作者:張婷/中國科學院地質與地球物理研究所
繼上一篇介紹到太陽系最大的火山——奧林匹斯火山（Olympus Mons），這裡我們繼續走近太陽系之最——水手峽谷，太陽系最深的峽谷。
太陽系最深的峽谷——水手峽谷（圖1，圖2）依然位於火星。以水手9號火星軌道探測器（1971~1972）命名。該峽谷在火星赤道附近，薩希斯區域東側。東西延伸約4000千米，南北橫跨約600千米，深約5~10千米，平均約8千米。作為對比，地球上的大峽谷位於美國亞利桑那州，長約800千米，寬約30千米，深約1.8千米（圖3）。整個峽谷的延伸長度與美國延伸長度差不多，而這個延伸長度只佔火星周長的1/5左右（圖4）。
圖1. 正對著我們的是水手大峽谷。(圖片來源:NASA官網。)
圖2. 海盜號軌道探測器拍攝的水手峽谷圖片。（圖片來源：NASA官網）
圖3. A,C是青藏高原和喜馬拉雅山的高程截面模型。B,D是水手峽谷高程界面模型。(James M. Dohm et al., 2009)
圖4. 整個峽谷的延伸長度與美國延伸長度差不多，而這個延伸長度只佔火星周長的1/5左右。（火星直徑約6790千米，周長約21321千米。）（圖片來源：NASA官網）
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1、地質特徵
地質單元（圖5）提供了構造及幾何形貌（圖6）的信息。基底物質提供原始基底的信息，為分類的基底物質，其厚度及起源未知。滑坡分為年輕滑坡和古老滑坡。內部沉積物分為4個單元：1.基底厚充填物；2.黑色物質，可能反映下伏地層的高度及厚度；3.不規則物質，具有不同的形貌特徵，覆蓋在古老的岩層上面；4.內部沉積物，大部分是板凳狀沉積。剩下的是圍巖、火山口物質及高地物質。
圖5. 水手峽谷的地質單元。d-黑色物質；Isy-年輕的滑坡物質；Iso-古老的滑坡物質；fs-基底淺層充填物質；ff-基底厚層充填物質；fp-基底高低岩石；fs-封閉窪地的基底物質；f-未分類的物質；ir-不規則沉積；il-內部層狀沉積；ww-主低谷圍巖；wd-封閉窪地圍巖；p-高地物質；c-衝擊坑物質。（B.K. Lucchitta et al., 1994）
圖6. 水手峽谷和臨近單元的高程圖（千米），箭頭指示斷層崖。（Wu et al., 1991）
圖7. 水手峽谷的圍巖。圖a，c是頂部暴露的岩石；圖b，d分別是峽谷近底部的基岩和岩層。（Alfred S. McEwen et al., 1999）
水手峽谷的岩層（圖7）為西方紀（32~37億年）以及晚諾亞世（35億年~43億年）的地層。根據形貌及光譜特徵，該地層可能含有岩漿流；岩層厚度及懸崖形貌是典型的大陸溢流玄武岩，例如哥倫比亞河玄武岩組（圖8）。整個4000千米長的水手峽谷都應該被岩漿流覆蓋，而且很多諾亞紀地層被河谷分割（圖9），因此水手峽谷東部地層應該有一些水成沉積物。水手峽谷很可能是岩漿流與沉積物的交互夾層（圖10）。（Alfred S. McEwen et al., 1999）
圖8. 美國哥倫比亞河玄武岩組及局部岩層形貌放大圖。（Alfred S. McEwen et al., 1999）
圖9. 水手峽谷Melas Chasma區域西南部的層狀沉積物。a.窪地湖相沉積，周邊是被峽谷切斷的層狀沉積；b，c，d為圖a的局部放大圖。(L. Le Deit et al., 2010)
圖10. 水手峽谷Juventae Chasma 區域南部圍巖及層狀沉積。(L. Le Deit et al., 2010)
圖11. 層狀沉積礦物光譜圖。上部是水手峽谷3個峽谷槽區域的礦物光譜圖，下部是理論光譜及蒙脫石-黃鉀鐵礬的混合光譜圖。(Clark et al., 2007)
在層狀沉積物中檢測到含水礦物，大多數情況下，相應的岩層含有富鋁層狀硅酸鹽或蛋白石與含水硫酸鹽的混合。Juventae Chasma及Ganges Chasma附近岩層與基岩接觸。Juventae Chasma富集含水硫酸鹽。Melas Chasma和Ganges Chasma岩層含有富鋁層狀硅酸鹽或蛋白石與含水硫酸鹽的混合（圖11）。
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2、成因
自從發現水手峽谷體系之後，科學家針對其成因進行了熱烈的研究與討論。分別得出以下幾種形成機制：喀斯特型垮塌、剝蝕、構造過程（Leah H. Roach et al., 2009）。早期研究者支持剝蝕模型，認為是冰溶喀斯特過程與水、風活動共同作用。冰溶喀斯特過程要求存在巨大的冰，而它的形成是不符合實際的；斜坡的穩定性也排除了深谷圍巖存在大量的冰。1986年，Tanaka 認為水手峽谷在早西方世到晚西方世期間伴隨岩漿堆積形成。1994年，Lucchitta提出兩個形成模型：1. 在中央裂谷區域，由於構造作用，古老的深部盆地形成，盆地中可能含有湖泊。與此同時，外圍裂谷槽形成，在這些裂谷中，層狀物質在湖泊中沉澱，隨後被洩水渠道沖走。接著中央盆地隨著次生斷陷帶產生而加寬加深。新形成的斷陷帶與主裂谷槽連接 ，當所有的裂谷槽合併完成，主洪水消失。裂谷槽中充填沉積物和岩漿物質。2. 在早期發展時期，所有裂谷槽相互連接，沒有深湖形成，因此大部分層狀沉積都是火山成因。兩種模型都有合理的解釋，不過湖泊的存在是比較貼近實際分析的，很可能存在於外圍裂谷槽中，火山物質更有可能存在於上部沉積物中。目前大部分科學家認同水手峽谷是火星殼的構造斷裂，形成於行星冷卻階段、西部薩希斯區域上升時期。隨後經過剝蝕而加寬，東部裂谷側面有一些水形成的渠道。關於大峽谷的具體成因需要進一步研究。
參考文獻：
Clark, R.N., Swayze, G.A., Wise, R., Livo, E., Hoefen, T., Kokaly, R., Sutley, S.J., 2007. USGS splib06a: U.S. Geological Survey, Digital Data Series 231.
Tanaka, K.L., 1986. The stratigraphy of Mars. J. Geophys. Res. Suppl. 91, E139-58.
L. Le De et al., 2010. Morphology, stratigraphy, and mineralogical composition of a layered formation covering the plateaus around Valles Marineris, Mars: Implications for its geological history. Icarus 208, 684-703.
B.K. Lucchitta, N.K. Isbell, and A. Howington-Kraus, 1994. Topography of Vailes Marineris: Implications for erosional and structural history. Journal of geophysical research.Vol. 99, No. E2, 3783-3798.
Leah H. Roach, John F. Mustard, Gregg Swayze, Ralph E. Milliken, Janice L. Bishop, Scott L. Murchie, Kim Lichtenberg, 2010. Hydrated mineral stratigraphy of Ius Chasma, Valles Marineris. Icarus 206, 253-268.
James M. Dohm et al., 2009. New evidence for a magmatic influence on the origin of Valles Marineris, Mars. Journal of Volcanology and Geothermal Research 185, 12-27.
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