【石头科普】诺亚之地——纪录与想象(上)

诺亚之地-记录与想象(上)       其色金红,荧荧如火,行踪无定,故名荧惑。又循五行,名其火星。这颗淡红色的星球在人类众多文明中都被赋予了与其颜色相关的名称。       红色令人联想到鲜血,恐惧与灾祸,于是在西方世界中它以罗马神话中战神Mars所命名,它

诺亚之地-纪录与想象(上)



      其色金红,荧荧如火,行踪无定,故名荧惑。又循五行,名其火星。这颗淡红色的星球在人类众多文明中都被赋予了与其颜色相关的名称。

      红色令人联想到鲜血,恐惧与灾祸,于是在西方天下中它以罗马神话中战神Mars所命名,它的两颗卫星Phobos与Deimos,在赫西俄德的诗歌中均以希腊神话中战神Ares之子的形象泛起,亦为象征恐惧的神明。埃及人将它称为“Her Desher”,意即红色的。久远的巴比伦文书纪录中,它化身为战争与瘟疫之神Nergal,以其明暗昭示时运。而在中国古代,时常将荧惑与童谣相联系以示休咎之应,《论衡·订鬼》有载:“天地之气为妖者, 太阳之气也。妖与毒同, 气中伤人者谓之毒, 气转变者谓之妖。世谓童谣, 荧惑使之, 彼言有所见也。”

      人类的故事与文明中,这座夜空中的红色灯塔历久占有着人们的想象,神话赋予其符号化的象征:激情,勇气,气忿与战争。随着观察手艺的生长,有关火星的图像变得愈加庞大,厚实,玄妙与矛盾。从一个由望远镜修建的梦乡天下祛魅为苍莽寥寂的荒原,它在想象的湮灭中回归土地的实存。这是颗岩浆作育的星球,含铁矿物的氧化形成了赤红色,严寒的地表被全球沙暴所笼罩,稀薄的大气由二氧化碳,氮气和氩气组成,生命难以在此驻足。追溯它的历史,在无数撞击坑笼罩的地层之下,一个被纪录的古老绘卷展现在我们眼前。


图 1: 1965 年,由水手四号传回的数据手绘而成的第一张火星外面电视图像。图片泉源:NASA

1.

 “这只是漫长历史的最后片晌”

作为一颗典型的类地行星,火星历久缺失类似地球的板块组织对地表的翻新重构,较为完整地保留了漫长地质演化中地壳特征。

      1971 年 11 月,NASA 的水手 9 号飞船到达火星,造访了这个被全球性沙暴掩饰的星球,在一片尘雾之中,唯一可见的只有隐约透出的四个圆斑。待到沙暴削弱时我们终于发现了,一直以来   看到的原来是四座火山,伟大的火山口穿过尘雾,屹立于风沙笼罩的大地之上。


图 2: 晨雾中的塔尔西斯,由 Mars Express 摄于 2010年5月23日。图片泉源:ESA

      这些盾形火山的尺寸使地球上的一切山峰都相形见绌。最高的山被命名为奥林匹斯山 (Olympus Mons),即希腊神话中众神的寓所,作为盾形火山,虽然大部门地方山势平缓,平均坡度不外 6 度, 但直径跨越 550 公里的底部依旧将其作育为太阳系第一岑岭,它凌驾周围平原约 25 千米,伫立在广漠的火山组织区域塔尔西斯(Tharsis) 隆起西部边缘。


图 3: 塔尔西斯西北部,由 Viking Orbiter 1 摄于1978年6月24日。图片泉源:NASA/JPL/USGS


图 4: 从塔尔西斯向东南方远望,远景为奥林匹斯山。纵向放大 10 倍。图片泉源:Carr (2007)

      在塔尔西斯山群中还漫衍着艾斯克雷尔斯山(Ascraeus Mons),帕弗尼斯山 (Pavonis Mons) 以及阿尔西亚山(Arsia Mons)(合称Tharsis Montes),在隆起北部有着太阳系占地面积最广的火山——阿尔巴火山 (Alba Mons),其直径约 2000 公里,宽阔的火山口,蓦地拔起的山巅,一切都是云云壮丽无俦。这些普遍漫衍的火山流动通常被注释为地幔柱历久作用的效果,但这种数十亿年稳固的上升流驱动源以及持续时间等还存在很大争议。整个隆起区域据估算约包罗3 × 10^8 立方千米的火山岩 (Spohn et al. (2014)),岩石圈受其重力加载影响,在周围普遍发育拉张的舒展组织。在隆起东侧有一系列绵延数千公里,深至10km的峡谷,统称为水手峡谷(Valles Marineris)。这些放射状漫衍的峡谷据推测由断层形成,在后期履历了河流的强烈革新。而在峡谷延伸的末尾,大片区域似乎已经塌陷为混沌地形 (chaotic terrain), 山脊、裂痕、平原混杂交织,始滥觞,泻洪源,又疏为江河,发而千里,现在只剩下干枯河床,沙砾与灰尘。


