火星地形图,可明显看出火星南北半球之间的差异。

火星南北半球之间的分界Martian dichotomy)是火星最明显的地理特征,该分界线是崎岖的南半球陨击高原和平坦的北半球盆地分界线。两个半球间的高程差约 1 至 3 公里。而火星地壳平均厚度是 45 公里;而南半球地壳厚度约 58 公里,北半球则是 32 公里。

分界线上的地形特征

分界线上的地形相当复杂。一个明显的地形特征被称为锐蚀地形(Fretted terrain)[1]。这区域的地形包含桌山、丘陵和两侧峭壁高度超过 1 英里的底部平坦谷地。周围的许多桌山和丘陵是已经被认为是被岩石覆盖的冰川,又称为舌状岩屑坡(Lobate debris apron)[2]

在这个区域有许多被认为是河谷的大型谷地切穿[3] [4] [5]

该分界线包含以下三个区域:都特罗尼勒斯桌山群(Deuteronilus Mensae)、普罗敦尼勒斯桌山群(Protonilus Mensae)、尼罗瑟提斯桌山群(Nilosyrtis Mensae)。这三个区域被广泛研究,因为一般认为这些区域的地形是因为冰的移动造成[6][7]

火星北半球的低地约占有火星三分之一表面,并相对平坦偶有撞击坑;其他三分之二表面则是地势较高的火星南半球。两个半球之间高度差异相当显著。由单位面积撞击坑密度研判,火星南半球表面形成年代远比北半球古老[8]。受到大量撞击的南半球高地其年代可追溯到后期重轰炸期

目前有三个主要的假说来解释火星地壳形成南北差异的原因:内生起源假说(地幔作用)、单次撞击假说、多次撞击假说。两种与撞击事件相关的假说都是发生在原始太阳系撞击时期结束以前,暗示将火星地壳地形一分为二的过程可追溯至火星早期历史。

形成原因

单次撞击假说

一次巨大的撞击事件可能在火星外表形成一个巨大的圆型凹陷地形。而该凹陷地形已经被命名为北极盆地(North Polar Basin 或 Borealis Basin)。但大多数模型预测的低地形状却是明显偏离圆形[9]。其他外在过程可能使该撞击区域型状因此偏离圆形。如果北极盆地确实是因为单次撞击形成,这将是太阳系中最巨大的撞击坑。而如此巨大,足以形成该撞击坑的物体一般认为是在吸积中的太阳星云时期存在。

一般预期在如此规模的撞击下会有喷发物围绕在低地附近的区域。但如果该撞击在约 45 亿年前发生,侵蚀作用就可解释无法找到喷发物的原因。同时巨大撞击可能也会使许多物质喷入太空或降落在火星南半球。喷发残余物的地质证据将是支持该假说的强力证据。

2008年的一篇论文提出其他支持单次撞击的研究成果[10]。先前对因为塔尔西斯火山隆起而使地貌变得复杂的撞击边缘进行研究,发现塔尔西斯区域的隆起可能使原本的分界线被覆盖在约 30 公里厚的玄武岩之下。麻省理工学院喷气推进实验室的科学家以火星重力场和地形限制了塔尔西斯隆起之下的火星南北分界线,因此产生了火星分界线的椭圆模式。椭圆形的北极盆地也进一步证实单次撞击假说。该假说因为相对简单,且此种规模的撞击会在太阳系形成早期历史中发生而广为人所接受。

内生起源假说

一般认为早期的火星拥有板块运动。在地球上,板块运动能使大范围的岩石圈物质移动而重新分布。地幔对流的形式包括对流胞或地幔热柱,目前仍未完全了解地幔作用如何影响板块运动。因为地球的内部运动仍待完全理解,在火星上研究类似作用是相当困难的。

该分界线可以在火星形成核心时一起形成。大致圆形的低地形成可以归因于核心快速形成造成的羽毛状一阶翻转。有证据显示在火星低地所发生的由内部引起的板块运动是发生在早期撞击时期(Early bombardment phase)结束的时候。

