火星为什么是红色的？氯酸盐氧化作用揭示火星致色新机理 | MDPI Minerals

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数千年来，人类一直仰望天空，为浩渺的星空所着迷。火星，是人类进行太空探索，寻找地外生命最重要的研究对象。火星作为八大行星中紧邻地球的一颗类地行星，最具辨识度的就是那在肉眼可见的天体中独具一格的橘红色外表。Mars是罗马神话中的战神玛尔斯，而火星红色的外表常常让人们联想到血和战争，所以古罗马人把火星命名为Mars。在英语中，火星也通常被称为Red Planet。

图片来源：Pixabay

火星偏红的色调特征，主要是由于其表面分布着各种含Fe(III)氧化物或羟基氧化物的红棕色矿物所导致的。过去的研究已经揭示，赤铁矿是最稳定的Fe(III)氧化物矿物，溶解的Fe(II)可在O₂、紫外光线 (UV) 或者过氧化氢作用下形成亚稳态的Fe(III)氧化物和羟基氧化物前驱体。除此之外，美国华盛顿大学圣路易斯分校的Mitra教授通过研究发现，在火星条件下，存在一种新的氧化途径，即氯酸盐 (ClO₃^–) 可能氧化溶解的Fe(II)并产生含Fe(III)的矿物。由于火星上检测到的氯酸盐数量有限 (<~1wt.%)，因此其氧化能力决定了氯酸盐的氧化效率。

近日，Mitra教授等人进一步评估了与火星有关的流体中的氯酸盐氧化Fe(II)和所生成的Fe(III)矿物的化学计量系数，以确定由氯酸盐产生的不同铁氧化物与流体成分的关系，这项研究定量化揭示了氯酸盐 (ClO₃^–) 对Fe(II)的氧化能力，相关结果发表在Minerals期刊上，这一研究为探索火星的致色机理开辟了新的思路。

氯酸盐对Fe(II)的氧化能力

本次研究模拟了火星相关的环境中Fe(II)被氯酸盐氧化的动力学模型和厌氧条件下的矿物沉淀过程，结果表明，氯酸盐在与火星有关的流体系统中，理论上具有将Fe(II)完全氧化的能力。与Fe(II)反应之前，还原过程中产生的氯酸盐或中间体分解会降低其作为氧化剂的有效能力，实验人员设计的实验通过与溶解的Fe(II)的进行氧化反应来评估氯酸盐生成并沉淀Fe(II)矿物的能力。根据实验获得的数据，每个氯酸根离子都可以氧化六个溶解的Fe(II)离子。因此，预期存在于火星表面的任何氯酸盐都能够与Fe(II)反应，并提供强大的氧化能力。该模型可以用于模拟各种与火星有关的流体中的氯离子氧化Fe(II)过程。

图1. 溶解态Fe(II)浓度在不同Ph值条件下随时间变化曲线。

决定矿物种类的地球化学参数

流体成分，特别是主要阴离子的类型，很大程度会决定最终形成的矿物种类，比如，在富含氯化物的流体中，由氯酸铁氧化生成的是锂纤铁矿、针铁矿、磁铁矿、赤铁矿或这些矿物的混合物。溶液的pH值在确定生成矿物种类与比例方面也起着重要作用，高酸环境会抑制大量Fe(III)矿物的沉淀。而地球化学条件相似的系统中，当铁氧化速率不同时，也会形成不同的矿物，比如在过量氯酸盐环境下，高氧化速率会形成正方针铁矿，而降低氯酸盐浓度减弱反应速率则会生成纤铁矿。

图2. 火星上可能的Fe(II)氧化途径示意图。

结论与展望

作者在与火星有关的流体中研究了Fe(II)被氯酸盐氧化的实验效率。从中性到酸性pH的条件下，氯酸盐在氯化物和硫酸盐流体的环境中都可以表现出最大的理论氧化能力，最终形成的矿物种类受流体类型、pH值和Fe(II)氧化速率的控制。在火星表面普遍存在的氯酸盐，在过去和现在的火星中可能都是形成Fe(III)矿物的重要贡献者，它是这颗红色星球致色的关键一环。

Minerals (ISSN 2075-163X; IF 2.380) 是一个国际型开放获取期刊，于2010年创刊，目前由美国得克萨斯理工大学的Paul Sylvester教授担任主编。Minerals目前已被SCIE，Scopus等重要数据库收录，其研究范围涵盖但不限于天然矿物系统、矿产资源及勘探、矿物加工、矿物材料及其应用。期刊采用单盲高标准同行评审制，一审周期平均为18天，文章从接收到发表上线平均仅需3天。

原文出自Minerals期刊

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本文作者：Heather Wu

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