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沉积故事 HiRISE拍摄的火星陨石坑内沉积岩图集(连载一)

发布日期: 2021-07-01 阅读次数:
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编 者 按

【2021年5月15日,我国自主研制、发射的火星任务天问一号携带的着陆巡视组合体成功着陆乌托邦平原,成为继美国之后第二个成功着陆火星的国家,开启了我国行星探测的新时代。消息传来,举国欢腾,全民振奋。火星分布着大量的沉积岩,是了解火星的水、宜居环境的独一无二的对象。美国沉积地质学会(SEPM)2012年出版了由加州理工大学John P. Grotzinger教授和圣母大学Ralph E. Milliken教授联合主编的“火星沉积地质”专辑。文字和图片如无特别标注,均选自该专辑的第二篇文章(Beyer R.A., et al., 2012, SEPM Special Publication 102)。

这些照片由美国NASA高分辨率成像科学实验照相机HiRISE在火星勘测轨道器MRO上拍摄。为了更好地了解火星沉积岩,《沉积之声》编辑部特组织编译该图集,由于图片和内容过长,故分两期以飨读者,此为第一期。】

 

“世界本无界,唯有异乡人”

“There are no foreign lands. It is only the traveler who is foreign”.

苏格兰作家Robert Louis Stevenson, 1883

一、概述

远方和未知地方的图像长期以来激发了一批又一批探险家和科学家的想象力。谁能忘记1968年宇航员威廉·安德斯在阿波罗8号上拍摄的第一张地球冉冉升起的照片。50年前,水手9号拍摄的火星奥林匹斯山(太阳系最高的山峰)和水手谷的照片惊艳了全世界,开创了火星研究的新时代。

2000年,沉积成因的“层状地形”的成功识别是火星科学研究的一项重大发现,这些沉积物与水手谷等为代表的侵蚀地貌构成了“源-汇”系统的重要组成部分。对一个地方侵蚀的观察,自然意味着被侵蚀的物质会沉积在其他地方,所以这一发现与其说是令人惊讶,不如说是令人兴奋。与侵蚀不同,沉积岩记录了过去事件的时间序列,因此可用来分析环境历史。此后,以沉积岩研究为主的“岩石循环”成为NASA火星探测科学研究的核心。

由于火星岩石样品的缺乏,火星的绝对年龄是推测的。根据撞击坑的频率分布,火星的地质时期被人为划分为诺亚纪(诞生至3.6 Ga)、西方纪(3.6-3.1 Ga)和亚马逊纪( 3.1 Ga至今)三期。

根据现今发现这些沉积岩露头的环境,作者将火星沉积物分为6个类别(表1),包括:(1)欠充填陨石坑内部;(2)过充填陨石坑内部;(3)裂谷/峡谷单元;(4)平原覆盖沉积;(5)古老基底地貌,以及(6)极地沉积。

该图集主要基于在火星勘测轨道器(MRO)的高分辨率成像科学实验(HiRISE)。这台相机提供25cm/像素的图像,测绘带宽度约6km。HiRISE图像和数字地形模型(DTM)可以从http://hirise.lpl.arizona.edu下载。此外,美国国家航空航天局(NASA)的行星数据系统(PDS)也提供了火星的其他图像数据http://pds.jpl.nasa.gov。 本图集包括一些来自背景相机图片(CTX)和浅层雷达的数据(SHARAD),其中CTX获取火星的灰度图像,空间尺度约为6米/像素,测绘带宽度约为30km。

本图集的目的是提供火星“层状地貌”多样性的图像样本,这些地形被越来越多的学者认为是通过沉积作用形成的。作者希望这些图片能激励读者在此基础上进一步开展自己的研究。

 

图1 火星推测的沉积岩的空间分布(Grotzinger和Milliken, 2012)。白点显示HiRISE图像观察到的层状沉积,黑点代表MOC图片标注层状沉积。

图2 本文提及的火星沉积的重要地区、地点分布图(Grotzinger和Milliken, 2012)。

 

二、火星沉积分类

表1 火星沉积岩分类

类别

亚类

实例

I欠充填陨石坑内

1-1残留的沉积体系

Eberswalde陨石坑三角洲(1)

Holden 陨石坑冲积沉积(2)

Xanthe Terra 阶梯扇(3)

Melas 裂谷湖底扇(4)

1-2未观察到沉积体系

Columbus 陨石坑沉积(5)

II过充填陨石坑内


Becquerel 陨石坑层状丘(6)

Galle 陨石坑层状沉积(7)

Gale陨石坑层状丘 (8)

Terby 陨石坑层状桌子山( mesas)(9) 

III裂谷/峡谷

III-1未变形的层状沉积(10)

Ophir裂谷

Juventae裂谷

Ganges Mensa Melas裂谷

III-2破碎和断裂的层状沉积

West Candor裂谷 (11)

IV平原覆盖沉积物

IV-1水手谷周围平原(12)

