火星表面广泛分布的硫酸盐矿物，一直是科学家探索这颗红色星球古水文环境的重要线索。近期，加州理工学院科研团队在《Science Advances》发表了一项突破性研究，通过分析火星杰泽罗陨石坑Shenandoah组露头中的钙硫酸盐，首次利用原位晶体学技术揭示了火星不同深度环境下的流体活动历史，为评估火星宜居性提供了全新视角。
传统研究主要依赖光谱和化学成分分析，但这些方法难以区分化学式相似却晶体结构不同的矿物，更无法判断矿物形成时的埋藏深度和应力环境。研究团队创新性地使用行星车搭载的PIXL仪器，同步采集X射线荧光信号（反映元素组成）和衍射信号（揭示晶体结构），对Shenandoah组中两处典型研磨斑（UI和BH）进行联合分析。结果显示，两处样本均存在钙和硫的异常富集区，其中硬石膏是主要矿物相，且呈现明显的非均质分布——集中填充于特定微区和裂缝位置，而非均匀分布于岩石中。
这一发现为后续分析奠定了基础。研究团队进一步利用X射线背散射衍射技术，对BH样本开展高分辨率晶体取向映射。通过测量数千个微小晶体的取向，并与硫酸盐脉体的几何形态及周围岩层构造方向对比，发现硬石膏和石膏的晶体排列总体平行于古最大主应力方向。这种优选取向表明，晶体生长受到裂缝应力场的严格控制：流体进入裂缝后，硫酸盐沿裂缝边界定向结晶，其排列方式完整保留了形成时的力学环境信息。
若硫酸盐仅是火星表面风化后在开放空间自由沉淀，晶体取向应呈现随机分布，而非与裂缝侧壁和应力方向保持稳定对应。这一晶体学证据排除了浅表风化假说，指向更深部、更受构造应力影响的沉淀过程。结合脉体几何和地层关系，研究推断BH位置的硫酸盐形成于埋深超过80米的地下混合剪切环境，而另一处UI样本的硫酸盐则形成于埋深小于10米的浅层垂直张性裂缝。
两种硫酸盐沉淀记录了截然不同的形成情景。浅层裂缝形成于岩层受张应力作用时期，含硫酸盐的流体通过近垂直的伸展裂缝进入，沉淀条件可能与浅层地下水、蒸发浓缩和开放裂缝网络相关。深部裂缝则形成于沉积物覆盖增加、岩层承受更高温压的阶段，裂缝类型由单纯张裂转变为混合型剪切断裂，硫酸盐在埋深超80米的裂缝中沉淀，其晶体排列受剪切应力和裂缝边界共同控制。这两类硫酸盐并非同一事件在不同位置的简单重复，而是沉积和构造演化过程中先后形成的不同世代，共同记录了Shenandoah组从浅层到深部、从张性裂缝到混合剪切裂缝的环境变迁。
该研究首次将晶体结构和空间取向纳入火星环境推断的证据链。元素分布揭示沉淀物集中区域，衍射信号确认矿物种类，晶体取向则帮助判断形成时的应力和埋藏条件。三类信息相互印证，使研究者能够从微观矿物结构反推宏观地质过程。例如，浅层裂缝可能曾为水、矿物和大气交换提供通道，深部裂缝则表明火星地下曾存在流体活动及复杂的压力温度环境。尽管晶体学结果不能直接证明生命存在，但通过限定水活动的时间和空间范围，为判断地下环境是否具备稳定液态水条件提供了关键约束。
PIXL仪器的原位联合测量技术展示了行星探测仪器的巨大潜力。无需将样品带回地球，即可在目标地点完成从元素到晶体结构的关联分析，大幅提升了火星探测的效率和精度。这一突破不仅深化了人类对火星古水文历史的理解，也为未来寻找火星生命迹象提供了新的研究范式。
