碳酸盐矿物（carbonate minerals）是地球乃至太阳系中理解流体与近地表环境相互作用的关键矿物。2023年11月，Ashley King在《Nature Geoscience》发表了题为《Carbonate’s fluid history》的综述文章，系统探讨了碳酸盐在地球及地外环境中的科学意义。本文将从碳酸盐的地球化学特性、生物成因记录、地外发现及其对太阳系演化的启示四个方面展开论述。
碳酸盐矿物由碳酸根离子（CO₃²⁻）与金属离子（如钙、镁、铁）结合形成，常见种类包括方解石（calcite，CaCO₃）、白云石（dolomite，CaMg(CO₃)₂）和菱铁矿（siderite，FeCO₃）。文章以醋酸与玄武岩、白垩的简单实验为例，直观展示了碳酸盐矿物与酸性流体的反应活性——白垩（主要成分为方解石）遇醋酸产生气泡，揭示了碳酸盐溶解的化学过程。这一特性使其成为地球最大的碳储库，并成为研究流体-岩石相互作用的核心对象。
石灰岩（limestone）作为最著名的碳酸盐岩，其形成依赖于海洋生物（如珊瑚、有孔虫）从水体中提取钙离子和碳酸根离子构建骨骼或外壳的过程。文章强调，生物碳酸盐的氧、碳同位素组成是重建古气候的“地质温度计”：例如，δ¹⁸O可指示古海水温度，而δ¹³C能追踪大气CO₂来源的变迁。通过分析显生宙碳酸盐地层，科学家已揭示多次气候突变事件（如古新世-始新世极热事件）与碳循环扰动的关联。
地外碳酸盐研究是本文的另一重点。2008年，火星Nili Fossae地区首次发现碳酸盐岩层（carbonate outcrops），其成因为撞击诱发的水热系统（hydrothermal systems）而非生物活动。火星尘埃中检测到的菱镁矿（magnesite，MgCO₃）以及火星陨石裂缝中的微米级碳酸盐，共同证明火星历史上曾存在液态水活动。
更引人注目的是小行星碳酸盐的发现。NASA“奥西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）任务在贝努（Bennu）小行星表面观测到长达千米的碳酸盐脉体，其规模远超陨石样本记录，暗示母天体曾存在大规模开放水热系统。此外，谷神星（Ceres）表面的天然碱（natrite，Na₂CO₃）亮斑，证实了卤水上涌的历史。这些发现为太阳系早期流体活动提供了直接证据。
碳质球粒陨石（carbonaceous chondrite）中微米级方解石、白云石及铁菱镁矿（breunnerite，(Mg,Fe)CO₃）的发现，揭示了太阳系最初800万年内水-岩反应的复杂性。通过短寿命放射性核素⁵³Mn-⁵³Cr年代学（radiochronometer）测定，碳酸盐形成年龄可追溯至太阳系诞生后200-800万年，为行星吸积早期的流体活动时间标定了关键锚点。英国自然历史博物馆提供的Winchcombe陨石显微图像（图1）显示，蓝色方解石颗粒的微结构记录了小行星内部低温流体的化学环境。
本文的核心价值在于整合了碳酸盐研究的多尺度证据：从实验室的醋酸溶解实验，到跨星际的碳酸盐分布图谱。其科学意义体现在三方面：
1. 行星宜居性评估：地外碳酸盐的分布与成因模型为寻找地外水环境提供新标准；
2. 太阳系演化约束：小行星碳酸盐的Mn-Cr年龄限定了流体活动的“时间窗口”；
3. 方法论创新：结合遥感探测（如火星轨道光谱）与实验室陨石分析的多尺度研究范式。
文章结尾以幽默笔触提醒：未来研究需注意样本返回舱切勿接触醋酸——这一细节恰恰体现了碳酸盐研究的核心：流体与矿物相互作用的敏感性。
Ashley King来自英国自然历史博物馆行星材料研究组，论文引用了多项里程碑研究，包括火星碳酸盐的首次遥感探测（Bandfield et al., 2003）和贝努小行星碳酸盐脉的发现（Kaplan et al., 2020）。这些工作共同构建了碳酸盐作为“太阳系流体记录者”的理论框架。