火星的表面特征

火星表面常见特征包括暗坡条纹、尘暴痕迹、沙丘、梅杜莎槽沟层、锐蚀地形、岩层、冲沟、冰川、扇形地形、混沌地形、可能的古河道、底座形撞击坑、脑纹地形和环形模具陨石坑等。
暗坡条纹
火星勘测轨道飞行器上的高分辨率成像科学设备相机发现了一种被称为斜坡条纹的新现象，这些特征出现在陨石坑壁和其他斜坡上，它们很薄，长约数百米。据观察，这些条纹总是从某一源点开始，然后在一年左右的时间里缓慢增长。新形成的条纹颜色较深，但随着时间的推延会逐渐褪色，直至变成白色。其原因不得而知，但理论范围包括从干燥尘埃崩塌（最被接受的理论）到卤水渗漏等成因。

火星不同地区的暗坡条纹如下所示，点击图片可获得更好的视图。

复发性坡线
复发性坡线是斜坡上一些在温暖季节里变长的深色小条纹，它们可能是液态水的证据。

尘暴痕迹
火星上许多地区都经历过巨大尘暴过境，火星表面大部分地方都布满一层薄薄的浅色尘埃。当尘暴经过时，会吹走尘埃层并暴露出下方深色的表面。从地面和轨道上都可看到这些尘暴，它们甚至还吹掉了“勇气号”和“机遇号”火星探测车太阳能电池板上的尘埃，大大延长了它们的运行寿命。 两台火星探测车的原设计寿命为3个月，但勇气号持续运行了6年77天，而机遇号则持续了更惊人的14年136天。已显示尘暴在地面留下的痕迹形状每数月就会发生一次改变。

岩层

火星许多地方都有分层重叠的岩石，岩石可通过火山、风或水等多种作用方式形成岩层。在《火星沉积地质学》中，可找到许多关于火星分层的详细讨论Grotzinger, J. and R. Milliken (eds.).  2012.  Sedimentary Geology of Mars.  SEPM.。地层可通过地下水的作用而变硬，火星地下水可能移动了数百公里，在此过程中，它将会溶解所经过岩石中的许多矿物质。当地下水在含有沉积物的低洼区涌出时，水在稀薄大气中蒸发，留下矿物质作为沉积物和/或胶结物。由于尘埃层被胶结在一起的，因此，以后不会被轻易地侵蚀掉。

冰盖中的分层

沙丘
火星上很多地方都有沙丘，环北极冠大部分地区一种由风成沙丘组成的沙漠（或沙海），被称为绕极沙丘场。沙丘在初秋被一层季节性二氧化碳霜冻覆盖，一直持续到晚春。很多火星沙丘与地球沙丘非常相似，但火星勘测轨道飞行器上的高分辨率成像科学设备获得的图像显示，北极地区的火星沙丘受到季节性二氧化碳升华所触发的颗粒流影响，这是地球上从未有过的作用现象。许多沙丘呈黑色，因为它们来自黑色的火山玄武岩。诸如在火星上发现的这些地外沙海被以拉丁语中的波浪一词称作“乌代”（undae）。

冲沟
火星冲沟是在火星上发现的由细沟及相关的坡下淤积沉积物所组成的冲刷网道，因它们类似地球上的冲沟而得名。这些冲沟最早是从火星全球探勘者号拍摄照片中所发现，它们出现在陡峭的斜坡上，尤其是在陨坑壁上。通常，每条冲沟的顶部都有一处叶脉状的“凹坑”，底部有一片扇形“裙坡”，以及一条将两者连接起来的冲刷“通道”，使整条冲沟呈现沙漏状。由于上面几乎没有陨石坑，它们被认为相对年轻。

