為什麽火星上有一個大峽谷？

地球上，最偉大的地質奇觀之一是大峽谷。 科羅拉多河經過數百萬年的 雕刻，將峽谷的多個較老的部份連線在一起，這個巨大的陡峭山谷的全貌現在令人矚目且令人印象深刻。 峽谷全長 446 公裏（277 英裏），寬達 29 公裏（18 英裏），深達 1.857 公裏（1.153 英裏）。 冰川的前進、後退和融化，加上大量水的釋放，暴露了地球地質史上形成的各種巖石，包括多達 20 億年的地層。

然而，與整個太陽系中最宏偉的峽谷相比，地球大峽谷的全部範圍相形見絀：火星上的 Valles Marineris 。 火星是一顆比地球小得多的行星，有著截然不同的地質歷史，似乎不是如此巨大特征的理想候選者，但它不僅存在，而且很可能是以與地球上的大峽谷截然不同的方式創造的。 但是，它究竟是如何形成的呢？ 這就是柯羅莎·貝恩（Rosa Been）想知道的，她問道：

「你知道火星上怎麽會有一個巨大的疤痕嗎？ 就像 6 英裏深。 我很好奇是什麽原因造成的。 我聽說它可能是小行星或太陽耀斑之類的東西。

它可能是很多東西，實際上，它可能是由許多過程組合而成的。 但是，它形成的最大教訓可能根本不來自地球的大峽谷，而是一個非常不同的特征。 這是我們能夠拼湊出的最有可能的故事。

這張使用火星軌域雷射測高儀 （MOLA） 數據繪制的火星彩色地形圖顯示了最深深度之間的差異超過 20 公裏，例如通向北半球深（海洋）盆地的 Valles Marineris 深流通道，以及火星塔爾西斯地區高山山頂的最高高度。 圖片來源 ：NASA / JPL-Caltech / 亞利桑那州立大學

你看到的，上面是火星的地形圖。盡 管有許多值得註意的特征，但在討論其中最宏偉的峽谷Valles Marineris時，有一些突出的特征是相關的，它出現在火星赤道以南，就在火星上所謂的塔爾西史隆起的東部：高海拔地區（紅色）是所有太陽系中許多最大的火山的所在地。 包括奧林匹斯山，它是塔爾西斯凸起西部邊緣唯一的白頂山。 塔爾西斯地區的兩側是「深藍色」區域，對應於可能曾經是古代火星海洋家園的低海拔地區。

雖然今天，火星是一個寒冷、幹燥的沙漠世界，由於大氣壓力非常低——火星表面只有地球的 1/140——液態水無法在其表面持續存在，但在過去，火星卻大不相同。 盡管我們對太陽系過去的許多方面仍然有很大的不確定性，但我們現在知道的足夠多，可以從許多證據中重建一個非常有趣、細節豐富的火星歷史。 雖然接下來的很多內容都是一個推測性的故事，但這是目前關於火星如何變成今天的樣子的最佳共識圖片，特別是所有太陽系中「最宏偉的峽谷」是如何出現在火星上的。

雖然我們現在相信我們了解太陽和太陽系是如何形成的，但這種對我們過去的原行星階段的早期看法只是一個例證。 雖然許多原行星在很久以前就存在於我們系統形成的早期階段，但今天，只有八顆行星幸存下來。 它們中的大多數都擁有衛星，也有小的巖石、金屬和冰體分布在太陽系的各個帶和雲中。 圖片來源 ：JHUAPL/SwRI

最初，太陽系是由太陽系前的星雲和圍繞它的原行星盤形成的。 在這個星雲的中心是一顆原恒星，它將長成我們的太陽，而圓盤在其中產生了不穩定性。 隨著時間的流逝，核融合在原恒星的核心點燃，將其轉化為一顆成熟的恒星：我們的太陽。 原行星盤內的不穩定性，可能在短短幾百萬年的時間裏，開始形成許多原行星的核心，並最終形成成熟的行星。 我們相對肯定，最初有超過八個這樣的世界，而且這些額外的行星要麽被拋射，要麽被扔進太陽，要麽與其他天體相撞，從而產生了更大品質的行星並產生了衛星。

