Med mänskliga och provåtervändande uppdrag till Mars fortfarande på ritbordet, geologer som vill studera den röda planeten förlitar sig på robothjälpare för att samla in och analysera prover. Tidigare i år sa vi adjö till NASA:s Opportunity-rover, men Insight landade i november 2018, och flera rymdorganisationer har Mars roveruppdrag på sina böcker de närmaste åren. Men medan vi arbetar på sätt att ta tillbaka prover från Mars, geologer kan studera marsmeteoriter som har levererats till oss av krafterna i solsystemet. Jorden bombarderas av ton utomjordiskt material varje dag. Det mesta kommer från Jupiter Family Comets och asteroidbältet, och mycket av det brinner upp i atmosfären eller landar i haven, men meteoriter från månen och Mars når jordens yta. I forskning publicerad i Geochimica och Cosmochimica Acta , forskare använde ett batteri av synkrotrontekniker för att undersöka en mycket ovanlig marsmeteorit, vars händelserika livshistoria ger några insikter i Mars geologiska historia.

Omkring två tredjedelar av meteoriterna i världens samlingar hittades i Antarktis, där deras mörkare färg gör dem lätta att upptäcka mot snön. (Den första brittiskledda expeditionen för att samla in meteoriter i Antarktis återvände nyligen med 36 prover.) Meteoriten som var involverad i denna forskning, Nordvästra Afrika 8114 (NWA 8114), hittades i Västsahara i södra Marocko och såldes privat genom en marockansk meteorithandlare. Den är ihopkopplad med 'Black Beauty'-meteoriten - NWA 7034 - vilket betyder att dessa en gång var bitar av samma sten.

Ett prov gjordes tillgängligt för vetenskaplig forskning, och geologer upptäckte att NWA 8114 var en del av den första Marsbreccia-meteoriten som har hittats; en breccia är en sten gjord av brutna fragment av mineraler eller sten som cementeras ihop, och de bildas i områden där kantiga fragment av sten och mineralskräp ackumuleras. NWA 8114 innehåller material med ett brett spektrum av åldrar, den äldsta går tillbaka 4,4 miljarder år. Denna meteorit liknar mer ytproverna som analyserats av Mars-rovers, medan de tidigare marsmeteoriterna som hittades på jorden har varit magmatiska stenar, bildas från magma på ett ställe på en gång.

Huvudförfattaren Dr Jane MacArthur förklarade att forskargruppen letade efter några bevis på interaktion mellan vatten och berg – till exempel, mineraler som bara bildas i närvaro av vatten – och järnets oxidationstillstånd. Hon säger:"Den här meteoriten måste ha varit inblandad i flera olika nedslag på Mars, även om vi ännu inte kan säga hur många. Det är minst två - en för att bilda breccia, och en för att lyfta stenen från Mars och skicka den på väg till jorden."

Undersöker meteoriten

Teamet använde en kombination av fyra synkrotronavbildningstekniker - och två strållinjer - för att undersöka NWA 8114. De använde röntgenfluorescens (XRF) för att kartlägga provet för att hitta områden av intresse, Röntgendiffraktion (XRD) för att identifiera mineraler, X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) för att analysera oxidationstillståndet för närvarande järn, och Fourier Transform Infrared Spectromicroscopy (FTIR) för att se tecken på hydrering, via närvaron av hydroxidgrupper.

Teamet hittade konstiga pyroxener (en stor klass av stenbildande silikatmineraler) som innehöll fläckar av järnoxidkorn som var oxiderade men inte hydratiserade. Tidigare arbete tyder på att chockhändelser med hög effekt kan orsaka detta, så det är kopplat till formationshändelsen på Mars. Argondatering av en av de chockade regionerna visade att den var cirka 1,2 miljarder år gammal. I jämförelse med experimentella studier av chockat pyroxen vid olika temperaturer och tryck, teamet kunde uppskatta hur djupt i Mars yta meteoriten bildades, och resultatet var bara cirka 5 meter djupt, vilket stämmer överens med en sten som sedan lyftes från ytan genom ett ytterligare slag.

Labbarbete på NWA 8114 hade föreslagit att några av järnoxiderna var oxiderade eller hydratiserade. XRD på I18 bekräftade närvaron av goetit, en hydratiserad järnoxid som normalt bildas i närvaro av vatten, vid låga temperaturer. FTIR på B22 bekräftade att mineralet definitivt var hydrerat, men det har ännu inte varit möjligt att bekräfta om detta bildades på Mars eller på jorden, så det antas vara ett resultat av terrestra vittring, även om provet väntar på ytterligare testning.

NWA 8114 ger en möjlighet att undersöka den termiska historien för en Mars regolit och studera ytnära processer och gamla miljöförhållanden nära en nedslagskrater på Mars. För närvarande är den och dess parade stenar det enda sättet att studera marsbreccia, och forskning som ger oss ett försprång när det gäller att analysera de typer av material som skulle tas tillbaka från eventuella framtida Mars-provuppdrag, och kommer också att informera framtida rover-/provinsamlingsuppdrag.

Dr MacArthur var bara fyra månader in i sin doktorsexamen när teamets första beamtime på Diamond kom, men hon hade förberett sig genom att gå på Diamond Summer School. Hon säger: "Strållinjepersonalen var verkligen hjälpsamma, särskilt när det gäller användning av programvaran och hur man analyserar data på Diamond, och efter att vi hade åkt. Det var fantastiskt att få dem svara på frågor personligen, men de svarade också på mailade frågor efteråt."