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江雨如,June 19, 2025
火星与地球在环境上有显著的异同。相同点在于，火星和地球都是类地行星，具有相似的岩石圈结构，且都曾经历过火山活动，研究火星演化有利于探究类地行星的宜居性演化。不同点主要体现在：火星表面缺乏浓密大气和磁场，这使得火星表面直接暴露在宇宙射线和太阳风的影响下，导致其表面辐射水平远高于地球。这种复杂的辐射环境对火星表面矿物的演化产生了深远影响。
图1 火星和地球环境对比
从火星陨石中可以发现黄铁矿的存在，然而现代火星表面探测未发现大范围硫化物出露，但硫酸盐分布广泛。推测可能是受到辐射的影响使黄铁矿转化为硫酸盐。
通过等离子体实验探究火星表面黄铁矿在空间辐射条件下的演化过程，为理解火星表面硫酸盐的形成机制提供了新的视角。
图2 黄铁矿辐照后XPS谱图
研究聚焦于黄铁矿在氢和氦等离子体辐射下的氧化反应。实验采用电子回旋共振（ECR）等离子体装置模拟空间辐射环境，分别对立方体和五角十二面体两种结晶形态的黄铁矿样品进行了辐照实验。结果显示，氢气放电（质子）和氦气放电（α粒子）均能诱导黄铁矿氧化为硫酸盐，但氦气等离子体的反应更为剧烈，硫流失更多。XPS分析表明，辐照后的黄铁矿样品中出现了三价铁（Fe³⁺）和硫酸盐（SO₄²⁻），且五角十二面体黄铁矿的反应更为显著。此外，氢气等离子体还导致了部分铁元素的还原，生成少量单质铁，这表明氢气放电过程中原子氢的还原性较强。
拉曼光谱分析进一步证实了黄铁矿的氧化过程，检测到了赤铁矿（α-Fe₂O₃）的特征峰。EPMA分析显示，辐照后样品中硫含量下降，而铁和氧含量上升，这与黄铁矿氧化为硫酸盐的化学反应过程一致。SEM分析则揭示了辐照后样品表面形貌的显著变化，表明等离子体辐射对黄铁矿的表面结构产生了强烈影响。
研究还对比了氢气和氦气等离子体的差异。氦气具有更高的电离能和原子质量，因此在相同功率下能够产生更高能量的电子和更强的轰击动能，导致硫流失更为显著。而氢气等离子体中的原子氢具有更强的还原性，使得铁元素在氢气放电过程中发生部分还原。此外，不同结晶形态的黄铁矿对等离子体辐射的响应也存在差异。五角十二面体黄铁矿由于其表面原子排列不规则、存在悬挂键和台阶缺陷，更容易被等离子体反应。
该研究为火星表面硫酸盐的广泛分布提供了一种新的形成机制，即黄铁矿在空间辐射下的氧化过程可能是火星硫酸盐形成的重要途径之一。这一发现不仅解释了火星表面未发现大量硫化物的原因，也为火星演化史的研究提供了新的线索。火星诺亚纪初期磁场消失后，硫酸盐大量出现，这一现象与本研究结果高度契合，表明黄铁矿的辐射氧化可能在火星早期演化中扮演了重要角色。
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