火星类比区——在地球上寻找类似火星的地方(中)

王世杰 赵宇鴳

火星在它诞生之初的约8亿年里（诺亚纪），是一个充满活力、急剧变化着的星球：炙热的岩浆洋逐渐冷却，分化出壳-幔-核；外来的撞击强烈而密集；在一次或几次大型的撞击之后，火星南高北低的全球两分地势格局形成；以太阳系最高的火山奥林帕斯山为代表的萨希思大火山省在诺亚纪的晚期开始活动。

这个时期火星表面的水持续活动着，形成了我们现在看到的各种河谷网络和沉积岩记录。火星内部的地磁发动机在前5亿年里经历了从活动到停滞的全过程，之后，火星失去了地磁场的保护，也失去了它原生的大气。如果火星曾经出现生命，最有可能就是在这个时期。所以要类比这个时期的火星，科学家们寻找存在水-岩石-生物相互作用的地区，还有存在地球早期生命遗迹的地方。

美国的黄石国家公园的热泉环境，可以类比火星的水热环境、早期生命保存、嗜热微生物垫、硅华、富蛋白石的土壤、铁沉积物等等。黄石公园还有通过光能和化学能自我供养的多种微生物群落。西班牙的力拓河，有火山活动形成的世界上最大规模的硫沉积，在地表水的作用下，生成了富硫酸盐的强酸性水环境，与机遇号火星车在子午线平原发现的沉积环境可能非常类似。对力拓河流域存在的硫酸盐和氧化物等矿物类型的研究，帮助科学家理解火星子午线平原的沉积物矿物类型和它们的成因。科学家们还对流域内微生物群落开展研究，以了解强酸性条件下的微生物群落特性。同时，还在这里开展了探测器模拟采样的实验。加拿大的帕维湖湖底，保存着许多微生物石，属于叠层石的一种，这里为研究淡水微生物群落和保存提供了理想的场所。墨西哥的龙舌兰洞穴与我们通常见到的喀斯特洞穴不同，洞内的石笋、石柱等等都是以硫和硫酸盐形式存在的，而非碳酸盐类的钟乳石。洞里生活着许多用硫呼吸的微生物群落。火星与地球一个很大的区别，是火星表面环境是以硫为主的，而地球表面环境是以碳为主的。像龙舌兰洞穴这样以硫为主的洞穴，是对火星地表下环境的有趣想象。火星有没有类似这样的洞穴？洞穴里会不会生存着用硫呼吸的微生物？

在诺亚纪结束后的7亿年里，火星进入演化的中期（西方纪）：火星地质活动开始减弱，开始变冷，但萨希思大火山省和位于平原的火山仍然持续活动，直到这个时期的尾声。大量的外流河道出现并发展。从全球来看，河流将南半球剥蚀形成的碎屑物和沉积物填充到北部低地。类比这个时期的火星，主要是冰川和水，冰川与火山的相互作用，冰川下埋藏的冰湖，以及生存在这些环境中的生命等等。在地球上，南极、冰岛，还有位于加拿大北极圈内的阿克塞尔海伯格岛等等都是著名的类比区。这里我们主要介紹南极和冰岛。

南极既可以类比现代火星，也是中期火星的绝佳类比区。南极冰川的季节性消融，可以帮助科学家了解冰冻环境中冰川短时间溶解对盐富集的作用，这可能是火星表面盐聚集的一个重要方式。位于泰勒冰川和波尼湖交界的“血瀑布”，因白色的冰川上持续流出红色的水而得名。原来泰勒冰川下埋藏着另一个湖，与波尼湖并不相连。湖水水温很低，没有光照、没有氧、盐度很高，富含二价铁。当湖水间歇性的穿透冰川暴露在空气中，二价铁被氧化成三价铁，就显出了血红色。更让人惊奇的是，湖水中存在着约17种不同的微生物，它们不依靠光合作用，而是有效的利用湖水中所含的盐类和极少量的有机物来为自身提供能量，这种呼吸方式在地球上非常罕见。科学家还在这里测试钻取湖水而不污染水样的方法。

类似这种被冰川埋藏在深处的湖泊，被称为冰下湖。今年欧空局的科学家们报道了“火星快车”用雷达探测到火星南极冰盖下约1.5公里处，可能存在冰下湖的证据，引起热议。当然这个发现还需要被其他探测器进一步核实。而在地球的南极冰盖下，目前已知的冰下湖约有400个，其中许多也是被可以穿透冰层的雷达发现的。最大最著名的是沃斯托克湖，位于冰下4公里。科学家们在这个湖上层的冰盖上建立了研究站，通过钻取冰芯研究极限环境的微生物和环境演化历史。这些位于冰川深部的水，是如何保持液态的呢？冰层的压力和保温效应，可以使冰层的深部部分融化为液态；如果是源自海水的原有液态水，盐分也有助于降低湖水的冰点。根据估算，火星冰层下原有的液态水，可以在600米以下的位置稳定存在，无需额外热源；地热融化冰层的深度，需要达到约4-6公里深，这与火星北极冰盖的厚度相当。

冰烟囱是南极另一个有趣的火星类比奇观。在南极罗斯岛的埃里伯斯峰，许多的冰烟囱在冰雪覆盖的大地上吐着热气。冰烟囱是由活火山散发的热气在冰雪覆盖的地表上作用形成的。冰烟囱的外层是寒冷干燥的空气，而内部却是温暖湿润的环境；冰层还有效阻挡了紫外线，使烟囱内的环境更温和更宜居。虽然目前在火星表面还没有直接观察到冰烟囱，但类似这样温暖湿润的被埋藏的通道，却被认为是可能存在的。（编辑/高纬时）