帕斯卡，即海平面大气压的 180,000 倍。因此，为了了解这种晶体在这些条件下的表现，作者必须将其置于相同的环境中。
为此，他们使用了一台大型液压机，将人造火星岩石挤压在微小金刚石胶囊内的碳化钨块之间。由于岩石是由硅酸盐组成的，因此在极高的压力和温度下它们会形成多数石（一种硅酸盐晶体）。因此，他们还将系统的温度提高到约 2,150 至 2,200 摄氏度，并用金属铁使其饱和，以试图模拟地核附近的“还原”条件。
一旦样品被充分加热和加压，研究人员就让它们冷却，然后将它们带到约 250 公里外的 SPring-8 同步加速器设施。在同步加速器内，样品被 X 射线照射，以探索铁如何与在高温和高压下形成的矿物颗粒结合。
弗雷泽和帕梅拉讨论了洞察号的发现以及火星地震的工作原理。
根据该论文，大多数铁矿的作用几乎就像一块铁海绵，将大量的氧化三价铁直接聚集到其晶体结构中。锁定在多数石晶体内的铁有 11% 到 21% 被氧化，这个比例比实验期间形成的周围硅酸盐要高得多。这就是矛盾的答案。
当火星内部开始结晶时，大部分矿物开始从周围的熔岩中沉淀出来。然后它捕获了一些原本会溶解在还原基底层中的三价铁。最终，行星地幔的持续运动会迫使那些富含多数镁石的岩石靠近地表，有时会在奥林匹斯山等火山爆发时将氧化的火山岩喷到地表，甚至喷到太空本身。
这项研究也对地球自身的内部运作产生影响。由于地球的直径约为火星的两倍，因此它有一个更深的地幔，这使得一种称为桥锰矿的不同矿物在其靠近核心的下游占据主导地位。科学家们已经知道，桥锰矿可以容纳大量的铁，甚至比镁铁矿还要多，因此地球的深层地幔具有明显的化学分层。然而，随着地幔上升，桥锰矿被迫转变为镁铁矿，从而将一些三价铁释放到周围的岩石中，从本质上氧化地幔的过渡区。
最终，本文将我们在陨石中看到的化学特征与晶体在熔融金属存在的压力下如何反应联系在一起。虽然这两者似乎没有直接关系，但一种仅在岩石行星地幔深处形成的宝石提供了可以持续数十亿年的联系。
了解更多：
EurekAlert / 爱媛大学 – 地球和火星深层岩浆海中含三价铁的多数铁矿的结晶
H. Kuwahara 和 R. Nakada – 在 18 GPa 下与还原熔体共存的多数铁矿的三价铁含量：对火星和地球地幔氧逸度的影响
UT – 火星表面下可能有巨大的岩浆系统
UT – 火星上有一个巨大的岩浆羽流，使地表膨胀到广阔的区域
