作者:张婷/中国科学院地质与地球物理研究所
继上一篇介绍到太阳系最大的火山——奥林匹斯火山（Olympus Mons），这里我们继续走近太阳系之最——水手峡谷，太阳系最深的峡谷。
太阳系最深的峡谷——水手峡谷（图1，图2）依然位于火星。以水手9号火星轨道探测器（1971~1972）命名。该峡谷在火星赤道附近，萨希斯区域东侧。东西延伸约4000千米，南北横跨约600千米，深约5~10千米，平均约8千米。作为对比，地球上的大峡谷位于美国亚利桑那州，长约800千米，宽约30千米，深约1.8千米（图3）。整个峡谷的延伸长度与美国延伸长度差不多，而这个延伸长度只占火星周长的1/5左右（图4）。
图1. 正对着我们的是水手大峡谷。(图片来源:NASA官网。)
图2. 海盗号轨道探测器拍摄的水手峡谷图片。（图片来源：NASA官网）
图3. A,C是青藏高原和喜马拉雅山的高程截面模型。B,D是水手峡谷高程界面模型。(James M. Dohm et al., 2009)
图4. 整个峡谷的延伸长度与美国延伸长度差不多，而这个延伸长度只占火星周长的1/5左右。（火星直径约6790千米，周长约21321千米。）（图片来源：NASA官网）
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1、地质特征
地质单元（图5）提供了构造及几何形貌（图6）的信息。基底物质提供原始基底的信息，为分类的基底物质，其厚度及起源未知。滑坡分为年轻滑坡和古老滑坡。内部沉积物分为4个单元：1.基底厚充填物；2.黑色物质，可能反映下伏地层的高度及厚度；3.不规则物质，具有不同的形貌特征，覆盖在古老的岩层上面；4.内部沉积物，大部分是板凳状沉积。剩下的是围岩、火山口物质及高地物质。
图5. 水手峡谷的地质单元。d-黑色物质；Isy-年轻的滑坡物质；Iso-古老的滑坡物质；fs-基底浅层充填物质；ff-基底厚层充填物质；fp-基底高低岩石；fs-封闭洼地的基底物质；f-未分类的物质；ir-不规则沉积；il-内部层状沉积；ww-主低谷围岩；wd-封闭洼地围岩；p-高地物质；c-冲击坑物质。（B.K. Lucchitta et al., 1994）
图6. 水手峡谷和临近单元的高程图（千米），箭头指示断层崖。（Wu et al., 1991）
图7. 水手峡谷的围岩。图a，c是顶部暴露的岩石；图b，d分别是峡谷近底部的基岩和岩层。（Alfred S. McEwen et al., 1999）
水手峡谷的岩层（图7）为西方纪（32~37亿年）以及晚诺亚世（35亿年~43亿年）的地层。根据形貌及光谱特征，该地层可能含有岩浆流；岩层厚度及悬崖形貌是典型的大陆溢流玄武岩，例如哥伦比亚河玄武岩组（图8）。整个4000千米长的水手峡谷都应该被岩浆流覆盖，而且很多诺亚纪地层被河谷分割（图9），因此水手峡谷东部地层应该有一些水成沉积物。水手峡谷很可能是岩浆流与沉积物的交互夹层（图10）。（Alfred S. McEwen et al., 1999）
图8. 美国哥伦比亚河玄武岩组及局部岩层形貌放大图。（Alfred S. McEwen et al., 1999）
图9. 水手峡谷Melas Chasma区域西南部的层状沉积物。a.洼地湖相沉积，周边是被峡谷切断的层状沉积；b，c，d为图a的局部放大图。(L. Le Deit et al., 2010)
图10. 水手峡谷Juventae Chasma 区域南部围岩及层状沉积。(L. Le Deit et al., 2010)
图11. 层状沉积矿物光谱图。上部是水手峡谷3个峡谷槽区域的矿物光谱图，下部是理论光谱及蒙脱石-黄钾铁矾的混合光谱图。(Clark et al., 2007)
在层状沉积物中检测到含水矿物，大多数情况下，相应的岩层含有富铝层状硅酸盐或蛋白石与含水硫酸盐的混合。Juventae Chasma及Ganges Chasma附近岩层与基岩接触。Juventae Chasma富集含水硫酸盐。Melas Chasma和Ganges Chasma岩层含有富铝层状硅酸盐或蛋白石与含水硫酸盐的混合（图11）。
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2、成因
自从发现水手峡谷体系之后，科学家针对其成因进行了热烈的研究与讨论。分别得出以下几种形成机制：喀斯特型垮塌、剥蚀、构造过程（Leah H. Roach et al., 2009）。早期研究者支持剥蚀模型，认为是冰溶喀斯特过程与水、风活动共同作用。冰溶喀斯特过程要求存在巨大的冰，而它的形成是不符合实际的；斜坡的稳定性也排除了深谷围岩存在大量的冰。1986年，Tanaka 认为水手峡谷在早西方世到晚西方世期间伴随岩浆堆积形成。1994年，Lucchitta提出两个形成模型：1. 在中央裂谷区域，由于构造作用，古老的深部盆地形成，盆地中可能含有湖泊。与此同时，外围裂谷槽形成，在这些裂谷中，层状物质在湖泊中沉淀，随后被泄水渠道冲走。接着中央盆地随着次生断陷带产生而加宽加深。新形成的断陷带与主裂谷槽连接 ，当所有的裂谷槽合并完成，主洪水消失。裂谷槽中充填沉积物和岩浆物质。2. 在早期发展时期，所有裂谷槽相互连接，没有深湖形成，因此大部分层状沉积都是火山成因。两种模型都有合理的解释，不过湖泊的存在是比较贴近实际分析的，很可能存在于外围裂谷槽中，火山物质更有可能存在于上部沉积物中。目前大部分科学家认同水手峡谷是火星壳的构造断裂，形成于行星冷却阶段、西部萨希斯区域上升时期。随后经过剥蚀而加宽，东部裂谷侧面有一些水形成的渠道。关于大峡谷的具体成因需要进一步研究。
参考文献：
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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