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说明

水手峡谷: 火星的大峡谷

相较之下，位于美国亚利桑那州的大峡谷约有800公里长，30公里宽，1.8公里深。尽管有个主要的假说认为，远在数十亿年前行星冷却时，一道裂缝后来演变成现今的峡谷，水手峡谷真实的成因还无法确定。我们已于此峡谷辨识出数种地质演化过程。概述

水手峡谷海拔地形图

在火星的腹地有一道粗糙的地质“疤痕”，其长度与纽约到洛杉矶的距离相当。火星地壳上这条巨大的断裂带叫做水手谷，它是在1972年由水手九号宇宙飞行器发现的。由数条平行相接的沟槽组成的水手谷，无论从哪方面相比都使地球上的大峡谷相形见绌。它比大峡谷更宽，更长，更深，年代也更古老，是当之无愧的峡谷之王。这张水手谷的镶嵌图像经过着色来显示火星地表。它是由热辐射成像系统（THEMIS），装配在NASA火星“奥德赛”轨道飞行器上的一部可见光和红外感应相机。火星“奥德赛”飞行器由洛克西德。马丁公司制造，喷射推进实验室负责它的飞行控制。这幅由500多张日间红外照片组成的镶嵌图显示出的山谷细节比以往任何合成照片都要多。这条山谷极为宽广，它的西部纵深直穿纳克提斯迷宫（Noctis Labyrinthus），总长约3000公里（2000英里）。尽管如此，像足球场大小（100米,328英尺）的微小细节仍可在图像中辨认出来。

地质学家认为，水手谷大约在35亿年前沿地质断层开始形成。断层是由地质构造变化以及位于西部的塔希斯（Tharsis）巨型火山的不断增长所造成的。当融化的岩石（岩浆）从地壳涌入塔希斯山后，整个地区开始抬升，这时周边的地壳岩石不断被拉伸，直至断裂形成断层和裂纹。当裂缝展开后，地面就会下沉，就像拱门移动时拱心石就会坠落一样。同时，断层也为地下水的流动打开了通道，它破坏了地表，并且扩大了断裂区域。在水手谷的无数地方，险峻而且较新暴露的崖壁变得很不牢固，由此造成的山崩使峡谷变得越来越宽。水手谷究竟何时开始停止增长还不清楚——因为直到现在有些地方仍有小型的山崩出现。但是它的主要活动大致在20亿年前就告一段落。水手谷的几个地方展示出它在形成以及发展过程中的不同阶段。这些实例有助于科学家更好地了解它的来龙去脉。

形成原因

由于火星奥林帕斯山所在的萨希思火山省不断隆升，造成邻近区域火星壳的拉张陷落，水手大峡谷由此形成。

压力之下

水手谷最初是在缓慢而无法抵御的拉力下裂开的。当地质构造运动拖拽火星地壳形成塔希斯山脉时，它的断裂在地表形成了横跨几百英里裂痕。今天所看到的裂痕只是水手谷形成过程中普遍现象中的点点残余。这些断层的弯曲形状表明，这一地区移动起来并不象厨房台面的大理石那样坚硬。反倒更象一大块从蛋糕纸上滑下的巧克力蛋糕，柔软而弯曲。另一处断裂位于塔希斯火山的北面。在那里，黄泉沟被数十条弯曲的断裂带所切割。

逐渐加宽

当地表裂开，水与融化的地下冰雪顺势下流，造成地面塌陷，部分地区被冲刷。水手谷的不同地段为这一过程提供了不同阶段的快照。例如，此处断层已经形成了塌陷坑，有些坑又互相串连，形成了大面积的凹陷。这一过程不断地侵蚀地面，直到两个相邻断层间的土地全部毁掉为止。

混乱地形

在山谷的东端，科学家观察到洪水泛滥的确凿迹象。此处的地面曾经完全浸泡在水中，当洪水退去，地表几乎完全塌陷下去，只剩下孤零零的方山和丘陵。因此，科学家们将这样的地带称为“混乱地形”也就不足为奇了。洪水最终通过数条冲刷河道涌入了北部低地。从水手谷的东端起，洪水流经一系列河道，最终到达克里斯（Chryse）盆地。在水手谷的西北方，类似的洪水从一个名为EchusChasma的凹陷处涌出，形成了凯希谷（Kasei Valles）的冲刷河道。究竟是一次势不可挡的巨大洪水涌入了河道，还是较小规模的洪水多次冲刷的结果？这依然是个未解之谜。证据显示，洪水发生在几个阶段，而且至少曾有过一次巨大的泛滥。尽管发生在数百万年前，但是这段洪水泛滥现象却集中发生在火星历史上一个称为“西方纪”（Hesperian）的时期。这个时期是处在形成巨大陨石坑和火山活动最剧烈的“诺亚纪”（Noachian）之后，与“亚马逊河代”（Amazonian）之前的一个过渡时期。这三个时期的命名取自三个特定的区域：诺亚台地（Noachis Terra?）、西方之国平原（Hesperia Planum）以及亚马逊河平地（AmazonisPlanitia）。虽然只能大概推断出“西方纪”的时间跨度，但是科学家认为这一时期开始于约35亿年前，结束于约20亿年前。在这段时期，除了大规模的洪水泛滥和Tharsis的增长，火星经历了数次缓慢的撞击并形成一些陨石坑与盆地，火星的气候也逐渐变得越来越寒冷，越来越干燥。

