《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Phosphorus Zoning in Olivines: A critical tool for tracking magma ascent and storage in the martian crust
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火星陨石中橄榄石磷分带揭示了岩浆在火星 crust中的上升、储存及浅层结晶过程。通过高分辨率磷X射线映射及微探针 Traverse分析，发现不同类型火星陨石（如谢戈蒂特、查希尼特）中橄榄石的磷分带呈现共同模式，核心-幔-边带分异记录了岩浆多阶段储留及快速结晶历史，为重建火星 crust岩浆系统演化提供了关键证据。
作者：Arka P. Chatterjee、Julien Allaz、Christian Huberb、Luiz F.G. Morales、Amanda Ostwald、Olivier Bachmanna
机构：苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich），地球化学与岩石学研究所，Clausiusstrasse 25，8092 苏黎世，瑞士
摘要
火星陨石是迄今为止唯一可获得的火星岩石样本，为研究火星岩浆作用提供了独特的视角。这些陨石中的橄榄石含有复杂的磷（P）分区现象，这有助于我们了解火星地壳中基性岩浆的行为。这些橄榄石在上升的岩浆中经历了多个结晶阶段，并由于磷的低扩散性而保留了其成分分区特征。尽管之前的研究已经记录了火星橄榄石中的磷分区现象，并将其形成归因于地壳内部岩浆储存区的快速结晶事件，但导致过冷和橄榄石快速生长的具体过程仍不明确。本研究旨在解析火星橄榄石中的磷分区现象，以更好地理解影响其结晶历史的条件。通过使用高分辨率的磷X射线图谱和显微探针分析，我们发现来自谢尔戈特陨石（Sergottites，一种火星玄武岩）和查西尼特陨石（Chassignites，一种火星辉长岩）的橄榄石中的磷分区现象一致地反映了岩浆在上升过程中经历了高过冷状态。这些分区模式在橄榄石的核心、幔部和边缘都有发现，表明岩浆在不同地壳深度下的结晶条件各不相同。结合之前的热压测量结果，我们可以推断出橄榄石-长石谢尔戈特陨石中的磷分区现象表明：橄榄石最初在地壳下部形成核，随后上升到地壳中部，并最终在浅层地下快速结晶。同样，通过对一种多斑状谢尔戈特陨石中不同区域的磷分区分析，我们推测火星地壳中存在多次岩浆上升和储存的循环。此外，橄榄石中的磷分区现象也为区分岩浆在地壳深处储存与浅层（近海底）沉积提供了证据。橄榄石结晶最后阶段的磷分区特征可以作为浅层岩浆体喷发行为的直接证据。未来通过样本返回任务获得的更多陨石和橄榄石数据将有助于构建一个关于火星岩浆系统及其演化的完整模型。
引言
火星陨石（目前唯一可获得的火星岩石样本）代表了复杂的跨地壳火成过程的最终产物（Musselwhite等人，2006年；Nekvasil等人，2007年；Filiberto等人，2010年；Gross等人，2011年；Balta等人，2013年；Gross等人，2013年；Howarth等人，2014年；Combs等人，2019年；Rahib等人，2019年；Udry等人，2020a年；Ostwald等人，2024b年）。近五十年来，这些陨石一直是研究火星地壳岩浆系统结构的关键信息来源（Nyquist等人，1979年；McSween和Stolper，1980年；Burghele等人，1983年；McSween，1984年；McSween，1985年；Mcsween等人，1996年；Borg等人，1997年；Sohl和Spohn，1997年；Borg和Draper，2003年）。由于所有火星陨石都是由于撞击事件从火星上喷射出来的（Melosh，1984年；Head等人，2002年；Lagain等人，2021年），因此它们必定位于或非常接近火星表面（Herd等人，2024年）。先前的热压测量和热力学相平衡建模研究表明，最原始的富镁橄榄石是在地壳下部的岩浆储集室中结晶的，这些储集室靠近地壳-幔界。根据“洞察号”（InSight）任务提供的最新数据（地壳厚度为30–72公里），这些深度对应于地壳中部-下部或上地幔区域（Wieczorek和Zuber，2004年；Khan等人，2018年；Kim等人，2022年；Wieczorek等人，2022年）。这种深部地壳岩浆侵入现象并非火星独有，在地球的岩浆省中也有类似现象，这些岩浆为浅层地壳提供物质（Hildreth和Moorbath，1988年；Walker等人，2015年；Bachmann和Huber，2016年；Cole等人，2024年）。正如Eckley等人（2024年）总结的那样，所有类型的火星谢尔戈特陨石的母岩浆都经历了相同的上升过程，最终在接近地表的位置沉积。这些陨石中的橄榄石成分很可能反映了其母岩浆在上升过程中所经历的热化学变化。在橄榄石中广泛用作其源岩熔体成因历史记录的主要元素、次要元素和微量元素中，磷（P）因其高不相容性（DPol/melt：0.05–0.3）和低扩散性（确切的扩散系数存在争议；详见补充材料）而显得尤为重要（Toplis等人，1994年；Milman-Barris等人，2008年；De Hoog等人，2010年；Foley等人，2013年；Grant和Kohn，2013年；de Maisonneuve等人，2016年；Wang等人，2021年）。然而，解释主要元素浓度时存在一些局限性，因为二价阳离子（Fe、Mg、Mn、Ni）容易通过温度驱动的扩散达到平衡（Costa等人，2008年；Chakraborty，2010年；Qian等人，2010年）。大多数微量元素（如Li、V、Cr、Ti）在橄榄石中的扩散性与八面体位点阳离子（Fe、Mg）相似，这也加剧了这一问题（Spandler和O’Neill，2010年）。相比之下，磷的分区通过温度驱动的扩散速度比橄榄石中的其他主要和次要元素（如Fe、Mg、Cr、Al、Mn、Ca、Ni）慢几个数量级（Spandler等人，2007年；Spandler和O’Neill，2010年；Watson等人，2015年；Jollands等人，2018年；Bloch等人，2019年）。因此，磷的分区可以在更长的时间尺度（1–100千年）内被保留下来，而其他扩散速度较快的元素则不然（Welsch等人，2014年）。