根据它们的形状、朝向、态势、位置以及与被认为富冰特征间明显的交互作用，许多研究人员认为，蚀刻冲沟的作用过程涉及液态水。然而，这仍然是一个活跃的研究课题。

沙丘上的冲沟
在一些沙丘上也发现了冲沟，它们与其他地方的，如陨石坑坑壁上的冲沟有些不同。沙丘上的冲沟一般仅数米宽，两侧有隆起的坡堤，在很长的一段距离内似乎保持了相同的宽度，它们通常终止于一座凹坑而非裙坡Dundas, C., et al.  2012.  Seasonal activity and morphological changes in martian gullies.  Icarus:  220, 124–143.。在罗素撞击坑内沙丘上发现了许多此类冲沟。冬季，干冰堆积在沙丘上，然后在春季出现黑点，深色条纹向下延伸。干冰消失后，可看到新的通道。这些冲沟可能是干冰块沿陡坡向下移动所造成，也可能是干冰引起的沙子流动McEwen, A., et al.  2017.  Mars The Pristine Beauty of the Red Planet.  University of Arizona Press.  Tucson.。在火星稀薄的大气中，干冰会强劲喷发出二氧化碳 。

梅杜莎槽沟层
梅杜莎槽沟层是一处沿火星赤道延伸近1000公里的松软、易侵蚀沉积区。有时，地层看上去是一片平坦而平缓起伏的表面，但在某些地方，已被风蚀刻成垄脊和凹槽状。雷达成像显示，该区域可能含有多孔岩石（如火山灰）或冰川状的深积冰层，其规模与火星南极冠中的储存量大致相同。

梅杜莎槽沟层的下段（构造）包含许多被认为是溪流遗迹的图案和形状。据信，溪流形成了河谷，这些河谷被填满并通过矿物胶结或粗覆盖层的聚集而变得耐侵蚀。这些倒转河床有时被称为蜿蜒山脊或凸起的曲线特征，它们的长度可能有1公里左右，高度则从1米到10米以上不等，而窄的则不到10米。

梅杜莎槽沟层表面已风化侵蚀成一系列被称为雅丹地貌的线性山脊，这些山脊通常指向蚀刻出它们的盛行风方向，并展示了火星风的侵蚀力。梅杜莎槽沟层易于侵蚀的性质表明，它是由胶结较弱的颗粒组成，很可能是由风吹尘埃或火山灰沉积所形成，该构造部分地区可看到地层。在海盗号、 火星全球探勘者号和高分辨率成像科学设备照片中，已观察到雅丹地貌顶部有一层耐蚀性很强的冠盖层。整个区域几乎都看不到撞击坑，因此表面相对年轻。

雅丹地貌
雅丹地貌在火星一些地区很常见，尤其是在亚马逊区的梅杜莎槽沟层和赤道附近。它们是由风作用于沙子大小的颗粒而形成，因此，通常指向所形成时的风力方向。由于雅丹地貌表面很少出现撞击坑，所以被认为相对年轻。

锐蚀地形
锐蚀地形是从水手9号图像中发现的，在火星两种不同地表间的某些区域中常见的表面特征。火星表面可分为两大部分：覆盖北半球大部分地区的低矮、年轻、非坑洼的平原，以及覆盖了南半球和北半球一小部分地区的高耸、古老、严重崎岖坑洼的区域。在这两种地带之间，是一片侵蚀地形，包括复杂的悬崖、桌山、孤峰、直壁和蜿蜒峡谷。锐蚀地形包括平坦的低地和陡峭的悬崖。陡崖或峭壁通常有1至2公里高。该地区的河道则拥有宽阔平坦的地表和陡峭的崖壁。锐蚀地形最常见于北纬30度到50度、西经度270度到360度之间的阿拉伯区北部，部分锐蚀地形被称为都特罗尼勒斯桌山群和普罗敦尼勒斯桌山群。

在锐蚀地形中，地块似乎从狭窄的直谷过渡到孤立的桌山。大多数桌山都围绕着被赋予各种名称的形态特征（环桌山围裙、碎屑围裙、岩石冰川和舌状岩屑坡）http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2000/pdf/1053.pdf  。起初它们看上去就像地球上的岩石冰川，但科学家们尚无法确定。最终，火星勘测轨道飞行器的雷达研究发现了它们真实性质的证据，并表明它们含有纯水冰，上面覆盖着一层将水冰隔绝在下方的薄岩层。

