为什么火星上有一个大峡谷？

地球上，最伟大的地质奇观之一是大峡谷。 科罗拉多河经过数百万年的 雕刻，将峡谷的多个较老的部分连接在一起，这个巨大的陡峭山谷的全貌现在令人瞩目且令人印象深刻。 峡谷全长 446 公里（277 英里），宽达 29 公里（18 英里），深达 1.857 公里（1.153 英里）。 冰川的前进、后退和融化，加上大量水的释放，暴露了地球地质史上形成的各种岩石，包括多达 20 亿年的地层。

然而，与整个太阳系中最宏伟的峡谷相比，地球大峡谷的全部范围相形见绌：火星上的 Valles Marineris 。 火星是一颗比地球小得多的行星，有着截然不同的地质历史，似乎不是如此巨大特征的理想候选者，但它不仅存在，而且很可能是以与地球上的大峡谷截然不同的方式创造的。 但是，它究竟是如何形成的呢？ 这就是罗莎·贝恩（Rosa Been）想知道的，她问道：

「你知道火星上怎么会有一个巨大的疤痕吗？ 就像 6 英里深。 我很好奇是什么原因造成的。 我听说它可能是小行星或太阳耀斑之类的东西。

它可能是很多东西，实际上，它可能是由许多过程组合而成的。 但是，它形成的最大教训可能根本不来自地球的大峡谷，而是一个非常不同的特征。 这是我们能够拼凑出的最有可能的故事。

这张使用火星轨道激光测高仪 （MOLA） 数据绘制的火星彩色地形图显示了最深深度之间的差异超过 20 公里，例如通向北半球深（海洋）盆地的 Valles Marineris 深流通道，以及火星塔尔西斯地区高山山顶的最高高度。 图片来源 ：NASA / JPL-Caltech / 亚利桑那州立大学

你看到的，上面是火星的地形图。尽 管有许多值得注意的特征，但在讨论其中最宏伟的峡谷Valles Marineris时，有一些突出的特征是相关的，它出现在火星赤道以南，就在火星上所谓的塔尔西斯隆起的东部：高海拔地区（红色）是所有太阳系中许多最大的火山的所在地。 包括奥林匹斯山，它是塔尔西斯凸起西部边缘唯一的白顶山。 塔尔西斯地区的两侧是「深蓝色」区域，对应于可能曾经是古代火星海洋家园的低海拔地区。

虽然今天，火星是一个寒冷、干燥的沙漠世界，由于大气压力非常低——火星表面只有地球的 1/140——液态水无法在其表面持续存在，但在过去，火星却大不相同。 尽管我们对太阳系过去的许多方面仍然有很大的不确定性，但我们现在知道的足够多，可以从许多证据中重建一个非常有趣、细节丰富的火星历史。 虽然接下来的很多内容都是一个推测性的故事，但这是目前关于火星如何变成今天的样子的最佳共识图片，特别是所有太阳系中「最宏伟的峡谷」是如何出现在火星上的。

虽然我们现在相信我们了解太阳和太阳系是如何形成的，但这种对我们过去的原行星阶段的早期看法只是一个例证。 虽然许多原行星在很久以前就存在于我们系统形成的早期阶段，但今天，只有八颗行星幸存下来。 它们中的大多数都拥有卫星，也有小的岩石、金属和冰体分布在太阳系的各个带和云中。 图片来源 ：JHUAPL/SwRI

最初，太阳系是由太阳系前的星云和围绕它的原行星盘形成的。 在这个星云的中心是一颗原恒星，它将长成我们的太阳，而圆盘在其中产生了不稳定性。 随着时间的流逝，核聚变在原恒星的核心点燃，将其转化为一颗成熟的恒星：我们的太阳。 原行星盘内的不稳定性，可能在短短几百万年的时间里，开始形成许多原行星的核心，并最终形成成熟的行星。 我们相对肯定，最初有超过八个这样的世界，而且这些额外的行星要么被抛射，要么被扔进太阳，要么与其他天体相撞，从而产生了更大质量的行星并产生了卫星。

虽然这些早期行星碰撞中最著名的是年轻的地球和一个现已死亡的世界之间的碰撞，我们将其命名为忒伊亚 - 导致碎片的启动，这些碎片将合并到我们的月球中 - 但也发生了其他碰撞。 在柯伊伯带的遥远地区，一个世界与冥王星相撞，产生了卡戎和其他四颗围绕冥王星运行的较小卫星。 金星和天王星可能发生了碰撞，也许使它们产生了不寻常的轴向倾斜。 在火星上，也发生了一次巨大的碰撞，不仅导致了它幸存的两颗卫星火卫一和火卫一的形成， 还导致了第三颗更大的最内层 卫星的形成：一颗短暂的卫星，在它形成后不久就被摧毁了。

不仅仅是我们今天看到的两颗火星卫星，火卫一和火卫一，随后的行星盘相撞可能产生了火星的三颗卫星，今天只有两颗幸存下来。 这个想法是，火星曾经最里面的卫星在很久以前就被摧毁了，并落回了火星上。 在2016年的一篇论文中提出的这个假设的火星瞬态卫星现在是火星卫星形成的主要思想，并有助于解释火星北半球和南半球之间地形的巨大差异。 图片来源 ：LabEx UnivEarthS | 巴黎狄德罗大学