雖然這些早期行星碰撞中最著名的是年輕的地球和一個現已死亡的世界之間的碰撞，我們將其命名為忒伊亞 - 導致碎片的啟動，這些碎片將合並到我們的月球中 - 但也發生了其他碰撞。 在古柏帶的遙遠地區，一個世界與冥王星相撞，產生了卡戎和其他四顆圍繞冥王星執行的較小衛星。 金星和天王星可能發生了碰撞，也許使它們產生了不尋常的軸向傾斜。 在火星上，也發生了一次巨大的碰撞，不僅導致了它幸存的兩顆衛星火衛一和火衛一的形成， 還導致了第三顆更大的最內層 衛星的形成：一顆短暫的衛星，在它形成後不久就被摧毀了。

不僅僅是我們今天看到的兩顆火星衛星，火衛一和火衛一，隨後的行星盤相撞可能產生了火星的三顆衛星，今天只有兩顆幸存下來。 這個想法是，火星曾經最裏面的衛星在很久以前就被摧毀了，並落回了火星上。 在2016年的一篇論文中提出的這個假設的火星瞬態衛星現在是火星衛星形成的主要思想，並有助於解釋火星北半球和南半球之間地形的巨大差異。 圖片來源 ：LabEx UnivEarthS | 巴黎狄德羅大學

最有可能的是，這顆月球首先被母行星火星施加的重力潮汐力摧毀，在那裏它被拉伸成一個碎片環。 與現代火星大氣層不同，早期火星擁有更厚的行星大氣層，更類似於年輕地球的大氣層，可能被火星上持續存在的火山活動所釋放的揮發性瓦斯所增強。 然後，來自其較大衛星的環狀碎片開始與火星大氣交互作用，在那裏，阻力最終將整個環 - 一個滿月的價值 - 帶回火星，在那裏它撞擊表面並改變了行星的景觀。 火星的北半球，也許是這些過程的結果，其海拔明顯低於南半球。

正如早期地球表面有大量的水一樣，早期的火星很可能也是如此。 雖然地球的大小和品質、其活動核心、火山活動以及地表水的潤滑作用都有助於地球的板塊構造，但 火星上的構造 即使在這些早期階段的運作方式 也大不相同 。 作為一個小得多的行星，火星的冷卻速度比地球快得多，而火山活動則造成了塔爾西斯的隆起。 這種撞擊、外部加熱、內部火山活動和行星冷卻的結合可能創造了導致一個重要事件的條件：火星上 走滑斷層帶的形成 。

死海裂谷，也稱為死海轉變，是發生在西部非洲板塊和東部阿拉伯板塊之間的裂縫。 黃色箭頭表示阿拉伯板塊相對於非洲板塊的當前運動，其速率以公釐/年表示。 圖片來源 ：Mikenorton/Wikimedia Commons

在地球上，我們熟悉一個非常相似的構造特征： 死海裂谷 ，它實際上是一個斷層系統，在兩個相鄰板塊之間執行約1000公裏：西邊的非洲板塊和東邊的阿拉伯板塊。 隨著時間的流逝，這兩個板塊彼此相距移動了100多公裏，並且僅在地質學上最近的時代經歷了這種相對運動：不超過過去5000萬年左右。 裂谷帶出現在一個活躍的行星上，板塊構造通常，代表巖石圈兩部份的「分離」。 貝加爾湖 是地球上最深、最大、最古老的湖泊 ，就是由於這種裂谷現象而形成的。

在很長一段時間裏——整個 20 世紀和 21 世紀的前十年—— 對 Valles Marineris 形成的解釋 是不充分的，依賴於以下想法：

但在 2012 年， 一項科學研究 改變了一切： 加州大學洛杉磯分校科學家 An Yin （於 2023 年去世，享年 64 歲）利用太空對火星的調查數據確定，這個山谷一側的特征，包括仍然存在的古代隕石坑撞擊留下的特征，與山谷對面 150-160 公裏之間的匹配特征相移。