图 5: 火星北纬 65 度-南纬 65 度地形图,主要正地形为塔尔西斯 (Tharsis) 与埃律西昂 (Elysium) 隆起,主要负地形为撞击盆地-希腊 (Hellas), 阿尔及尔 (Argyre), 伊希地 (Isidis) 以及最大的埋藏盆地 (buried basin) 乌托邦(Utopia)。图片泉源:NASA/JPL/GSFC(MOLA)

      现在,通过激光高度计获得的地形数据使我们更近一步领会火星外面组织特征,最显著的即南北半球二分性(dichotomy)。火星的南半球阵势较高,岩石岁数较老,普遍漫衍撞击坑,与之将对的,北半球阵势约比南半球低 3-6km,推测地壳厚度约薄25km(Spohn et al. (2014)), 岩石岁数较新,普遍漫衍熔岩流。这种巧妙的二分性的泉源至今仍未获得定论,可能的料想与内部对流作用或者外部早期撞击事宜相关(Zhong et al. (2001);Citron et al. (2018b))。

      这些南半球广布的撞击盆地成为了除了火山流动外另一显著特征。凭据规模排序最大的依次为   希腊(Hellas,直径2600公里), 伊希地(Isidis,直径1600公里),阿尔及尔 (Argyre,直径1500公里)。

      撞击坑的漫衍是打开历史之门的一把珍贵的钥匙。太阳系中所有天体地表形态都受到陨石撞击的影响,在地球上,以中国的区域面积估量,每1000-2000万年会形成1个直径大于 10km的撞击坑,大于100km的则约10亿年一个。经受更多撞击的区域具有更古老的岁数,依此可以给出火星外面差别区域的相对岁数。连系推测的撞击频率随时间转变的模子,这种测年方式可以给出绝对岁数。但其误差局限依旧很广,取决于详细模子设置。


图 6: 希腊撞击盆地(Hellas basin), 由 Mars Express 摄于 2016 年 2 月 13 日。图片泉源:ESA/DLR/FU Berlin


图 7: 希腊撞击盆地 (Hellas basin) 东北区域含泥质层状岩体, 对应区域巨细约750mx1250m。图片泉源:NASA/JPL

    火星的主要组织特征可被划分在三个地质年代中,最接近现代的亚马逊纪(Amazonian,3.3- 0Ga)与干燥、氧化的地表条件以及风蚀相关,更为古老的西方纪(Hesperian,3.7-3.3Ga)则表征了普遍的火山流动以及灾难性洪水,而这之前的诺亚纪(Noachian,3.7Ga-)则是灾难性洪水革新地表最为猛烈的时期,它由南半球的诺亚地块(Noachis Terra)所界说,正如圣经中著名的洪水灭世的传说,地面淹没,泉源开裂,水势浩荡,掩埋一切,此处正是诺亚之地。


图 8: 火星历史上重大事宜时间表。总体而言绝对岁数存在较大不确定性,但相对顺序可靠性较高。图片来源:Wordsworth (2016)

2.

“自此以后,它就成为了已往的幻影……”

崚嶒山脉、逶迤深谷,数不胜数的撞击坑,破碎地形上的巨细石砾……水手9号所摄下的一切都是三十多亿年前就存在的景物。只管经由水蚀、风化等表层地质历程的后期革新,这里始终保留着开天辟地之际同样幽静的情景。不外,与我们今天看到的这个干燥严寒的荒原相比,诺亚纪的地壳纪录了一种更富活力的可能性。这里曾经有过大量液态水,洪流滉瀁,浩浩汤汤,让人忍不住想象或许某种形式的生命曾经存在过。然而,与水相关的特征可能是火星地质上最为庞大的问题。火星外面保留着大量受液态水作用影响形成的地貌特征。从早期的河谷网络(valley network)、火山口湖和三角洲到西方纪之后广布的外流水道 (outflow channels) 以及中纬度区域漫衍的冲沟 (gullies),这些水流镌刻的地貌成为了争议的焦点,其形成缘故原由、确切岁数、持续时间等都还有待进一步探索。只管云云,研究者一致以为,虽然详细含量未知,但火星早期历史上存在整个行星局限漫衍的液态水,厥后地表愈发干燥,逐步形成了今天干旱的荒原。


图 9: 火星全球河谷网络漫衍图。图片泉源:Grau Galofre et al. (2020)

       诺亚纪的地形与天气模子的联系之间存在许多想象空间,差别模子勾勒出截然差别的图景。争议主要集中在两点,水的相对含量以及外面温度。这里曾经向地球一样温暖湿润吗?抑或是纵然严寒也有地下水流涌动?照样说含冻裂地,冰塞雪满?