最有可能的是，这颗月球首先被母行星火星施加的引力潮汐力摧毁，在那里它被拉伸成一个碎片环。 与现代火星大气层不同，早期火星拥有更厚的行星大气层，更类似于年轻地球的大气层，可能被火星上持续存在的火山活动所释放的挥发性气体所增强。 然后，来自其较大卫星的环状碎片开始与火星大气相互作用，在那里，阻力最终将整个环 - 一个满月的价值 - 带回火星，在那里它撞击表面并改变了行星的景观。 火星的北半球，也许是这些过程的结果，其海拔明显低于南半球。

正如早期地球表面有大量的水一样，早期的火星很可能也是如此。 虽然地球的大小和质量、其活动核心、火山活动以及地表水的润滑作用都有助于地球的板块构造，但 火星上的构造 即使在这些早期阶段的运作方式 也大不相同 。 作为一个小得多的行星，火星的冷却速度比地球快得多，而火山活动则造成了塔尔西斯的隆起。 这种撞击、外部加热、内部火山活动和行星冷却的结合可能创造了导致一个重要事件的条件：火星上 走滑断层带的形成 。

死海裂谷，也称为死海转变，是发生在西部非洲板块和东部阿拉伯板块之间的裂缝。 黄色箭头表示阿拉伯板块相对于非洲板块的当前运动，其速率以毫米/年表示。 图片来源 ：Mikenorton/Wikimedia Commons

在地球上，我们熟悉一个非常相似的构造特征： 死海裂谷 ，它实际上是一个断层系统，在两个相邻板块之间运行约1000公里：西边的非洲板块和东边的阿拉伯板块。 随着时间的流逝，这两个板块彼此相距移动了100多公里，并且仅在地质学上最近的时代经历了这种相对运动：不超过过去5000万年左右。 裂谷带出现在一个活跃的行星上，板块构造通常，代表岩石圈两部分的「分离」。 贝加尔湖 是地球上最深、最大、最古老的湖泊 ，就是由于这种裂谷现象而形成的。

在很长一段时间里——整个 20 世纪和 21 世纪的前十年—— 对 Valles Marineris 形成的解释 是不充分的，依赖于以下想法：

但在 2012 年， 一项科学研究 改变了一切： 加州大学洛杉矶分校科学家 An Yin （于 2023 年去世，享年 64 岁）利用太空对火星的调查数据确定，这个山谷一侧的特征，包括仍然存在的古代陨石坑撞击留下的特征，与山谷对面 150-160 公里之间的匹配特征相移。

火星上一个古老的撞击盆地，用黑色圆圈勾勒出来，由于Valles Marineris顶部和底部的相对运动，已经移动/偏移。 2012年，安尹首次发现了这个150-160公里的偏移量，这是关于水手谷起源和火星早期地质历史的一些最有力的证据。 图片来源 ：NASA/MOLA，Mariaafrolen/Wikimedia commons

沿着断层线的裂缝行为是创建Valles Marineris的第一步，但这只是故事的开始。 由于火星在其历史上仍然拥有液态水——也许是我们邻近星球存在的前 15 亿年——侵蚀和裂谷壁的坍塌被普遍认为是扩大和扩大了最初裂开的狭长山谷。 （地球上的 东非裂谷 可能有一个类比。

除了侵蚀力之外，毫无疑问还发生了山体滑坡，可能与火星过去的水状条件有关，但也与随后的山体滑坡有关，包括在火星失去最后一丝液态地表水很久之后。 这提供了一个可能的解释，为什么当我们检查Valles Marineris两侧的墙壁时，我们看到它们似乎显示出这个峡谷底部有大量沉积物的证据。

山体滑坡还可能导致峡谷的宽度进一步扩大（以牺牲其深度为代价，表明它曾经可能比现在更深），这可能因火星地震和随后的后期撞击事件而进一步加剧。 例如，相对较新的 Oudemans 陨石坑的形成可能引发了Valles Marineris在其最初形成后很久内发生的一次山体滑坡。

这里显示的撞击坑 Oudemans 的位置与插图中海拔最高的 Valles Marineris 盆地重叠，可能是少数几个主要负责后期山体滑坡的撞击坑之一，这些滑坡有助于扩大和填充太阳系最大峡谷的最深处。 图片来源 ：NASA，Chmee2/Wikimedia Commons

然而，火星上的构造和地球上的构造之间存在着巨大的差异，这对于理解为什么水手谷持续了这么久并变得如此之大非常重要，而地球上几乎所有的裂谷，甚至我们最大的峡谷，都不到1亿年。 在地球上，我们星球的岩石圈——地壳和上地幔——被分割成许多大板块，这些板块「漂浮」在软流圈（下地幔）的顶部。 当这些板块碰撞、散开、相互滑动以及以其他方式移动时，我们的世界就会形成山脉、火山和裂缝等特征。