除了桌山周围岩石覆盖的冰川外，该地区还分布有许多谷底带有线条状山脊和沟槽的陡峭河谷。构成这些谷底的材料称为线状谷底沉积。在海盗号轨道器拍摄的一些最佳照片中，一些河谷填充物似乎类似于地球上的高山冰川。鉴于这种相似性，一些科学家认为这些谷底线条可能是由流入这些峡谷和河谷中的积冰所形成。今天，人们普遍认为是冰川流造成了这些线条。

冰川
冰川被宽泛地定义为当前或最近流动的积冰，并认为存在于现代火星表面大片特定的区域，而且推断在过去的某些时候曾分布得更广"The Surface of Mars" Series: Cambridge Planetary Science (No. 6)   Michael H. Carr, United States Geological Survey, Menlo Park。

同心坑沉积
同心坑沉积与舌状岩屑坡和线状谷底沉积一样，被认为富含了水冰。根据对这些陨石坑中不同点高度的精确地形测量，以及按直径所推算的深度，人们认为这些陨石坑中80%的空间都被主要为冰的物质所填满Garvin, J., S.  Sakimoto, J.  Frawley.  2003.  Craters on Mars: Geometric properties from gridded MOLA topography. In: Sixth International Conference on Mars. July 20–25, 2003, Pasadena, California. Abstract 3277.。也就是说，坑内堆积的数百米厚物质可能是由冰和数十米厚的表面碎屑所组成Garvin, J. et al.  2002.  Global geometric properties of martian impact craters.  Lunar Planet. Sci:  33.  Abstract # 1255.。从前气候条件下的降雪使陨坑中累积了大量的冰Kreslavsky, M. and J. Head.  2006.  Modification of impact craters in the northern planes of Mars:  Implications for the Amazonian climate history.  Meteorit. Planet. Sci.: 41. 1633–1646Madeleine, J. et al.  2007.  Exploring the northern mid-latitude glaciation with a general circulation model.  In:  Seventh International Conference on Mars.  Abstract 3096.。最近的模拟表明，同心坑沉积形成于多次气候循环中产生的积雪，然后流入进陨石坑。一旦进入陨坑内，阴影和尘埃会遮蔽积雪，使积雪变成为冰。许多同心线是由多次循环累积的积雪所形成。通常，只要转轴倾角达到35度，就会形成积雪Fastook, J., J. Head.  2014.  Concentric crater fill: Rates of glacial accumulation, infilling and deglaciation in the Amazonian and Noachian of Mars.  45th Lunar and Planetary Science Conference (2014) 1227.pdf。

桌山

混沌地形
混沌地形据信与巨大洪水的释放有关，当水从表面流出时，这种混沌特征可能就已坍塌。火星溢出河道通常起始于混沌区域。一处混沌区域可通过杂乱的桌山、地垛和山丘来识别，所有这些都被河谷分割切碎，一些地方看上去几乎呈图案化。这种混沌区域的某些部分还未完全崩塌，它们仍形成了大型桌山，因此，可能仍含有水冰。火星上许多地区都有混沌地形，并总给人一种强烈印象，好像某些东西突然扰乱了地表。混沌区域形成于很久以前，通过撞击坑计数（任何给定区域内的陨坑越多则意味着表面越古老）以及研究这些河谷与其他地质特征的关系，科学家得出结论，这些河道形成于20至38亿年前。

平原上部单元

在火星中纬度地区发现了一种被称为平原上部单元的50-100米厚覆盖层残余物，最初发现于都特罗尼勒斯桌山群地区，但也出现在其他地方。这些残余物由陨石坑内和沿桌山的一系列倾斜层组成Carr, M.  2001.。这些倾斜层可能有各种尺寸和形状，有些看上去像中美洲的阿兹特克金字塔。

