火星次生矿物作为水-岩石-大气相互作用的直接产物，是揭示火星古气候环境演化和宜居性潜力的关键媒介。遥感探测显示，诺亚纪至早西方纪的火星表面广泛分布镁铁质蒙皂石，而同期大气CO₂本应驱动碳酸盐大规模沉积，但后者仅零星出露。这一“碳酸盐缺失之谜”长期制约着对火星早期温室效应维持机制及碳循环过程的理解。

针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所张天琦博士、陶奇研究员（通讯作者）、何宏平研究员团队通过模拟火星古环境的水热实验，提出反向风化矿物转化机制，揭示了环境硅（Si）浓度与大气CO₂对次生矿物演化的协同控制作用，并提出水滑石介导的碳源-碳汇转换新机制。

研究发现，环境Si浓度梯度控制矿物相变序列（图1-2）。在低硅环境中，大气CO₂深度参与形成CO₃^2-类型的镁铁水滑石（化学式：Mg₆Fe₂(OH)₁₆CO₃·4H₂O），其XRD特征峰（7.82 Å）及红外吸收（1380 cm⁻¹）证实其为火星潜在碳酸盐库；而在中高硅浓度环境，硅氧低聚阴离子将与CO₃^2-竞争插层进入水滑石层间，随后经离子溶解、类质同像置换等复杂过程转化为蛇纹石（7.57 Å层间距）和蒙皂石（14.79 Å层间距）。这一转化机制导致原本固定在矿物中的CO₂重新释放到大气中，从而实现了“碳汇-碳源”的角色转变（图2）。该转化路径合理解释了火星表面碳酸盐稀缺性与蒙皂石优势性共存现象，并为早期火星通过间歇性CO₂释放维持温室效应提供了新思路。

进而，作者提取了火星Nili Fossae、Stokes撞击坑和Ladon盆地等区域表面次生矿物的CRISM遥感近红外光谱。经与合成样品及标准光谱库类似矿物光谱比对，提出基于1.95 μm+2.48 μm+2.53 μm组合光谱特征识别火星水滑石的判定依据（图3），为未来探测任务的目标筛选提供了重要参考。

本研究受国家自然科学基金（42272038，42072044）和广东省科技计划（2020B1212060055）等项目联合资助。相关成果近期在线发表在国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Planets。

论文信息：Zhang, Tianqi（张天琦）; Tao, Qi*（陶奇）; Qin, Xiaorong（秦效荣）; Wu, Yuchun（武雨纯）; Xi, Jiaxin（席佳鑫）; Liang, Xiaoliang（梁晓亮）, He, Hongping（何宏平）, Komarneni, Sridhar. (2025). Martian smectites formation regulated by environmental CO₂ and Si. Journal of Geophysical Research: Planets, 130, e2024JE008619. https://doi.org/10.1029/2024JE008619

图1. 不同Si浓度下次生矿物的XRD图。

注：P-pyroaurite；L-利蛇纹石；H-赤铁矿；S-蒙脱石；AMS-无定形二氧化硅。数字表示以埃为单位的晶面间距。

图2. 硅调控作用下水滑石（体系中为pyroaurite）向利蛇纹石（lizardite）及镁铁蒙脱石（MgFe-smectite）转化的概念模型。二氧化碳最初被固定在水滑石结构中，最后被重新释放到环境。

图3. 火星疑似水滑石出露区域的CRISM近红外数据解析。

（a）FRT000128EA的假彩色图像；（b）FRT000093BE的假彩色图像；（c）FRT0000ADA4的假彩色图像；（d）Ladon Basin、Nili Fossae和Stokes Crater地区、本研究（彩色）和标准光谱库（黑色，源自PDS、ECOSTRESS和USGS数据库）类似矿物光谱特征对比。