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“幔游”课题组

"Rocking Mantle" Group





火星特殊脊状地貌对其早期宜居气候的启示

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原创 刘洋 行星科学 3月17日

摘要

火星早期的气候是温暖潮湿还是寒冷干旱一直是行星科学中尚未解决的关键科学问题之一。火星表面广泛分布的含水矿物和水流地貌显示火星早期存在长期的暖湿气候，然而气候模型却认为火星早期可能长期处于干冷。研究火星上广泛分布的蜿蜒脊状地貌特征可以为理解这个关键科学问题提供重要的约束。中科院比较行星学卓越创新中心、中科院国家空间科学中心的刘洋研究员团队及合作者利用火星轨道遥感数据，对位于火星南北二分性边界上的诺亚纪时期的一处特殊脊状地貌进行了详细分析，发现该脊状地貌与火星早期水流活动紧密相关，很可能是河流干涸以后由侵蚀作用形成的倒转河道带。沿脊状地形广泛分布的富镁蒙皂石泛洪平原粘土矿物进一步证实了倒转河道带这一假说。研究表明，如果火星早期正如气候模型所预测的那样长期干冷的话，那么火星在诺亚纪时期也曾经存在过是由火山喷发、撞击作用或自转倾角改变所引发的间歇但持续的暖湿宜居时期。


火星诺亚纪到早西方纪时期的气候变化是研究火星宜居环境变迁的重要问题。火星表面广泛分布的黏土矿物的矿物特征和河谷网络、湖泊盆地、冲积扇、三角洲等地貌特征说明了火星早期曾经存在过温暖潮湿的液态水存在时期，然而火星的气候模型显示诺亚纪时期总体是寒冷干旱的，温暖潮湿的时期只短暂存在过。在火星多种多样的地貌类型中脊状地形是一种独特且非常令人感兴趣的地貌，它是一种狭窄带状在地表蜿蜒分布，长度可达数千米至数十千米的条带状地形，在火星和地球上都分布非常广泛，其形成过程可能与水流活动有关，对火星脊状地貌的研究有助于更深入认识火星的古水流活动和古气候演化。一般根据成因类型的不同脊状地貌可以分为蛇形丘（Esker）、熔岩管道（Lava tube）、倒转河道（Inverted channel）以及倒转河道带（Inverted channel belts）。在火星上有很多被发现研究的脊状地貌，但大都没有发现与此特殊形貌相关的含水矿物。

图1 （a）由CTX生成的DEM图像，图中可明显看到弯曲的平行脊。（b）与a相同范围的CTX地貌背景图。


在位于火星南北分界的坦佩高地东侧我们发现了两条平行的脊状地形（图1），并利用CTX、HiRISE和CRISM等火星轨道遥感数据对该地貌及矿物信息进行了详细的分析。在脊的周围发现有倒转撞击坑和表面相对平滑的地貌单元，分别说明了该区域经历过很强烈的侵蚀作用以及发生过表面重塑事件。脊状地貌区域的CRISM光谱数据显示了在1.4μm、1.9μm和2.31μm有吸收峰出现，这与含镁蒙皂石的实验室光谱较为符合，该矿物主要分布在南侧脊的两侧斜坡上，也零星分布在脊的周边区域，而在北侧脊并没有该矿物的光谱吸收峰出现（图2）。

图2 （a）CTX覆盖CRISM含水矿物参数图，蓝色和紫色代表含水矿物，根据南侧脊宽度变化分为Zone1和2，红色箭头代表脊周围零星分布的含水矿物。（b）由HiRISE生成的DEM图像，含水矿物分布在脊两侧，橙色三角代表图3的c, d, e的视角方向，10倍垂直放大。（c）CRISM光谱与实验室矿物标准光谱比对。

通过对脊状地貌的几种形成机制进行对比后，我们发现倒转河道带更能解释我们观察到的地貌特征。如脊斜坡及周围地形的层状黏土矿物、高度不一的双脊地形、侵蚀强烈的地貌背景等都支持我们的解译。如图3所示，倒转河道带的形成过程是：河流在发育过程中会不断改变河道进行侧向迁移从而在河道两侧沉积出沉积物，随着水流量变化的会反复出现超出河道范围本身的洪水，在河流两侧远超出河道的区域形成洪泛平原沉积，其中的沉积物质会形成砂岩和泥岩覆盖体，并且其宽度远超河道本身的宽度。在气候转变为干旱后，保留有砂岩盖层的河道带在风化剥蚀中保留形成脊状地形，并且在后期的持续剥蚀作用下导致脊的宽度会逐渐变窄。北侧脊与南侧脊的形成可能代表了河道带的不同沉积时期，高度略低的北侧脊的河道带沉积先形成，之后再沉积出较高的南侧脊河道带，这两个脊记录了河流发育的不同时期。层状蒙皂石可能形成于泥岩和砂岩的沉积过程，脊周围区域零星分布的含水矿物与脊上的含水矿物高度接近一致，其表明洪泛平原在沉积过程中影响到了脊及周围整个区域。

图3 （a）一条活跃的河流流经火星表面。（b）洪泛平原形成沉积，物质开始迁移。（c）河道带开始被侵蚀挖掘（黑色圆圈代表撞击坑），原始河道消失。（d）在后期长时间的风化侵蚀作用下，河道带形成了宽度不定的脊状地貌。

我们在该区域发现的脊状地貌揭示了火星北部古海洋海岸线附近复杂的河流和侵蚀活动历史。脊状地形的年龄上限在中诺亚纪，且其分布在可能代表了火星北部古海洋存在的二分性边界处。通过撞击坑定年我们得出脊的形成年代不晚于36亿年的早西方纪，结合在脊两侧发现的约20m厚的层状黏土矿物，代表了在早西方纪之前有一个约数万年的活跃水流活动时期。火星在诺亚纪到早西方纪时期的气候是温暖潮湿还是寒冷干旱的问题一直还存在争议，如果火星早期如气候模型预测的是寒冷干旱的，那么形成该区域的倒转河道带则暗示了可能由火山喷发、陨石撞击或自转倾角改变而导致的间歇但持续变暖的气候事件。