北京
火星的岩石，或者说那些从火星一路飞到地球的陨石，一直在讲一个自相矛盾的故事。它们的化学组成显示，这些岩石处于高度氧化的状态；可按照我们对火星内部火山活动的理解，它们本该在还原环境中形成——还原和氧化，恰好是相反的两件事。岩石自己给出的信号，和它应该出身的环境，对不上。
来自爱媛大学的行星科学家桑原秀治（Hideharu Kuwahara）与中田亮一（Ryoichi Nakada）在《地球物理研究杂志：固体地球》上发表的新论文，给出了一个可能的解释。答案牵涉到一种宝石——不过不是珠宝匠会镶进戒指里的那种。它叫镁铁榴石（majorite），是一种石榴石，只在行星地幔深处极高的压力和温度下形成。
要理解它为什么能解释这个矛盾，得先看看火星的地质史。火星形成时，重金属被拉向中心，形成一个富铁的核心，这一点和地球类似。在纯金属，比如行星核心存在的情况下，化学反应通常会立刻夺走氧，造出所谓的还原环境。美国宇航局的InSight任务还确认，火星核心正上方有一层熔融硅酸盐岩石，也就是我们通常说的“地幔”。既然它是在大量纯金属身边形成的，按理说也应该极度还原。然而陨石和火星地壳样本给出的证据都显示，它们极度氧化。
这就是研究人员想要解开的中心矛盾，他们怀疑镁铁榴石牵涉其中。在火星上，这种矿物在地幔底部、紧贴强还原性核心的上方形成，压力约为18吉帕斯卡，相当于海平面大气压的18万倍。要看清这种晶体在那种条件下如何表现，就得把它放进同样的环境里。
他们动用了一台大型液压机，把合成的火星岩石夹在碳化钨压砧之间，再封进微小的金刚石胶囊里。由于这些岩石由硅酸盐构成，在极高压和极高温下会形成镁铁榴石这种硅酸盐晶体。研究人员还把系统温度升到约2150至2200摄氏度，并用金属铁使其饱和，以模拟行星核心附近的还原条件。
样品被充分加热加压后，研究人员让它们冷却，随后送到约250公里外的SPring-8同步辐射装置。在同步辐射装置里，样品被X射线轰击，用来探查铁是如何结合进那些在高温高压下形成的矿物颗粒中的。
论文显示，镁铁榴石几乎像一块铁海绵，把大量氧化态的三价铁直接收进自己的晶体结构。锁在镁铁榴石晶体里的铁，有11%到21%被氧化，这个比例远高于实验中同时形成的周围硅酸盐。矛盾的答案就在这里。
随着火星内部开始结晶，镁铁榴石从周围的熔融岩石中析出，捕获了一部分原本会溶解在还原性玄武岩层里的三价铁。最终，地幔的持续运动把这些富含镁铁榴石的岩石推向更靠近地表的位置，有时把氧化过的火山岩喷到表面。
这项研究对地球内部的运作也有启示。地球直径约为火星的两倍，地幔深得多，因此靠近核心的下部由另一种叫布里奇曼石（bridgmanite）的矿物主导。科学家已经知道，布里奇曼石能容纳大量铁，甚至比镁铁榴石更多，所以地球深部地幔在化学上呈现明显的分层。不过，当地幔物质上升时，布里奇曼石被迫转变为镁铁榴石，从而把一部分三价铁释放到周围岩石中，相当于从下方氧化了地幔的那个过渡带。
这项研究把陨石中看到的化学特征，与晶体在压力下、在熔融金属存在时的反应联系了起来。这两件事看起来并不直接相关，但一种只在岩质行星地幔深处形成的宝石，提供了一条能延续数十亿年的线索。
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