Juventae 裂谷西侧

Ganges 裂谷附近

Ius and Melas 裂谷南侧

IV-2层状平原

Meridiani层状平原(13)

V古老基底地貌


Mawrth Vallis (14)

Nili Fossae (15)

中部隆起

Oudemans 陨石坑中部隆起 (16)

VI极地沉积物


北极层状沉积 (17)

南极层状沉积 (18)

备注:括号内数字为实例编号,编者加。

欠充填陨石坑内沉积岩的高度没有超过陨石坑的边缘,陨石坑呈欠充填状态。进一步细分为具有不同扇体形态的沉积(例如,Eberswalde陨石坑三角洲、Holden陨石坑冲积沉积、Xanthe阶梯扇)和不具有扇体形态的沉积(例如,哥伦布陨石坑沉积物)。尽管Melas 裂谷中假定的湖底扇位于水手谷内,而不是陨石坑,但由于形成Melas沉积物的河流系统发育良好,因此将其归为这一类。

过充填陨石坑内的沉积物的高度接近或高于陨石坑边缘的当前高度。虽然对这些沉积物没有直接的解释,但很可能是曾经更大的沉积物的残余物,这些沉积物既填满了陨石坑,又延伸到覆盖周围的高原。这些沉积物中有许多是在陨石坑中心附近形成的高大土堆,周围环绕着一条海拔较低的“护城河”。目前尚不清楚具体的侵蚀过程,这些侵蚀过程会冲走周围的沉积物,并几乎侵蚀到陨石坑底部,同时使一个孤立的土堆得以保存。盖尔陨石坑丘、Terby 陨石坑层状桌子山( mesas)、 Henry陨石坑分层丘、Galle 陨石坑层状沉积都显示了这种残余的高海拔地形,可能为以前的广泛沉积提供了证据,其横向范围比目前保存的更大。

火星上的裂谷和峡谷提供了地形低谷和封闭的盆地,沉积物可以在这些盆地中积累,它们的沉积物通常与在陨石坑中发现的类似。火星的水手谷非常大和宽广,提供了一个广阔的环境来测试各种沉积假说。作者将水手谷的沉积分为未受到构造破坏的沉积(Ophir、Melas、Juventae和恒河裂谷的沉积)和具有变形层状的沉积,如西Candor裂谷。

覆盖沉积物的平原包括复杂的分层单元序列,这些分层单元在火星表面的不同地方差异很大。火山作用、沉积作用和河流作用都在这些地形的形成中发挥了作用。这些地形单元的独特特征是围绕着水手谷的高原,呈现出其他地方所未见的分层出露。这些沉积物可能是在裂谷开口之前存在的河流系统的证据,或者是那些最终流入这些巨大洞穴的河流系统的证据。

其他非常古老的地形包括火星地壳最古老的可识别部分(来自火星诺亚时期),在许多情况下,这些部分已经被各种化学和物理过程所改变。该火星古地壳含有大量黏土矿物沉积,其存在表明地表或地下存在水-岩相互作用。尽管这种变化的具体时间和持续时间尚不清楚。古代地形由层状岩石组成,其中许多可能是沉积成因,但也有许多缺乏清晰分层的沉积物。这些沉积物可能代表原生地壳、火山口喷出物的厚沉积物,或被热液过程严重蚀变的区域。火星岩石记录的沉积过程至少早于40亿年,而且可能更长。这使得火星成为了解太阳系最早历史上的水和沉积过程的一个特别有趣且独特的地方。

火星南北两极的极地沉积物显示出各种各样的冰和尘埃分层序列,这些序列可能记录了火星气候的近期变化。极地的层状沉积物最早出现在“水手9号”的图像中,这一发现推动了火星气候变化的理论研究。最近的观测表明,极地层状沉积物中富含固态水——冰,而且沉积物比先前认为的要少。

三、陨石坑内典型沉积岩图像

I欠充填陨石坑内

1 Eberswalde陨石坑三角洲

Eberswalde陨石坑包含出露保存完好的三角洲形态末端的100 m地层,最有可能追溯到西方纪,尽管它可能与诺亚纪晚期一样古老,也可能与亚马逊早期一样年轻(Grant and Wilson 2011)。这个沉积体包含几十个浅倾斜(~2°),不同厚度的明暗交替层(〜1-10 m)。HiRISE地形模型揭示了顶积层、前积层和底积层地层,这些底积层被解读为湖泊沉积。该三角洲与火星上其他扇形沉积物的区别在于,这里是一个保存完好的分支河道系统,包括舌状体、反转水道和裁弯取直等沉积特征。


 

2 Holden陨石坑冲积沉积

Holden陨石坑中较亮的层以圆形斜坡和山丘的形式出露出来,这些山丘位于沿着陨石坑内缘分布的冲积扇沉积物之下。这些相对平坦的地层被解释为远端冲积或湖泊沉积,尽管没有保存明显的同时期的扇三角洲。分层良好的沉积体可追踪数百米,对应于Holden岩石地层的下单元,该下部单元的时代为西方纪或亚马逊早期。下部单元覆盖在一个角砾岩基底之上,由直径为几十米的分选差的砾块组成,之上覆盖的是一个暗色调、大致显示出层状的岩石单元。在Holden陨石坑地层中观察到Fe/Mg蒙脱石黏土矿物和可能的混合层蒙脱石-绿泥石层状硅酸盐。

