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02 岩质行星 Rocky Planets（第2页）

金星比水星大得多。它的大小和质量表明，金星产生的热辐射几乎和地球一样多，因此金星上火山活动的频次也和地球差不多。但由于金星没有板块构造，两者火山活动的形式大相径庭。

金星有一个浓密的、永远多云的大气层，这使得我们能用雷达来研究金星之前，它的表面一直是个谜。图6显示了美国国家航天局（NASA）的麦哲伦号探测器获得的部分金星雷达图像。该探测器在1990年至1994年间几乎绘制出了整个金星的地图。通过向地面连续发射一连串雷达脉冲，再对反弹回来的波进行复杂分析、组合，形成了雷达图像。在大多数情况下，你可以像看黑白光学图像一样看雷达图像，但事实上，行星每个特征的亮度主要取决于行星局部表面的粗糙程度，而不是它对可见光的反射率。

图6展现了金星表面的大部分特征，多个从西向东的熔岩流穿过图中，一些更粗糙（更亮），一些更平滑（更暗）。单个熔岩流的叶状模式与地球和火星上的熔岩流非常相似，但这种模式在月球和水星上却很难辨别，因为月球和水星上的熔岩流边缘已经被撞击分解了。

图6　麦哲伦号拍摄的500千米宽的部分金星图像。该地区部分是熔岩，源自图像中心以西300千米处。但图像东南角是一些崎岖的地形，代表金星上现存的最古老的地壳。图像的西部，从北到南是一个被熔岩流破坏的带脊和断裂地形的山区

除了大约覆盖了表面一半的熔岩流，金星上还有许多清晰可辨的火山。图7显示了一个例子，该图片的背景是一座5千米高的火山，侧翼呈缓坡状。这种火山在地球上被称为“盾状火山”，是玄武岩通过一个火山口反复喷发形成的。在火山的侧面可以看到单个熔岩流。没有人知道这座火山或其他类似火山的上一次喷发是在多久以前。金星近期或现今的火山活动，是否都存在这种形式？对于这些问题，有一些有趣的线索，但都没有证据。因为这些火山活动太小了，无法提供计算陨石坑的可靠统计数据。这座特殊的火山建立在一个较古老的地域上，这个地域更为平坦，上面有许多裂缝。图7前景中的陨石坑可能与它左边明亮的熔岩流无关。

金星上有超过300个被称为“冕”（ae）的同心环状或椭圆形裂缝。我们认为这些裂缝的起源与月球和水星的多球撞击盆地不同。它们的直径从200米到2000多千米不等，通常与某种形式的火山活动有关。也许每一个冕都标志着一个地点，即软流圈中上升的地幔柱顶住岩石圈的底部。地幔柱仍在这里的冠状抬升为非常宽的圆顶，而较早的冠状区因为缺少地幔柱的支撑，会渐渐塌陷。这种下陷解释了同心断裂。

图7　计算机生成的金星上玛阿特火山（MaatMons）的三维透视图。该图是通过在雷达测高仪获得的地形模型上覆盖雷达图像来实现的，火山的垂直尺度被放大了10倍。这两组数据都是由麦哲伦号探测器收集的。右前部分的陨石坑直径23千米

金星上的陨石坑比地球上要多，但远比月球和水星上的少（在图6中你不会发现任何陨石坑）。这其中两个因素在起作用。在金星上是看不到直径小于3千米的陨石坑的，它稠密的大气层保护了其表面不受小撞击。但有一些较大型的陨石坑，因为携带过多能量的物体不受金星大气的影响。较大陨石坑的数量少，可能是因为这平均年龄只有5~7亿年的年轻金星表面。金星地表年龄比较平均，没有特别古老或特别年轻的大片地形。

在20世纪90年代，对这一现象的标准解释是：几乎整个金星的地表都是在一场5~7亿年前，持续不超过几千万年的火山活动中重新塑造的。这与金星缺乏板块构造的原因一致。因为缺乏板块构造，在大部分上层软流圈熔化之前，深层幔的大部分热量都被困在岩石圈盖之下。最终，冷而致密的岩石圈崩塌，而困于岩石圈下面的岩浆将会喷发。自金星形成以来，类似的事情可能已经发生了六次，在接下来的1亿年内可能还会再次发生。

