轨道观测揭示了巨大的地幔柱的存在，将火星表面向上推，并推动了强烈的火山和地震活动。
艺术家对活跃的地幔柱的印象——一大团温暖而漂浮的岩石——从火星内部深处升起并推高极乐世界平原，这是地球北部低地的一个平原。Elysium Planitia 的火山活动起源于 Cerberus Fossae，以红色突出显示，这是一组在火星表面延伸 800 多英里的年轻裂缝。最近，NASA 的 InSight 着陆器发现几乎所有火星地震或火星地震都来自这一地区。图片来源：Adrien Broquet 和 Audrey Lasbordes
巨大的地幔柱揭示火星比之前认为的更活跃
轨道观测揭示了巨大的地幔柱的存在，将火星表面向上推，并推动了强烈的火山和地震活动。
在地球上，移动的构造板块重新排列地球表面并形成动态内部。由于火星上没有这样的过程，许多人认为它是一颗死行星，在过去的 30 亿年里并没有发生太多事情。
亚利桑那大学的科学家们通过一份关于发现活跃的地幔柱将地表向上推并导致地震和火山爆发的报告挑战了当前关于火星地球动力学演化的观点。这一发现发表在最新一期的《自然天文学》杂志上，表明这颗行星看似平静的表面可能隐藏着一个比之前想象的更动荡的内部。
“我们的研究提供了多方面的证据，揭示了当今火星上存在巨大的活跃地幔柱，”UArizona 月球和行星实验室 (LPL) 的博士后研究员、该研究的合著者 Adrien Broquet 说。与 LPL 行星科学副教授 Jeff Andrews-Hanna 合影。
艺术家对活跃的地幔柱的印象——一大团温暖而漂浮的岩石——从火星内部深处升起并推高极乐世界平原，这是地球北部低地的一个平原。图片来源：Adrien Broquet 和 Audrey Lasbordes
地幔柱是从行星内部深处升起并穿过中间层（地幔）到达地壳底部的大团温暖且漂浮的岩石，引起地震、断层和火山喷发。例如，夏威夷岛链是在太平洋板块缓慢漂过地幔柱时形成的。
Andrews-Hanna 说： “我们有强有力的证据表明地幔柱在地球和金星上很活跃，但预计不会出现在像火星这样的小而据称寒冷的世界上。” “火星在 3 到 40 亿年前最活跃，而普遍的观点是，这颗行星今天基本上已经死了。”
“地球历史早期的大量火山活动建造了太阳系中最高的火山，并在火山沉积物中覆盖了北半球的大部分地区，”Broquet 说。“最近历史上发生的很少活动通常归因于冷却行星上的被动过程。”
研究人员被火星上一个不起眼的区域 Elysium Planitia 的大量活动所吸引，该区域位于火星北部低地靠近赤道的平原上。与火星上其他数十亿年未见重大活动的火山区不同，极乐世界在过去 2 亿年中经历了大规模喷发。
“我们小组之前的工作在 Elysium Planitia 发现了火星上已知最年轻的火山喷发的证据，”Andrews-Hanna 说。“它在大约 53,000 年前造成了一次小型火山灰爆炸，这在地质时间上基本上是昨天。”
这张由欧洲航天局的火星快车轨道飞行器拍摄的图像显示了一个斜视图，聚焦于构成 Cerberus Fossae 系统的一处裂缝。裂缝穿过山丘和火山口，表明它们相对年轻。图片来源：SA/DLR/FU Berlin，CC BY-SA 3.0 IGO
Elysium Planitia 的火山活动起源于 Cerberus Fossae，这是一组在火星表面延伸 800 多英里的年轻裂缝。最近，NASA的 InSight 团队发现几乎所有的火星地震或火星地震都源自这一地区。尽管这种年轻的火山和构造活动已被记录在案，但根本原因仍然未知。
在地球上，火山活动和地震往往与地幔柱或板块构造有关，板块构造是不断循环地壳的漂移大陆的全球循环。
“我们知道火星没有板块构造，所以我们调查了我们在 Cerberus Fossae 地区看到的活动是否可能是地幔柱的结果，”Broquet 说。
地幔柱，可以看作类似于熔岩灯中升起的热蜡块。通过经典的事件序列泄露他们在地球上的存在。温暖的羽流物质推动地表，抬升和拉伸地壳。来自羽流的熔融岩石然后喷发成洪水玄武岩，形成广阔的火山平原。
当团队研究 Elysium Planitia 的特征时，他们发现了火星上相同事件序列的证据。地表已经抬高了一英里多，使其成为火星北部广阔低地中最高的地区之一。对重力场细微变化的分析表明，这种隆起得到了地球深处的支持，与地幔柱的存在相一致。
其他测量结果表明，撞击坑的底部向羽状物的方向倾斜，进一步支持了陨石坑形成后有某种东西将表面推上去的观点。最后，当研究人员将该构造模型应用于该地区时，他们发现存在一个 2,500 英里宽的巨大羽流是解释导致 Cerberus Fossae 形成的延伸的唯一方法。
“就你期望看到的活跃地幔柱而言，Elysium Planitia 正在检查所有正确的框，”Broquet 说，并补充说这一发现对行星科学家用来研究行星热演化的模型提出了挑战。“这种地幔柱影响了火星的面积，大致相当于美国大陆的面积。未来的研究将不得不找到一种方法来解释一个预计不会存在的非常大的地幔柱。
“我们曾经认为 InSight 降落在火星上地质最无聊的地区之一——一个漂亮的平坦表面，应该大致代表地球的低地，”Broquet 补充道。“相反，我们的研究表明 InSight 恰好落在了活跃的羽流头部之上。”
活跃羽流的存在将影响对 InSight 记录的地震数据的解释，现在必须考虑到该区域远非火星正常区域这一事实。
“今天火星上有一个活跃的地幔柱是我们理解地球地质演化的范式转变，”Broquet 说，“类似于阿波罗时代记录的地震测量分析表明月球的核心是熔化的。”
作者说，他们的发现也可能对火星上的生命产生影响。研究区域在最近的地质历史中经历了液态水的泛滥，尽管原因仍然是个谜。为正在进行的火山和地震活动提供燃料的羽流所产生的热量，也可能融化冰层，形成洪水——并推动化学反应，从而维持地下深处的生命。
Andrews-Hanna 说：“地球上的微生物在这样的环境中繁衍生息，火星上也可能如此。”他补充说，这一发现不仅仅可以解释神秘的地震活动和火山活动的复苏。“知道火星表面下有一个活跃的巨大地幔羽流，引发了关于地球如何随时间演化的重要问题。“我们相信未来会有更多惊喜。”
参考：A. Broquet 和 JC Andrews-Hanna 撰写的“火星极乐世界下方活跃地幔柱的地球物理证据”，2022 年 12 月 5 日，自然天文学。
DOI: 10.1038/s41550-022-01836-3