图 10: 火星早期差别天气模子构想。图片泉源:Wordsworth (2016)

      若是乐观一点地想象,似乎有不少证据支持这里可能是另一个宜居“地球”。普遍的侵蚀作用将诺亚纪   与更年轻的地貌区别开来,约莫 37 亿年以前,这里保持着极高的侵蚀速率 (约 10^(−6)-10^(−5)m/yr),在今后急剧降低。在整个诺亚纪地形中广布水合次生硅酸盐矿物,而较年轻的地形中险些不见。通常以为这是地表温暖湿润导致的原生火成岩风化而发生的含水矿物(主要是黏土),另一种注释是这些含水矿物可能在地表以下形成,被撞击作用带至地面。

      从地貌上来看,这一时期形成了大量河谷网络。它们主要位于比北部更古老的南部高地,部门与地球上的流域相似,大致呈树状漫衍,这种漫衍往往与由降水驱动的水循环相关。河谷网络形态的多样性还解释,除了地表径流作用外,还存在地下水潜蚀以及冰川侵蚀的可能性。


图 11: Parana Valles, 火星Margaritifer Sinus 区域漫衍片的河谷网络,区域宽度约250km,由 Viking 1 号摄于1976 年 9 月 13 日。图片泉源:NASA/JPL


图 12: 基于火星地形的河谷网络区域漫衍图。泉源:NASA/JPL/ASU

      多数河谷平缓终止于局部凹陷,在坑口内可能形成火山口湖,河谷末尾通常缺少沉积物,这可能是由于侵蚀形成的物质颗粒太细难以形成三角洲,或者直接笼罩凹陷形成广漠的冲积扇。只管云云,在全球外面地形图上依旧识别出了几十个三角洲,这些三角洲以及凹陷内存在的沉积物将为湖泊演化提供更多的证据支持。这些数据在不久后可能由NASA的毅力号 (Perseverance) 返回,它预计于 2021 年 2月18 日上岸耶泽罗撞击坑 (Jezero Crater) 四周,寻找可以保留生物特征的岩石,寻找火星早期生命存在的可能性。


图 13: Jezero Crater 内古河流-三角洲数字地形模子,凭据火星侦探轨道器 HiRISE 数据绘制。图片泉源:NASA/JPL/UA

      流域整体形态的水文学也为诺亚纪水循环性子提供了主要线索。对于诺亚纪南部高地的剖析解释内流湖数目远超于外流湖,表示湿润的天气不太可能长时间维持。另一方面,外流湖的迳流率随位置转变显著,干旱与湿润的环境似乎有同时存在的可能。从原位观察来看,NASA 的好奇号(Curiosity)在盖尔撞击坑(Gale Crater) 发现了砾岩(一种常与水流搬运作用相关的沉积岩)露头,这些砾岩与地球上对应物形态相似,但样本的化学剖析解释这些矿物受水蚀变质影响很小,解释造成侵蚀作用的诺亚纪晚期至西方纪外面河流持续时间较短。


图 14: (a) 好奇号在盖尔撞击坑发现的砾岩 (b) 对比地球上冲积扇沉积中观察到类似巨细和形状的圆形碎屑, 图片泉源:Williams et al. (2013)

      这些证据都指向一种差别于已往的料想,比起淹没一切的暴雨镌刻形成了河谷,较长时间内中等规模的间歇性水流侵蚀事宜作育了这样的火星外面形态似乎更为合理。

      若是我们加倍乐观一点,这里或许还曾经存在海洋。北部平原内存在种种类似古海岸线的地质界线曾被以为是海洋存在的依据。一个古老的海洋,一个温暖湿润的天下, 一种令人兴奋的图景。

然而今天越来越多的研究否认了这种乐观的想象。也许这里一直处于冰雪笼罩之下,有过偶发性变暖,但非一直处于这种温顺条件之下。这些推论主要来自火星早期天气模子。那时的太阳亮度据估算比现在约低 20-30%,加之在早期强烈的极紫外辐射作用以及撞击影响下,火星原始大气可能在40亿年前早已消逝殆尽 (Grott et al. (2011)),模拟显示稀薄的大气保温层和更黯淡的太阳无法历久提供融化全球冰雪的热量。但许多模子提出了使火星天气短暂变暖的机制,好比撞击将大量水溅射至大气环境,火山喷发释放温室气体等等。这些短暂的周期性变暖事宜可能导致了诺亚纪南部高地冰雪融化,镌刻出河谷网络和其他河流特征。

      自此以后,只管存在偶发洪水形成大量外流水道以及其他中断的河流、冰川事宜,全球外面地质流动照样显著削弱。千亿的昼与夜流转,已往的一切无声地淹没在历史的长河之中,只留下石砾与沉积,这里成为了我们今天所见的荒原,幽静、贫瘠、萧瑟、沉闷郁闷。







参考文献

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 作者:乌拉   

 美编:刘俞伶

文章泉源“石头科普”民众号

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