最近，这种让金星有全球灾难性火山爆发的模型遭到了质疑，因为陨石坑的统计数据并不能排除这个塑造过程是在一个更长的时期内发生的，比如在过去的5亿年里，不定时被熔岩覆盖的随机区域越来越小。

地球

在地球上，内部热量的收支是由火山活动和板块构造共同调节的，从而不能使用金星上的软流层温度偏移的假设。在地球岩石圈以下产生的热量中，只有大约三分之一是通过传导发散出去了。其余大部分热量通过大洋中脊的喷发被传递到岩石圈顶部（在大洋中脊，新的物质被添加到分离的板块之间）。此外，在岩石圈以下产生的小部分热量则是通过俯冲带上的火山爆发和地幔柱上的各种“热点”被传递到岩石圈顶部。在俯冲带，岩石圈板块旧的、冷的部分回流融入软流圈，使得它重新冷却。

我们最接近金星火山灾难的是：每隔几千万年，就有一个直径达1000千米的区域会被多达10立方千米的玄武岩熔岩所掩埋，这就是所谓的“洪流玄武岩”。印度西北部的“德干陷阱”（6600万年前）、英国-北极泛滥玄武岩（格陵兰岛和不列颠群岛西北部，5700万年前）、哥伦比亚河洪流玄武岩（美国西北部，1600万年前）都是比较著名的例子。这些重大且罕见的事件可能会向大气中注入大量火山气体，尤其是二氧化硫，以及被称为“火山灰”的火山岩碎片，这会严重影响全球气候。图8显示了地球上熔岩流的一个例子，可以与其他行星的图像进行比较。

图8　这张70千米宽的太空照片显示了美国爱达荷州的“月球火山口”熔岩场。熔岩流的来源是西北部崎岖高地边缘附近的一系列裂缝。可将熔岩流的叶状形态与图6中的金星流进行比较

地球上的火山活动与其他行星最大的不同之处在于，地球岩浆中气体不断上升、膨胀，往往会使相当大一部分火山喷发具有爆炸性。原因有二：其一是循环水、二氧化碳和二氧化硫会从俯冲带上方逸出，大大增加了原始气体深层的内部泄漏，因此地球上有更多的气体会驱动火山爆发；二是大陆地壳的存在有利于形成硅含量高于玄武岩的岩浆。这些富含二氧化硅的岩浆比玄武岩更黏稠，也更容易破碎。日本富士山（MountFuji）这种经典的“画册”式尖顶锥形火山在地球之外的行星上很少见，因为它们是相对富含硅的火山爆发的结果，而且部分尖顶锥形火山的喷发是爆炸性的。

火星

与地球和金星相比，火星上的火山较少，但规模往往很大。大型玄武岩盾状火山主要分布在塔尔西斯地区（大部分位于图9中）和埃律西昂地区。奥林匹斯山是塔尔西斯最大的火山，直径约600千米，从山顶到山底的距离高达24千米，是整个太阳系最大的火山。

火星有这么大的火山的原因有两个。首先，火星是一个“单板块行星”，其岩石圈是一个完整的外壳，即一个单一的板块。相对于底层地幔软流圈，火星的岩石圈实际上是静止的；而在地球上，板块相对于地幔柱四处漂移，因此，仅仅几百万年，由地幔柱补给的火山就会漂走，火山的岩浆供应也就被切断了。与地球不同的是，只要地幔柱保持活跃，火星上的地幔柱就会一直向岩石圈的同一地点提供岩浆。奥林匹斯山可能在10亿多年前就开始成形了，确切日期无从得知，因为我们只能通过陨石坑计数来确定如今火星地表事物的年代，而无法看到更古老的、被埋在地下的火山内部。奥林匹斯山顶有几个相互重叠的火山喷发口，其历史可以追溯到1亿~2亿年前，但其侧翼最年轻的熔岩流大约只有200万年的历史，它可能有一天会再次喷发。塔尔西斯高地的其他火山肯定更古老，但如今可能都已经是死火山了。