消弱的阻力

并不是山谷内所有的侵蚀都会引发灾难性的洪水。在Louros谷等地，大量的支流峡谷侵入山谷的的南部边缘，峡谷不断加宽，并伴有轻度侵蚀。这些峡谷和山谷的主要部分很可能是在同样的原理下形成的，即地下水的流失，但是这些峡谷的水量更少，规模更小，结果也更集中。就像地质学家推想的那样，水以泉眼或渗漏的形式从峡谷峭壁中流下，并将沉积物冲走。这种逐渐侵蚀的过程带来的结果就是从峡谷边缘向后缓慢倾斜的圆顶山谷。岩石的断层和裂缝引导了侵蚀的方向，于是日益增长的山谷就形成了特有的树枝状。

在这里所看到的支流峡谷与位于亚利桑那州北部著名的大峡谷堪有一比。大峡谷蜿蜒约800公里(500英里)，而这些支流峡谷长度只有140公里(72英里)。但是这个峡谷与水手谷的相接处深达3800余米(12500英尺)，其深度超过地球上的大峡谷的两倍。在陨石坑底的中心也可以观察到地下水的作用。在陨石坑口，围绕着薄薄一层约7公里(4.5英里)宽，有着凸起外缘的岩屑层。科学家们称之为壁垒陨石坑。科学家们说，这个裙形的岩屑层表明在撞击发生时，地表中存有大量的水或冰。冲击产生的热能释放出地表中的水，并湿润了飞扬的碎屑，从而形成了一道约70米高(240英尺)，有壁垒环绕的半固体扩散圈。

不断的滑坡

在水不断地侵蚀下，悬崖与谷壁通常很不牢固，水手谷的多处地方都是因为山体滑坡而加宽的。这处特殊的滑坡坍塌了数千英尺，最大塌方长度达100公里（60英里）。更进一步的观察显示，此处曾经发生了数次山体滑坡，新的塌方不断将上一次的塌方掩埋。正如地球上的山体滑坡一样，火星上的滑坡可以波及很长的距离，尤其当岩石碎块中含有水或者气体，使摩擦力大大减少的时候。科学家们甚至认为，火星上稀薄的空气很可能也是造成这种巨大滑坡中原因之一。同样的，如果长度缩短，滑坡遍及了水手谷的大部分地区，并有助于峡谷的加宽。

缺省的历史

然而，水手谷的历史上不单单只受到侵蚀。在左图中显示的米拉斯峡谷（Melas Chasma），以及堪德峡谷（Candor Chasma）和俄斐峡谷（Candor Chasma）等地，谷底堆积了高高的沉积物。地质学家称之为内部层叠沉积物。这些物质的起源和特性，可能是水手谷内最大的奥秘。在赫柏斯峡谷（ChasmaHebes)）等地，沉积物层层堆叠，几乎可以触及到山谷的边缘。它们呈现出侵蚀的岩脊和阶地，孤立的小山、平顶的台地等等不同形态。在某些地方，沉积物被山体滑坡的岩石碎块所覆盖。那么这些沉积层从何而来？这依然是个未知数。另一个费解之谜是火星历史上曾经有过怎样湿润的环境？在水手谷内部，恒河峡谷（Ganges Chasma）的谷底，含有富含橄榄石的玄武岩但是在峡谷系统的其他部分，例如堪德峡谷（Candor Chasma），水的酸性也比“机遇号”火星车在梅里迪亚尼平原所发现的要低。因其极为突出的特点，水手谷显然在火星历史上占据了重要的篇幅。虽然科学家已经可以列出火星历史的概要，但是其中的细节还难以考究。