然而，在火星上，有证据表明， 尽管它拥有构造 ，但许多独立的、可移动的大板块的概念与火星的整体地质历史不一致。 火星上最大的三个地质特征如下。

1. 它的北部低地，包括火星北半球地壳非常薄的迹象，与较旧的南半球相比，最近才（通过熔岩）重新浮出水面。

2. 它的南部高地，其表面比北部低地更古老，并且包含火星上发现的最古老、最古老的撞击坑。

3. 塔尔西斯隆起：赤道高地，包含奥林匹斯山和其他几座大山：是太阳系中最大的山峰之一。

当我们把所有这些信息放在一起时，我们可以讲述一个故事——也许是火星的过去历史，也许是可能的，但未经证实的——解释了Valles Marineris的形成。

数十亿年前一颗小行星的巨大撞击可能创造了火星的卫星，包括一个今天已不复存在的内部更大的卫星。 虽然这本身并不能解释塔尔西斯地区和Valles Marineris的形成，但它可能是北半球/南半球二分法的主要原因，这种二分法在红色星球的地质历史中起着重要的演化作用。 图片来源 ：Medialab，ESA 2001

首先，创造了火星卫星的巨大撞击发生了，然后最大、最内层的卫星又落回了火星。 这是有道理的，但不一定肯定，这造成了北半球和南半球之间的二分法。 然后，火山活动和地幔顶部增厚地壳的「漂浮」（称为等静压隆起）的结合发生在火星的塔尔西斯地区。

然而，由于火星的岩石圈不是移动的，这意味着火山「热点」相对于火星表面特征没有移动，洼地开始形成，地壳开始在该地区扩散，扩大了塔尔西斯隆起和它所居住的高原状区域。 这可能导致塔尔西斯隆起开始相对于其下方的火山热点移动，甚至可能使整个火星地壳和/或岩石圈相对于这些火山热点移动。

因为地幔顶部地壳的稳定性取决于所谓的等静力平衡，就像一艘漂浮在海洋上的船一样，改变地壳相对于其下方地幔的位置会导致不稳定性。 而且，由于要承载如此多的质量，薄弱区域将开始断裂。

这张彩色编码的火星地图突出显示了巨大的疤痕或峡谷，被称为 Valles Marineris。 太阳系的最大深度约为7公里（23,000英尺），太阳系中没有一个特征的长度、宽度和深度的总和比Valles Marineris更极端。 最初，地壳中的裂缝可能是由隆起的塔尔西斯地区产生的应力引起的，导致了形成这个裂谷的第一步，也是最重要的一步。 图片来源 ：NASA World Wind – Mars（MOLA Shaded 高程图层）

其中一个裂缝 - 也许是太阳系中任何位置中最大的裂缝，甚至包括在 水星上形成的冷却引起的 裂缝 - 在火星表面延伸了约4000公里（2500英里），形成了最初的裂缝，将导致现代的Valles Marineris。 火山热点的新位置将导致今天存在的主要火星火山，包括 奥林匹斯 山、 阿尔巴 山和三个 塔尔西斯山 ，所有这些火山目前仍在积极增长。

额外的火山和构造活动导致了Valles Marineris的进一步裂谷，包括An Yin确定的南北之间150-160公里的「移动」。 只要水在火星上流动，Valles Marineris就可能提供了冰、雪和其他形式的水向东流入一次性海洋的主要通道，从而形成了一个流出通道网络，这些通道在现代测高数据中仍然可见。

最后，即使在火星变成一个干燥、贫瘠的星球之后——在它的核心发电机死亡之后，在它的大气层被剥离之后，在它的表面不可能有液态水之后——进一步的山体滑坡，可能是由地震、构造活动和/或随后的撞击驱动的，造成了山体滑坡，进一步扩大了其中最宏伟的峡谷，但代价是填满了它最深的深度。 使它们比以前更浅。

从太空欣赏火星的壮丽景色，展示让人联想到火星大峡谷的壮丽景观。 图片来源 ：NASA / USGS

您必须意识到 Valles Marineris 有多大才能充分欣赏它。 从头到尾，它的宽度约为 4000 公里（2500 英里），与美国大陆或澳大利亚大陆的程度相似。 在最宽处，从最上面的高墙边缘到山谷对面最下的边缘大约有 200 公里（120 英里）：是地球上大峡谷最大宽度的六倍多。 而且，尽管数十亿年来山体滑坡已经填满了这个山谷的最深处，但它仍然有大约7公里（23,000英尺）深：比地球上 绝对最深的海沟还要深 。

当你考虑到火星本身是一个比地球小得多的行星时，这更令人印象深刻; 火星周长「仅」为21,000公里（约为地球的一半），Valles Marineris横跨 地球整个物理范围的20% 左右。 火星的质量比地球低，其表面的重力比我们的星球小得多，这使得山脉可以达到更高的高度，山谷的形成比它们在地球上稳定形成的更深。 火星拥有比地球更大的山脉和更深的山谷并不奇怪，但其中最宏伟的峡谷 Valles Marineris 的全貌总是给人留下深刻的印象！