多源遥感数据揭示火星表面风成地貌特征及可能起源

原创 吴昀昭 行星科学

摘要：

      火星目前寒冷干燥，风成过程在火星表面的形貌改造中起着十分重要的作用。火星表面分布着大量的沙丘、沙波纹、横向风成脊等风成地貌类型。横向风成脊是火星表面特有的风成地貌，不同于地球上发现的典型的沙丘、沙波纹。我国祝融号火星车着陆区附近有大量沙丘存在。目前有关火星沙丘物质成分及形成机制还有待进一步研究。中科院比较行星学卓越创新中心骨干成员、中科院紫金山天文台吴昀昭研究员团队利用多源数据对火星表面沙波纹、横向风成脊、暗色沙层及沙丘的本质及形成过程开展了综合研究。研究结果显示，大量横向风成脊分布在撞击坑壁上，其成分与坑壁暴露出的岩石一致，说明其沉积物可能来源于坑壁物质的侵蚀。而巨型沙波纹的成分与横向风成脊一致，说明它们可能有相同的沙源及形成过程。暗色沙层和沙丘的成分明显与坑壁暴露出的岩石不同，加之北向-西北向的主导风向，说明其沉积物可能来源于撞击坑外，在风的搬运作用下堆积在撞击坑中。

按照地貌的尺度大小、剖面对称性以及表面粒径分布，火星表面的风成地貌类型大致可分为小沙波纹(small ripples)、大沙波纹(large ripples)、巨型沙波纹(megaripples)、横向风成脊(transverse aeolian ridges)以及沙丘(dunes) (图1)。其中小沙波纹和大沙波纹波长<4 m，高度<~25 cm，主要由中等到细砂组成，剖面一般不对称。巨型沙波纹波长5-15 m，高度<1 m，由粗的双峰分布的砂组成，粗砂主要集中在脊上，剖面较为对称。横向风成脊波长可达几十米(>20 m)，高度一般>1 m，表面有粗砂分布，剖面对称。沙丘波长可达几百米，高度达几十米，由均匀分布的细砂组成，剖面一般不对称。

图1. 火星表面风成地貌示例。(a)好奇号探测过的沙丘(High Dune)。(b)横向风成脊。(c)机遇号穿越过的沙波纹(Purgatory ripple filed)。(d)好奇号穿越过的风成地貌(Dingo Gap bedform)。图来自Day & Zimbelman (2021)。

横向风成脊不同于典型的沙丘及沙波纹。一方面，横向风成脊与沙波纹形貌相似，尤其是巨型沙波纹，例如它们都是呈线性或曲线型，一般有较为对称的剖面。然而横向风成脊的规模（波长、高度等）远大于巨型沙波纹。另一方面，横向风成脊与火星上广泛分布的暗色沙丘也有很大差异。横向风成脊呈波纹状，且一般比周边地形亮，或与周边地形一样亮；而暗色沙丘则一般呈大型沙丘形状，且反照率较低。其真正的形成机制还有待进一步研究。

本研究利用高分辨率CTX及HiRISE影像研究巨型沙波纹、横向风成脊、暗色沙层和沙丘的分布和形貌(图2)，利用10年来重复的HiRISE影像揭示这些风成地貌的迁移，利用THEMIS热红外数据反演热惯量及有效粒径，利用CRISM高光谱数据反演物质成分(图3)，利用风条纹，沙波纹及横向风成脊的方向共同确定当地风向(图4)。综合以上数据，研究撞击坑内各种风成地貌的沙源及形成过程。

图2. 研究区中巨型沙波纹、横向风成脊、沙层及沙丘的分布。

图3. 巨型沙波纹、横向风成脊、沙层及沙丘的物质成分。

图4. 研究获得的当地风向。

主要结论包括：

1. 观测到大量横向风成脊分布在撞击坑壁上，它们与坑壁暴露出来的岩石的成分相似，说明组成它们的沉积物可能是当地来源。

2. 2011-2021年来重复的HiRISE影像没有发现沙波纹、横向风成脊、沙丘的明显迁移，仅仅发现沙丘附近存在明显的反照率变化，表明当今部分沙子仍在活跃但其程度未达到沙丘尺度。

3. 热红外数据表明，横向风成脊是中等到粗砂组成，暗色沙层和沙丘则是粗砂到极粗砂组成。

4. 巨型沙波纹和横向风成脊都富辉石，可能有相同的沙源及形成过程。暗色沙丘和沙层富橄榄石，与坑壁暴露的岩石成分不同，其沉积物可能是从坑外被西-西北风吹进来的，也可能组成它们的沉积物都是由坑壁暴露出的含砂碎屑岩历经风化和侵蚀后循环而来。