不管水手谷的故事会如何发展，解决这些或者那些未解之谜的过程都将使科学家更好地研究地球隔壁这片红色世界的历史。

火星主要分区

科普来特斯峡谷

这个峡谷系统再往东是科普来特斯峡谷（Coprates Chasma），非常类似伊乌斯和提托诺恩峡谷，除了地理位置以外。科普来特斯峡谷也包含冲积物和风积物沉积物质。科普来特斯峡谷就像伊乌斯峡谷一样有多层沉积物，虽然在柯普来特斯峡谷的沉积物分层更加明显。这些沉积物的年代早于水手号峡谷系统形成以前，因此认为侵蚀和沉积作用是晚于水手号峡谷系统形成。来自火星全球探勘者号的较新资料显示这些地层的由来可能是火山造成连续山崩的崩积物一层层覆盖或者是液态水或冰的湖底，如果是湖底的话则水手号峡谷周围的峡谷可能曾经是因为侵蚀崩溃而形成的孤立湖泊。地层沉积物的其他来源可能是风吹造成，但地层状况显示风并非主要来源。同时也发现到只有上层是薄层，同时下层相当厚，这代表较低层是由大量岩石崩裂形成，较高层则是其他来源。有部分的地层可能因为山崩被转移到山谷底部，其中有一半是保持完好，但看起来像高度变形的地层，其底部会变厚或变薄，并且有多个褶皱。这个复杂的地形可能只是来自一个古老湖底被侵蚀的沉积物，并且看起来很复杂；这是因为我们是以观看地质图的方式鸟瞰，尚无足够的高程资料证实底部是否平坦。

厄俄斯和恒河峡谷

东方是厄俄斯峡谷（Eos Chasma）和恒河峡谷（Ganges Chasma）。厄俄斯峡谷西部的谷底主要是由因为火山或风积作用形成的沉积物受到火星风侵蚀后的被侵蚀的大量物质；其东部则是大面积的线状物和纵向条纹。一般认为是高原沉积物被流体侵蚀后搬运到当地沉积造成。恒河峡谷则是厄俄斯峡谷的一个东西走向分支峡谷。恒河峡谷的谷底主要是由来自峡谷悬崖的水流沉积物组成。

克里斯平原

在厄俄斯和恒河峡谷东端是水手号峡谷的终点，流入火星北方大平原附属的克里斯平原，克里斯平原的高度只比水手号峡谷中的最低点（位于米拉斯峡谷）高约1公里。这个外流到北方大平原的区域地形相当类似于火星探路者的登陆地点。在地球上与火星上外流浚道（Outflowchannels，暂译）类似的地形是美国华盛顿州东部的ChanneledScablands。华盛顿州东部的史卡布土地（Scablands，暂译）是晚更新世时冰坝形成米苏拉湖（GlacialLakeMissoula）和冰坝溃坝后产生的洪水多次循环造成的。冰坝可能会挡住河水一段时间，但当溃坝时冰可能会浮在大量的洪水中，而且大片区域的表层土壤和植被也会被带走，留下以泪滴状岛屿、纵向槽沟和河阶地为主的贫瘠地区。在火星上可在外流浚道看到类似地形，但规模更大。这些向外水流连续地经由数个混沌地形：欧若拉混沌（AuroraeChaos）和海德拉奥特斯混沌（HydraotesChaos），最后经由西穆德谷和提尔谷进入克里斯平原。

费解之谜

沉积层从何而来？

这种平铺、无扭曲的层叠说明沉积物是在一个平静的地质环境下堆积起来的。例如，从天而降的火山灰，或是沉积在湖泊或者大片静止水域的沉积物。但是如果沉淀物质的来源是湖床沉积物，那么它们又是如何进入了山谷？这依然是个未知数。

火星历史上曾经有过怎样湿润的环境？

在水手谷内部，恒河峡谷（GangesChasma）的谷底，含有富含橄榄石的玄武岩。橄榄石是一种呈绿色的矿物，当其置于水中时，很快会被水侵蚀为其他形态。恒河峡谷内的橄榄石表明，在峡谷历史上只存在过相对少量的水。

但是在峡谷系统的其他部分，例如堪德峡谷（candorChasma），科学家们发现了粘土矿物。这表明岩石和岩屑曾经被水严重侵蚀。此外，这里水的酸性也比“机遇号”火星车在梅里迪亚尼平原所发现的要低。[1]

最新发现

当地时间2021年12月15日，欧洲航天局发布公告称，该机构与俄罗斯国家航天集团公司（Roscosmos）联合实施的火星探测项目通过其微量气体轨道飞行器（TGO）发现，火星水手号峡谷中心区域的地下存在大量的水，这些水可能以冰或者含水矿物的形态存在。[2]