橄榄石中复杂的磷分区模式记录了影响晶体生长的外部和内部过程。先前的研究表明，当橄榄石的瞬时生长速率超过磷从晶体-熔体界面扩散的速率时，会在橄榄石晶体内部形成富磷带（Harrison和Watson，1984年；Jambon等人，1992年；Watson等人，2015年）。因此，橄榄石中的磷含量是快速结晶的有效标志。最近的一些研究分析了地球、月球和火星橄榄石中的磷分区现象，以探讨其成因和结晶条件（Milman-Barris等人，2008年；Peslier等人，2010年；Balta等人，2013年；Gross等人，2013年；Shearer等人，2013年；Ennis和McSween，2014年；Welsch等人，2014年；Basu Sarbadhikari等人，2016年；First和Hammer，2016年；Howarth和Udry，2017年；Liu等人，2016年；Combs等人，2019年；Dunham等人，2019年；Howarth和Gross，2019年；Rahib等人，2019年；Shea等人，2019年；Mari等人，2020年；Nelson等人，2021年；Salas等人，2021年；Benaroya等人，2024年；Ostwald等人，2024b年）。大多数研究将橄榄石中的富磷带归因于由于内在（如结晶动力学）或外在过程（如岩浆混合、岩浆对流等）引起的过冷事件中的快速结晶。然而，目前越来越需要理解这些过冷事件与地壳中实际发生的物理过程之间的联系（参见Eckley等人，2024年）。
在这项研究中，我们获得了两种含长石的谢尔戈特陨石、一种多斑状谢尔戈特陨石和两种查西尼特陨石中橄榄石的高分辨率磷X射线图谱。这些图谱揭示了这些样本中橄榄石磷分区的共同模式。这些分区模式有助于确定影响其母岩浆的一系列不同过冷事件。通过与其他过程的对比分析（如岩浆从地壳下部上升到上部，以及岩浆从浅层侵入体中抽出导致快速结晶），发现岩浆上升是最有可能导致橄榄石中富磷带形成的原因。尽管高分辨率显微探针分析在量化时间尺度上存在局限性，但橄榄石中磷的富集为母岩浆的热化学历史提供了持久的记录，从而可以作为一种强大的技术，补充其他地球化学分析方法来解释岩石成因过程。
样本描述
亚马逊地区的火星陨石（年龄约为0.15–2.2亿年）根据其矿物学和纹理特征被分为三类：纳克利特陨石（富含单斜辉石的集合体）、查西尼特陨石（富含橄榄石的集合体）和谢尔戈特陨石。在谢尔戈特陨石中，橄榄石是三个亚组的体积重要组成部分：（a）含长石的；（b）多斑状的；（c）橄榄石-辉长岩质的（Udry等人，2020b年；Benaroya等人，2024年；Benaroya和Gross，2025年）。
结果
定量图谱和点分析显示，所有样本中橄榄石巨晶的磷分区模式都呈现出共同的核心-幔部-边缘结构，但这些区域内的磷分区在不同样本间存在差异（图1）。核心区域是橄榄石的中心部分，具有骨架状或多面体生长形态。核心的外边界通常由磷含量的明显变化和/或橄榄石生长模式的改变所定义。
讨论
通过对含长石的谢尔戈特陨石、多斑状谢尔戈特陨石和查西尼特陨石中橄榄石的高分辨率磷X射线图谱进行详细分析，我们发现了一种先前未报道的磷分区共同模式。这些样本中早期形成的橄榄石巨晶可以根据其形态和相对磷含量划分为核心、幔部和边缘区域。在第4.1节中，我们讨论了富磷、骨架状橄榄石生长的意义，因为已知不同程度的过冷现象会影响...
结论
通过对含长石的谢尔戈特陨石、多斑状谢尔戈特陨石和查西尼特陨石中橄榄石的高分辨率磷X射线图谱和显微分析，我们发现了先前未识别的富磷带共同模式。橄榄石核心、幔部和边缘区域的不同磷分区模式有助于揭示岩浆在火星地壳中的上升、储存、混合和沉积历史。这有助于我们更好地理解火星的岩浆系统。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT来改进语法和句子结构，因为英语并非第一作者的母语。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
作者贡献声明
Arka P. Chatterjee： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论研究、数据分析、概念化。Julien Allaz： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、数据分析。Christian Huberb： 写作 – 审稿与编辑、可视化、项目监督、概念化。Luiz F.G. Morales： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
A.P.C.和O.B.感谢ETH通过ETH+资助计划（ETH+ 02 19‐1：“火星行星”项目）和SNF资助（编号200020_197040）的支持。A.P.C.和O.B.感谢华盛顿大学的Tony Irving借出陨石样本。A.P.C.还感谢Hanna Nekvasil、Scott McLennan、Paolo Sossi、Benoit Welsch、Xavier Llovet、Joseph Boesenberg、Manuel Pimenta-Silva和Razvan-Gabriel Popa提供的有益讨论。