 

3 Xanthe Terra阶梯扇

Xanthe Terra地区有几个扇形沉积,出现在渠道与火山口壁相交的地方。这些扇形沉积物与火星上的冲积扇或三角洲不同,因为它们是由独特的同心阶梯组成的,它们缺乏裂片或分布渠道的证据,而且在扇形沉积物的表面几乎没有发生切口。这些扇子的上部通常包括一个平坦的平原和一个陡峭的正面,它们被认为是晚诺亚纪时代形成的。阶地存在于地块的远端,被认为是波浪作用或再沉积过程的侵蚀痕。对于Xanthe Terra的这些扇面的起源和Memnonia地区的类似特征有许多假设,包括由单一的流出事件形成,或解释为Gilbert型三角洲。另外,这些扇形沉积物也有可能是粘性碎屑流沉积物,在峡谷口和火山口壁横向扩散。

 4 Melas裂谷湖底扇

这些位于Melas 裂谷地形盆地中心的诺亚纪或西方纪扇体,在水手谷河谷的未变形层状沉积物中是独特的,因为它们表明湖底成因。在扇体中观察到的层以其低斜率为特征,它们保留了水道分支几何结构和树枝状小尺度裂片的证据。在Melas扇附近发现了单水和多水硫酸盐、铁氧化物、蛋白石(含水二氧化硅)和黄钾铁矾。

 5 哥伦布陨石坑沉积

在哥伦布陨石坑的底部和内壁发现了层状沉积物。由于该地区未发现河流网络,因此假设存在地下水补给的湖环境,以解释陨石坑内的层状沉积物和观察到的矿物学。在这些地层中发现了与高岭石互层的多水硫酸盐(石膏和硫酸镁),还观察到黄钾铁矾和Fe/Mg蒙脱石,并假设其形成于诺亚纪晚期。层状物质由多边形断裂的明亮层组成,这些明亮层的分布可以沿着陨石坑的周长追踪。

 

 II过充填陨石坑内

6 Becquerel陨石坑中的层状丘

Becquerel陨石坑中的层状土堆包含重复的硬化层,显示出几乎均匀的厚度,似乎以韵律束的形式表达。地层通常色调一致,经常断裂和断裂,导致整个剖面各层的构造偏移。已经提出了几种解释来解释贝克勒尔丘的起源,包括空气降尘、湖泊沉积或极地层状沉积。类似的出露可以在阿拉伯Terra地区的其他地方发现,例如,亨利陨石坑、斯基亚帕雷利陨石坑、韦纳尔陨石坑和克罗梅林陨石坑,它们被认为是诺亚纪的年龄。在亨利陨石坑,层状土堆的高度比陨石坑边缘高,表明沉积在一个充满过多的盆地中。在贝克勒尔陨石坑,土丘上的最高点位于陨石坑边缘以下,因此很难确定这些地层是在欠充填盆地沉积,还是更广泛的过度充填盆地沉积的退化遗迹。


 7 Galle陨石坑层状沉积

Galle陨石坑的南部有一堆600m厚的层状沉积物,其形成年代暂时不知。沉积下部由薄层组成,具有不整合接触面和许多截断面。这一层状沉积物被解释为湖泊沉积。

8 Gale陨石坑层状丘

Gale陨石坑包含一个层状土堆,呈现出不同的矿物特征和层状形态。这里5km厚的大丘是火星上最显著的的连续的沉积剖面。在整个剖面观察到明显的矿物层。底部的层状沉积物含有硫酸盐和黏土,而中段黏土贫乏,但富含单水硫酸盐和多水硫酸盐。上部的光谱似乎是中性的,与火星尘埃的成分一致。盖尔陨石坑可能记录了火星从诺亚纪到西方纪的大部分时间。许多假说被用来解释这一堆沉积层的成因,包括火山灰、湖泊、风成岩、泉丘或古代极地沉积。


 9 Terby 陨石坑层状桌子山

位于Hellas盆地北缘Terby陨石坑有三个层状桌子山,出露厚达2.5km地层序列。陨石坑北部的岩层比南部边缘海拔更高。该沉积有多种解释,包括风成、湖泊、火山气流、三角洲沉积。层状桌子山显示铁/镁蒙脱石黏土矿物信号,还有水合镁硫酸盐;也可能存在沸石或水合硅酸盐。这些地层的反照率从亮到暗各不相同,横向连续数公里。局部观察到这些地层不整合截断。层在某些地方呈多边形断裂,并表现出沟槽结构,这被认为是风蚀作用的结果,并且它被推测是在诺亚纪期间沉积。在Hellas盆地的北缘也可以观察到类似的沉积。

 


 

 


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