该单元也会退化为脑纹地形，脑纹地形是一种3-5米高的迷宫般山脊区。有些山脊可能由冰核构成，因此它们可能是未来定居者的水源。

平原上部单元的一些区域显示出大裂缝和带有凸起边缘的凹槽，这些地区被称为棱状上部平原（Ribbed Upper Plains）。据信断裂起始于应力引起的小裂缝，因为当碎屑堆聚集到一起或靠近碎屑堆边缘时（这在棱状上部平原很常见），应力就会引发断裂作用。此类位置会产生挤压应力，使裂缝暴露出更多的表面，因此，材料中更多的冰会升华到行星稀薄的大气层中。最终，小裂缝逐惭演变成大峡谷或大槽沟。小裂缝通常包含小深坑和陷坑链，这些也被认为是由地下上的冰升华所形成Morgenstern, A., et al.  2007。火星表面大片区域都布满了冰，这些冰被一层1米厚的尘埃和其他物质所覆盖。但一旦出现裂缝，新的表面会使积冰暴露在稀薄的大气中Levy, J. et al.  2009.  Concentric，在很短时间内，冰将通过升华作用消失在寒冷稀薄的大气中，在地球上干冰也有类似的表现。在火星上观察到了升华现象，凤凰号着陆器暴露出的冰块在数天内就消失了Bright Chunks at Phoenix Lander's Mars Site Must Have Been Ice  – Official NASA press release (19.06.2008)。此外，高分辨率成像科学设备还发现坑底有冰的新陨石坑，在不久之后坑内的积冰就消失得无影无踪。

据认为，平原上部单元来自于空中飘落的物质，它覆盖在各种表面，仿佛均匀落下。与其他沉积覆盖层一样，平原上部单元具有层状、细粒度，且富含冰的特点，它分布普遍，似乎没有来源点。火星某些区域的表面外观缘于该单元的退化，它也是造成舌状岩屑坡表面外观的主要原因之一。据信，平原上部覆盖单元和其他覆盖单元的分层是由该行星气候发生重大变化所致。模型预测，随着地质时间推移，火星自转轴倾角或倾斜度可能会从目前的25度改变到超过80度不等。高倾斜期将导致极地冰盖中的冰重新分布，并改变大气中的尘埃含量Head, J. et al.  2003.Madeleine, et al.  2014.。
纬度相关覆盖层
火星大部分表面都覆盖着一层以前从空中飘落的厚厚含冰覆盖层，在一些地方可看到覆盖层中的许多分层。

它们以雪和覆冰尘埃的形式降落到地面，有充分证据表明这层覆盖层富含水冰。许多地面上常见的多边形形状表明土壤中富含大量的冰。2001火星奥德赛号探测器检测到可能来自水的高含量氢Mitrofanov, I. et al. 2007a. Burial depth of water ice in Mars permafrost subsurface. In: LPSC 38, Abstract #3108. Houston, TX.，轨道上测得的热量也表明有冰。凤凰号着陆器降落在一片多边形地面，它的减速火箭直接暴露出一块纯净的冰面。理论预测在数厘米深的土壤下就会发现冰，由于它们的出现与纬度有关，因此这一覆盖层被称为“纬度相关覆盖层”。正是这种覆盖层的破裂以后才形成了多边形的地面，这种富冰地面的开裂是基于物理作用所预测的 
 Washburn, A.  1973.  Periglacial Processes and Environments. St. Martin’s Press,
New York, pp. 1–2, 100–147.。



多边形图案地面
多边形、图案状的表面在火星的一些地区很常见，它们通常被认为是由地下冰升华所引起。升华是冰由固体直接转变为气体，类似与地球上的干冰情况。火星上呈现多边形地面的地方可能表明未来定居者可在那里找到水冰。图案地面形成于所谓的纬度相关覆盖层，即在过去不同气候时期，从空中飘落的雪和覆冰尘埃Kreslavsky, M.A., Head, J.W., 2002. High-latitude Recent Surface Mantle on Mars: New Results from MOLA and MOC. European Geophysical Society XXVII, Nice.。