火星上一個古老的撞擊盆地，用黑色圓圈勾勒出來，由於Valles Marineris頂部和底部的相對運動，已經移動/偏移。 2012年，安尹首次發現了這個150-160公裏的偏移量，這是關於海員谷起源和火星早期地質歷史的一些最有力的證據。 圖片來源 ：NASA/MOLA，Mariaafrolen/Wikimedia commons

沿著斷層線的裂縫行為是建立Valles Marineris的第一步，但這只是故事的開始。 由於火星在其歷史上仍然擁有液態水——也許是我們鄰近星球存在的前 15 億年——侵蝕和裂谷壁的坍塌被普遍認為是擴大和擴大了最初裂開的狹長山谷。 （地球上的 東非裂谷 可能有一個類比。

除了侵蝕力之外，毫無疑問還發生了山體滑坡，可能與火星過去的水狀條件有關，但也與隨後的山體滑坡有關，包括在火星失去最後一絲液態地表水很久之後。 這提供了一個可能的解釋，為什麽當我們檢查Valles Marineris兩側的墻壁時，我們看到它們似乎顯示出這個峽谷底部有大量沈積物的證據。

山體滑坡還可能導致峽谷的寬度進一步擴大（以犧牲其深度為代價，表明它曾經可能比現在更深），這可能因火星地震和隨後的後期撞擊事件而進一步加劇。 例如，相對較新的 Oudemans 隕石坑的形成可能引發了Valles Marineris在其最初形成後很久內發生的一次山體滑坡。

這裏顯示的撞擊坑 Oudemans 的位置與插圖中海拔最高的 Valles Marineris 盆地重疊，可能是少數幾個主要負責後期山體滑坡的撞擊坑之一，這些滑坡有助於擴大和填充太陽系最大峽谷的最深處。 圖片來源 ：NASA，Chmee2/Wikimedia Commons

然而，火星上的構造和地球上的構造之間存在著巨大的差異，這對於理解為什麽海員谷持續了這麽久並變得如此之大非常重要，而地球上幾乎所有的裂谷，甚至我們最大的峽谷，都不到1億年。 在地球上，我們星球的巖石圈——地殼和上地幔——被分割成許多大板塊，這些板塊「漂浮」在軟流圈（下地幔）的頂部。 當這些板塊碰撞、散開、相互滑動以及以其他方式移動時，我們的世界就會形成山脈、火山和裂縫等特征。

然而，在火星上，有證據表明， 盡管它擁有構造 ，但許多獨立的、可移動的大板塊的概念與火星的整體地質歷史不一致。 火星上最大的三個地質特征如下。

1. 它的北部低地，包括火星北半球地殼非常薄的跡象，與較舊的南半球相比，最近才（透過熔巖）重新浮出水面。

2. 它的南部高地，其表面比北部低地更古老，並且包含火星上發現的最古老、最古老的撞擊坑。

3. 塔爾西史隆起：赤道高地，包含奧林匹斯山和其他幾座大山：是太陽系中最大的山峰之一。

當我們把所有這些資訊放在一起時，我們可以講述一個故事——也許是火星的過去歷史，也許是可能的，但未經證實的——解釋了Valles Marineris的形成。

數十億年前一顆小行星的巨大撞擊可能創造了火星的衛星，包括一個今天已不復存在的內部更大的衛星。 雖然這本身並不能解釋塔爾西斯地區和Valles Marineris的形成，但它可能是北半球/南半球二分法的主要原因，這種二分法在紅色星球的地質歷史中起著重要的演化作用。 圖片來源 ：Medialab，ESA 2001

