通过撞击坑计数可知，火星表面大部分区域的年龄超过30亿年，但我们在地球上拥有的火星碎片却讲述了另一个故事。火星陨石的三大类别——玄武岩质陨石（shergottites）、纳克赖特（nakhlites）和查西尼岩（chassignites）——都是24亿年或更年轻。此前，人类已知的真正古老火星陨石只有两块：在南极洲发现的艾伦山84001号，以及来自西北非洲、被称为"黑美人"的杂乱岩石。现在，科学家又发现了第三块。
由美国国家航空航天局喷气推进实验室行星科学家刘洋领导的团队证实，一块名为Teghaza 001的火星陨石——于2022年在马里的撒哈拉沙漠中被发现——形成于至少41亿年前。"它非常古老，与地球上一些最古老的岩石相似，"刘洋说。
一份经过筛选的收藏
"我们还不完全理解为什么古老的火星岩石在地球上如此稀少，"刘洋说。部分答案可能在于一块火星碎片如何到达地球。只有大型撞击才能将岩石从火星表面抛射出去，而不是所有岩石都能承受住这个过程。"如果撞击击中的是松散的粉末，它可能无法被压实成岩石并脱离火星引力飞出，"刘洋说。"所以自然撞击本身就起到了一种过滤作用。脆弱的岩石无法离开火星。"
这就给科学家留下了一份存在偏差的样本收藏。
"即便到今天，我们收集到的火星陨石中，没有一块与我们在火星表面探测到的物质相似，"刘洋说。部分例外是"黑美人"，它的整体化学成分与轨道测量结果相符。但"黑美人"是土壤与大量细小岩石碎片的混合物。而Teghaza 001则是一块完整的单一火成岩。
Teghaza 001是通过沙漠陨石交易获得的，陨石猎人们在撒哈拉沙漠中搜寻那些在沙地中显眼的深色石块。它的八块碎石总重不到800克，被一位私人收藏家购得，其中一块被送往新墨西哥大学进行分类鉴定。在那里，行星科学家卡尔·阿吉和凯伦·齐格勒测量了它的氧同位素。"每个行星体都有非常独特的氧同位素特征值，"刘洋说。Teghaza 001的数值与其他火星陨石相符。
最初，这块岩石被归类为玄武岩质陨石，这是最常见（也是最年轻）的一种火星陨石类型。但阿吉注意到了一些异常之处，并联系了刘洋。Teghaza中的一种矿物在内部发生了蚀变，而外部却保持原始状态，这与地球上风化作用的方式恰恰相反。其氧同位素看起来有些奇怪，还含有一些富含锰的物质，与刘洋此前在"黑美人"中研究过的物质相似。
"当我拿到这个样本时，我环顾了一下，心想'这没什么特别的'，"刘洋说。"那种高锰物质实际上是地球上的污染物，但我很快意识到这个样本非常不同，非常特殊。"
Teghaza 001主要由长石构成，这是一种在岩质行星地壳中常见的浅色矿物。其中混有较暗的辉石晶体；据刘洋介绍，这些晶体与月球高地暴露出的某些岩石相似。它的晶体相当大，直径可达一毫米，科学家将此解读为该岩石冷却缓慢的证据。"对于缓慢冷却的岩石来说，它们往往有足够的时间长得更大，"刘洋说。
通过将这些晶体与实验室实验及地球岩石进行比较，研究团队估计Teghaza 001的冷却速率大约为每年0.01摄氏度，这表明它是由从未喷发、而是在地壳内部凝固的岩浆形成的。
被水重置的时钟
研究团队通过多种独立方法测定了这块岩石的年龄。锆石颗粒给出的年龄约为41.1亿年。磷酸盐矿物和铷-锶测年法给出了相似的年龄。"无论我们分析的是哪种类型的锆石，或者分析的是哪种矿物，我们都得到了这个非常一致的年龄。这是我们没有预料到的，"刘洋说。
众所周知，锆石的年龄很难被重置，而将这块岩石抛射出火星的撞击，虽然强度足以形成高压矿物，但热量却不足以重置锆石的年龄。"要改变它，你确实需要某种热液流体，"刘洋说。
长石颗粒上富含钠的边缘以及锆石中捕获的钠，都支持了这样一个观点：该岩石形成后不久，曾有热水渗透其中。因此，41亿年标志着它最后一次被水浸泡的时间，这可能是经历过多次蚀变事件中最近的一次。"结晶年龄应该比41亿年更古老，"刘洋说。
Teghaza 001中氧-18（一种较重的氧同位素形式）的含量异常丰富，比其他火星陨石高出约千分之二。无论是结晶过程还是岩浆中气体的逸出，都无法产生如此大的差异。由于在行星表面附近低温条件下与岩石发生反应的水会形成富含重氧的矿物，研究团队认为，岩浆either吞噬了已经与地表水发生过相互作用的地壳碎片，either直接与携带相同重氧特征的流体发生了反应。
这意味着"火星地壳中存在着活跃的水循环，"刘洋说。"在这块岩石形成的时候，火星确实存在水圈，而这个水圈正在剧烈地与火星地壳发生反应。"水必定在岩浆尚未完全冷却之前，就已经在地壳中循环流动并与之发生反应。"这实际上比我们之前认为的更具动态性、更为活跃，"刘洋说。她认为，这一发现符合早期火星湿润的图景，并指向了其地壳中潜在的可居住环境。
Teghaza 001还揭示了有关火星内部的细节信息。这块岩石在接近地表处结晶，但形成它的岩浆来自更深的地方。那些抗蚀变的微量元素比率，例如锆与钛的比率，与其他所有火星陨石都不相同。当研究团队的熔融模型中设定岩浆源区含有石榴石（garnet）时，与该岩石的化学成分最为匹配——而石榴石只有在深度超过160公里的火星地幔中才能保持稳定。
对其他火星陨石的研究表明，大约45亿年前，当一片早期岩浆洋在火星上凝固时，火星地幔分裂成了三到五个储库。而Teghaza 001的源区与其中任何一个都不匹配。"在最初的几亿年里，火星地幔的演化方式比我们想象的更为复杂，"刘洋说。
轨道视角
通过将这块岩石的化学成分与轨道图谱进行比较，研究团队推测它最有可能来自南部高地，位于巨大的希腊撞击盆地西北方向。"无论我们有多少陨石样本，我们总会面临这个问题：它们究竟来自火星的哪个地方？"刘洋说。
轨道数据最多只能将来源范围缩小到大约100米乘100米的一个区块，这通常相当于我们遥感数据中的一个像素点。Teghaza 001是何时脱离火星的，这同样是一个悬而未决的问题。"我们只做了让世人知道这个样本特殊性所需的最基本工作，"刘洋说，并补充道，目前已有两到三个研究团队在对其展开研究，以获取更深入的见解。
刘洋表示，真正能够带来突破的，将是带有详细地质背景信息采集的样本，就像"毅力号"探测器在杰泽罗撞击坑及周边区域采集的样本那样。刘洋希望能够获得与Teghaza 001同样古老甚至更古老地质年代的样本。"如果这些样本能够被带回地球，将会有许许多多的发现等待被揭示，"刘洋说。"这可能会彻底改变我们对火星和太阳系早期历史的理解。"
刘洋关于Teghaza 001的研究发表于《科学》杂志：https://doi.org/10.1126/science.adz5646