2005年的一篇论文[11]提出,Degree-1 地幔对流可能造成火星的南北分界。Degree-1 地幔对流是其中一个半球主要是上升流,另一半球则主要是下降流的对流过程。一些证据则是许多张性破裂面和诺亚纪晚期至赫斯珀利亚纪早期的火成岩活动。一个内生起源假说的相反论点则是发生在北极盆地的的板块运动是因为撞击后地壳强度变弱造成。为了进一步支持内生起源假说,必须要有地壳上的断层和伸缩地形发生在早期撞击结束之前的证据。

多次撞击假说

支持多次撞击假说的证据有包含数个与大撞击盆地外环有关联的数段南北分界线;但北极盆地有一大部分是位于这些撞击盆地边缘之外。如果火星北部的低地是由多个撞击盆地形成,那内部的撞击坑外环和喷发物高度应该比南半球高地高,但实际上仍远低于高地。还有低地的部分区域是在任一撞击盆地之外,而这些区域必须被多个撞击坑的喷发物覆盖,且高度应该接近当地原始高程;但显然事实并非如此。

一种解释就是消失的喷发物曾代表这些喷发物并非永远存在[12]。由巨大撞击产生的喷发物会因为被喷进太空而无法找到。另一种解释则是该地形南北分界是因为深度造成的冷却和晚期火山活动造成的地壳加载而形成。

多重撞击假说在统计上也难以成立;因为多个撞击盆地的形成和覆盖不可能主要都集中在火星北半球。

参见

参考资料

  1. ^ Greeley, R. and J. Guest. 1987. Geological map of the eastern equatorial region of Mars, scale 1:15,000,000. U. S. Geol. Ser. Misc. Invest. Map I-802-B, Reston, Virginia
  2. ^ Plaut, J. et al. 2008. Radar Evidence for Ice in Lobate Debris Aprons in the Mid-Northern Latitudes of Mars. Lunar and Planetary Science XXXIX. 2290.pdf
  3. ^ Watters, T. et al. 2007. Hemispheres Apart: The Crustal Dichotomy on Mars. Annual Review Earth Planet Science: 35. 621-652
  4. ^ Irwin III, R. et al. 2004. Sedimentary resurfacing and fretted terrain development along the crustal dichotomy boundary, Aeolis Mensae, Mars.: 109. E09011
  5. ^ Tanaka, K. et al. 2003. Resurfacing history of the northern plains of Mars based on geologic mapping of Mars Global surveyor data. Journal of Geophical Research: 108. 8043
  6. ^ Baker, D. et al. 2010. Flow patterns of lobate debris aprons and lineated valley fill north of Ismeniae Fossae, Mars: Evidence for extensive mid-latitude glaciation in the Late Amazonian. Icarus: 207. 186-209.
  7. ^ http://www.uahirise.org/ESP_018857_2225
  8. ^ Scott, D. and M. Carr. 1978. Geological map of Mars. U.S. Geol. Surv. Misc. Invest. Map I-803, Reston VA
  9. ^ McGill, G. E. & Squyres, S. W Origin of the martian crustal dichotomy: Evaluating hypotheses. Icarus 93, 386–393 (1991)
  10. ^ Jeffrey C. Andrews-Hanna, Maria T. Zuber & W. Bruce Banerdt The Borealis basin and the origin of the martian crustal dichotomy. Nature 453, 1212-1215 (26 June 2008)
  11. ^ James H. Roberts, Shijie Zhong Degree-1 convection in the Martian mantle and the origin of the hemispheric dichotomy. Journal Of Geophysical Research 111, (23 June 2006)
  12. ^ Frey, H., and R.A. Schultz Large impact basins and the mega-impact origin for the crustal dichotomy of Mars. Geophys. Res. Lett. 15 229-232, (March 1988)

外部链接