扇形地形
扇形地形在火星南北纬45到60度之间的中纬度区很常见，它在北半球的乌托邦平原地区以及南半球的佩纽斯和安菲特里忒火山口区尤为突出。此类地形由无隆起垒壁和扇贝状口沿的低浅洼地组成，通常称为“扇形洼地”或简称“贝状”。扇形洼地可能孤立，也可能成簇出现，有时似乎会结合在一起。一处典型的扇形洼地显示出一侧朝向赤道的缓坡和一侧朝向极地的陡坡，这种不对称地形可能产生于日照的差异，而扇形洼地则被认为是因升华导致的地下物质（可能是间隙冰）消失所形成，这一过程目前可能仍在持续http://hiroc.lpl.arizona.edu/images/PSP?diafotizo.php?ID=PSP_002296_1215。

2016年11月22日，美国宇航局报告称，在火星乌托邦平原地区发现了大量的地下冰。据估计，探测到的水量相当于一座苏必利尔湖。该地区的水冰贮量是根据火星勘测轨道飞行器探地雷达（称为沙拉德雷达）的测量结果所得出。根据沙拉德雷达获得的数据，测定了它的“电容率”或介电常数，介电常数值与高丰度的水冰一致Bramson, A,  et al.  2015.  Widespread excess ice in Arcadia Planitia, Mars.  Geophysical Research Letters:  42, 6566–6574Stuurman, C., et al. 2016. SHARAD detection and characterization of subsurface water ice deposits in Utopia Planitia, Mars. Geophysical Research Letters:  43, 9484_9491.。

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古代河流？
有大量证据表明，水曾经在火星河谷中流淌。来自轨道拍摄的图像显示了蜿蜒、分支的河谷，甚至还有带牛轭湖的河曲Baker, V.  1982.  The Channels of Mars. Univ. of Tex. Press, Austin, TX，其中的一些可在下图中看到。

流线型体
流线型形状代表了火星上过去液态水流动的更多证据，由水塑造出的流线体特征。

三角洲

底座形撞击坑
底座形撞击坑被认为是由于陨坑喷射物保护了其下方地层免受侵蚀而形成，底层物质可能富含水冰。因此，这些陨石坑表明了地下冰所分布的位置和数量http://hirise.lpl.eduPSP_008508_1870Bleacher, J. and S. Sakimoto. Pedestal Craters, A Tool For Interpreting Geological Histories and Estimating Erosion Rates.  LPSC 。

晕坑

巨石

脑纹地形
脑纹地形是火星表面的一种特征，由在舌状岩屑坡、线状谷底沉积和同心坑沉积上发现的复杂垄脊所组成。之所以如此称呼，是因为暗示了它类似人类大脑表面的脑回。宽脊被称为“细胞闭合型”脑纹地形，不太常见的窄脊则被称为“细胞开放型”脑纹地形。人们认为，宽厚的闭合型脑纹地形包含有一颗冰核，当冰核消失后，宽脊中心塌陷，形成窄脊的细胞开放型脑纹地形。

环形模具陨石坑
环形模具撞击坑被认为是小行星撞击在地下含有冰层的地面时所形成，撞击会使冰层反弹，形成“环形模具”形状。

无根火山锥
无根火山锥形成于熔岩在地下冰层上流过时所引发的爆炸，冰被融化变成蒸汽，在爆炸中膨胀，形成圆锥体或圆环。类似特征也在冰岛被发现，当时熔岩覆盖了被水浸透的基底S. Fagents, A.,  P. Lanagan, R. Greeley.  2002.  Rootless cones on Mars: a consequence of lava-ground ice interaction.  Geological Society, Londo. Special Publications:  202, 295–317.Jaeger, W., L. Keszthelyi, A. McEwen, C. Dundas, P. Russell, and the HiRISE team.  2007.  EARLY HiRISE OBSERVATIONS OF RING/MOUND LANDFORMS IN ATHABASCA VALLES, MARS.  Lunar and Planetary Science XXXVIII 1955.pdf.。

