北京
硫是记录火星地质演化过程中硫循环的关键示踪元素。长期以来，火星探测任务在各类岩石与土壤中识别出的含硫物质，多以氧化态的硫酸盐为主，还原态的硫化物仅作为微量组分存在，而处于中间氧化态的单质硫（S0）始终未被证实。地球上的单质硫通常形成于高温火山或热液环境，或低温微生物还原过程，但火星盖尔陨石坑内并无活跃火山活动痕迹，也缺乏确凿的生物活动证据。那么，这些单质硫究竟从何而来？这一发现对理解火星晚期地质演化提出了新的基础科学问题。
近日，圣路易斯华盛顿大学Scott J. VanBommel联合NASA团队，在Science发表封面论文，利用“好奇号”火星车的原位探测数据，首次确认了盖尔陨石坑内Gediz Vallis（图1）中存在原位形成的天然单质硫沉积。研究团队通过系统排除地下水还原、撞击熔融与高温热液等假说，提出了一套全新的岩浆挥发分-地下冰封闭-减压出溶多过程耦合的成矿模型，为火星低温环境下的硫循环研究开启了新视角。
图1 Gediz Vallis谷底的上坡视角图
Gediz Vallis位于盖尔陨石坑中心夏普山山麓，是一条切入富集硫酸盐沉积地层的蛇形峡谷（图1）。研究团队利用火星车搭载的α粒子X射线能谱仪（APXS）对5块浅色岩石开展了原位分析，结果发现X射线荧光光谱中硫元素信号占据绝对主导，且弹性与非弹性散射X射线相对强度符合单质硫而非硫酸盐或其他硫氧化物的特征（图2）。同时，样品中缺乏火星硫酸盐中常见的钙、镁、钾、铁等阳离子（图2）。
图2 Gediz Vallis浅色石块APXS光谱分析。（A-B）以硫元素为主要成分的APXS光谱；（C）代表性APXS分析区域；（D）多点分析显示X射线散射强度梯度符合单质硫特征
更关键的是，当火星车轮子无意间压碎其中一块岩石后，裸露的新鲜断面呈现出树脂光泽与半透明淡黄色（图3），这正是天然形成的单质硫的典型宏观特征。结合高分辨率手持透镜成像仪（MAHLI）数据，研究团队确认这些石块几乎由100%的单质硫组成，仅表面覆盖少量玄武质沙尘颗粒（图2，图3）。
图3盖尔陨石坑中浅色天然单质硫的近距离照片
这一发现挑战了传统的火星硫循环认知。首先，地下水或卤水中的硫酸盐还原需要大量有机碳或一氧化碳作为还原剂，但盖尔陨石坑大气与岩石中还原碳丰度极低，且沉积地层未见大规模还原蚀变痕迹。其次，撞击熔融需温度>1460°C才能从硫酸盐沉积中释放SO2，但区域内无对应规模撞击坑，岩石也未见高温冲击变质证据。此外，高温岩浆热液虽可形成富硫流体，但Gediz Vallis及周边缺乏高温蚀变矿物，且单质硫磺质地脆弱，难以从远处高温源区完整搬运至此。最终，研究团队提出了一套与火星低温环境高度自洽的成矿模型，即岩浆挥发分-地下冰封闭-减压出溶的耦合过程。约31-28亿年前的晚西方纪至早亚马逊纪，盖尔陨石坑深部岩浆活动释放的S-O-H挥发分上升至近地表低温冻土带，被地下冰封闭形成含硫笼形物。随后，Gediz Vallis的长期侵蚀作用剥蚀了上覆沉积层，导致笼形物减压分解，释放出S-O-H蒸气。蒸气通过氧化还原反应（2H2S + SO2 → 2H2O + 3S0）在冰腔中沉淀出单质硫，冰的包裹作用还保护其免受尘埃污染，形成了观察到的近球形颗粒与后期压实的结构（图3）。
这项研究的科学价值远超单一矿物发现。首先，它证明火星低温地表下存在一条此前被忽视的非生物硫还原路径，拓展了火星硫循环的链条。其次，天然单质硫的保存需要长期低温、避光、无强氧化剂的环境，为研究火星古环境提供了新的记录靶区。最后，该模型可推广至火星其他含硫区域，为解释火星全球硫分布提供了新机制。
主要参考文献
VanBommel S J, Berger J A, King P L, et al. A native sulfur deposit in Gale crater, Mars[J]. Science, 2026, 393(6813): 820-825. (原文链接)
（撰稿：申建勋/地球与行星物理学科中心）
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