首先，創造了火星衛星的巨大撞擊發生了，然後最大、最內層的衛星又落回了火星。 這是有道理的，但不一定肯定，這造成了北半球和南半球之間的二分法。 然後，火山活動和地幔頂部增厚地殼的「漂浮」（稱為等靜壓隆起）的結合發生在火星的塔爾西斯地區。

然而，由於火星的巖石圈不是移動的，這意味著火山「熱點」相對於火星表面特征沒有移動，窪地開始形成，地殼開始在該地區擴散，擴大了塔爾西史隆起和它所居住的高原狀區域。 這可能導致塔爾西史隆起開始相對於其下方的火山熱點移動，甚至可能使整個火星地殼和/或巖石圈相對於這些火山熱點移動。

因為地幔頂部地殼的穩定性取決於所謂的等靜力平衡，就像一艘漂浮在海洋上的船一樣，改變地殼相對於其下方地幔的位置會導致不穩定性。 而且，由於要承載如此多的品質，薄弱區域將開始斷裂。

這張彩色編碼的火星地圖突出顯示了巨大的疤痕或峽谷，被稱為 Valles Marineris。 太陽系的最大深度約為7公裏（23,000英尺），太陽系中沒有一個特征的長度、寬度和深度的總和比Valles Marineris更極端。 最初，地殼中的裂縫可能是由隆起的塔爾西斯地區產生的應力引起的，導致了形成這個裂谷的第一步，也是最重要的一步。 圖片來源 ：NASA World Wind – Mars（MOLA Shaded 高程圖層）

其中一個裂縫 - 也許是太陽系中任何位置中最大的裂縫，甚至包括在 水星上形成的冷卻引起的 裂縫 - 在火星表面延伸了約4000公裏（2500英裏），形成了最初的裂縫，將導致現代的Valles Marineris。 火山熱點的新位置將導致今天存在的主要火星火山，包括 奧林匹斯 山、 艾爾巴 山和三個 塔爾西斯山 ，所有這些火山目前仍在積極增長。

額外的火山和構造活動導致了Valles Marineris的進一步裂谷，包括An Yin確定的南北之間150-160公裏的「移動」。 只要水在火星上流動，Valles Marineris就可能提供了冰、雪和其他形式的水向東流入一次性海洋的主要通道，從而形成了一個流出通道網路，這些通道在現代測高數據中仍然可見。

最後，即使在火星變成一個幹燥、貧瘠的星球之後——在它的核心發電機死亡之後，在它的大氣層被剝離之後，在它的表面不可能有液態水之後——進一步的山體滑坡，可能是由地震、構造活動和/或隨後的撞擊驅動的，造成了山體滑坡，進一步擴大了其中最宏偉的峽谷，但代價是填滿了它最深的深度。 使它們比以前更淺。

從太空欣賞火星的壯麗景色，展示讓人聯想到火星大峽谷的壯麗景觀。 圖片來源 ：NASA / USGS

您必須意識到 Valles Marineris 有多大才能充分欣賞它。 從頭到尾，它的寬度約為 4000 公裏（2500 英裏），與美國大陸或澳洲大陸的程度相似。 在最寬處，從最上面的高墻邊緣到山谷對面最下的邊緣大約有 200 公裏（120 英裏）：是地球上大峽谷最大寬度的六倍多。 而且，盡管數十億年來山體滑坡已經填滿了這個山谷的最深處，但它仍然有大約7公裏（23,000英尺）深：比地球上 絕對最深的海溝還要深 。

當你考慮到火星本身是一個比地球小得多的行星時，這更令人印象深刻; 火星周長「僅」為21,000公裏（約為地球的一半），Valles Marineris橫跨 地球整個物理範圍的20% 左右。 火星的品質比地球低，其表面的重力比我們的星球小得多，這使得山脈可以達到更高的高度，山谷的形成比它們在地球上穩定形成的更深。 火星擁有比地球更大的山脈和更深的山谷並不奇怪，但其中最宏偉的峽谷 Valles Marineris 的全貌總是給人留下深刻的印象！