泥火山
有些特征看上去像火山，其中一些可能是泥火山-受压泥浆被迫向上形成的锥体。这些特征可能是寻找生命的地方，因为它们将可能的生命从免受辐射的地下带到了地表。

熔岩流

线性脊状网
线性脊状网 在火星各处的陨坑内外都有发现Head, J., J. Mustard.  2006.  Breccia dikes and crater-related faults in impact craters on Mars: Erosion and exposure on the floor of a crater 75 km in diameter at the dichotomy boundary, Meteorit. Planet Science: 41, 1675–1690.。脊线通常显示为格子状相交的近乎笔直的直线，它们长数百米，高数十米，宽数米。人们认为撞击会在地表产生裂缝，这些裂缝后来成为了流体的通道，而流体又加固了结构。随着时间的推移，周边材料被侵蚀掉，从而留下坚硬的垄脊。由于脊线出现在有粘土的地方，这些构造可作为粘土的标志，而粘土的形成则需要水Mustard et al., 2007.  Mineralogy of the Nili Fossae region with OMEGA/Mars Express data: 1. Ancient impact melt in the Isidis Basin and implications for the transition from the Noachian to Hesperian, J. Geophys. Res., 112.。

裂缝形成的石块
在一些地方，大裂缝会使地表破裂。有时会形成笔直的边缘，并由裂缝产生出大石块。

冰下火山
有证据表明火山有时会在冰下喷发，就像地球上有时发生的一样，会造成大量积冰融化，液态水消失，而后表面开裂并崩塌，岩石呈现出同心裂缝和似乎被扯开的大块地面。像这类地点可能近期存在过液态水，因此，它们可能是寻找生命证据最有成效的地方Levy, J., et al.  2017.  Candidate volcanic and impact-induced ice depressions on Mars.  Icarus:  285, 185–194.University of Texas at Austin. "A funnel on Mars could be a place to look for life." ScienceDaily. ScienceDaily, 10 November 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/11/161110125408.htm>.。

诺克提斯迷宫

融霜
在春季，由于表面霜冻消失，下方裸露的黑土壤会呈现出各种形状。此外，在一些有时被称为“蜘蛛”的地方，尘埃会像间歇泉般地被喷出。一旦有风吹过，这种材料则会产生出长长的黑条纹或扇状纹。

在冬季，大量积聚的霜冻直接冻结在永久极冠的表面，该极冠则由覆盖着层层尘埃和沙子的水冰所构成。沉积物最初是一层布满尘埃的二氧化碳霜。在整个冬季，它们会重新结晶并变得更致密，裹挟在霜冻中的尘埃沙粒慢慢下沉。到春季气温上升时，霜冻层已变成一层覆盖在黑色沙尘基底上，厚约3英尺的半透明冰。这种深色物质会吸收光线并使冰升华（直接变成气体）。最终，大量气体积聚膨胀。当找到一处薄弱点时，气体就会逸出并吹出尘埃，速度可达每小时100英里。有时可看到深色通道，它们被称为“蜘蛛” Benson, M. 2012. Planetfall: New Solar System VisionsKieffer H, Christensen P, Titus T.  2006 Aug 17.  CO2 jets formed by sublimation beneath translucent slab ice in Mars' seasonal south polar ice cap. Nature: 442(7104):793-6.。当这一过程发生时，表面似乎覆盖着黑点。

现已提出了许多想法来解释这些特征，这些特征可以在下面的一些图片中看到。

另请查看
















 —复发性坡线



参考文献

推荐阅读
Lorenz, R.  2014.  The Dune Whisperers.  The Planetary Report: 34, 1, 8–14
Lorenz, R., J. Zimbelman.  2014.  Dune Worlds:  How Windblown Sand Shapes Planetary Landscapes. Springer Praxis Books / Geophysical Sciences.
 Grotzinger, J. and R. Milliken (eds.).  2012.  Sedimentary Geology of Mars.  SEPM.
外部链接 



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