图9　这幅3000千米宽的拼接图像显示了火星上几个巨盾状火山。左边是奥林匹斯山，太阳系中最大的火山。图像右边的边缘是塔尔西斯火山。从南部边缘的中心向东北延伸，分布着三座山：帕弗尼斯山、艾斯克雷尔斯山和什洛尼尔斯山

火星上有这么大的火山的第二个原因是“它可以”。火星有一个寒冷而坚硬的岩石圈，约为地球岩石圈的两倍厚。如果你把奥林匹斯山移到地球或金星上，它们的岩石圈就会因为相对较薄而在负荷之下凹陷下来，这座火山也就失去了高度。

高分辨率图像显示了大型火山之间的平原和火星其他几个地区的熔岩流的细节。然而，这些熔岩流因其具有的一些特征，也被认为是火山，这引起了相当大的争议。图10显示了一个值得注意的示例。

图10　这张图片展示了50千米宽的火星的争议区域，由欧洲航天局的火星快车轨道飞行器拍摄。有人认为这个板块的表面是熔岩流，有着断裂冷却的壳。另一些人则认为这是冰冻海面上破碎的浮冰，现在被灰尘覆盖。两个陨石坑的年龄都超过了板块表面的年龄，它们的边缘足够高，可以防止内部被水淹没。陨石坑实际上是圆形的，但在这张斜视图中被压扁了

地球上曾经收集到30多个火星陨石。陨石要么是玄武岩熔岩，它们是火星的撞击物碎片；要么是更粗糙的晶体侵入的等价物，其结晶年龄的跨度从45亿年到1。6亿年不等。由此，我们可以推断，尽管火星表面的大片区域覆盖着各种各样的沉积物，但火成岩在深处构成了火星地壳的大部分区域。

表面过程

风化层和空间风化

火山活动是由行星内部活动驱动的，但行星的地貌可以通过其表面活动来塑造。对一个没有空气，也没有大气层保护的行星来说，直接作用于其表面的过程主要是陨石和微陨石的轰击。从陨石坑中抛出的碎片状物质，即“抛射物”，覆盖了行星地表，深达数米。在这种行星的地表上，有坚实基岩的地方非常罕见（图11）。月球土壤被称为“风化层”，阿波罗号宇航员在其上留下的脚印主要由几毫米大小的颗粒组成，包括晶体碎片、微小的岩石碎片和玻璃球。这些玻璃球是冰冻的液滴，由撞击产生的热量生成。通过火山口挖掘和抛射物扩散，风化层在各种尺度上不断地重新排列，这一过程被称为“冲击成壤”。在撞击速度更快的水星上，风化层的颗粒大小约为月球风化层的三分之一。

图11　阿波罗号宇航员戴夫·斯科特拍摄的哈德利沟纹的远摄照片。左边2米厚的水平层是一个罕见的基岩实例——可能是熔岩流构成的，它暴露在了陡峭的斜坡上。哈德利沟纹的其他地方都被风化层覆盖，风化层的颗粒大小不一，从巨砾到灰尘都有

如果行星没有大气，太阳紫外线就可以直达表面，随着时间的推移，紫外线可能会破坏化学键。如果有微陨石撞击，又或者行星没有磁场，来自太阳风的带电粒子也会影响行星表面的化学性质。这样，无大气的行星会经历一系列被统称为“太空风化”的过程，这些过程会慢慢改变其表面成分。例如，连接铁和氧原子的键可能被破坏，释放出氧气，留下被称为“纳米铁”的亚微观纯金属颗粒。

若一颗行星有大气层，那么只有特别大的罕见撞击物才能以高速到达表面。例如，在地球的大气层中，尺寸小于150米的石质小行星可能会发生解体，由此产生的碎片足够小，会通过摩擦减速。因此，它们到达地面时，几乎已经失去了所有的初始速度，所以不能形成陨石坑。微陨星尘，主要是微陨石，也可能是较大陨石摩擦脱落的碎片，以每百万年0。1~1毫米的平均积累速度沉降到行星地面。这种尘埃对总沉积速率的贡献很小，除了远离陆地的深海海底，微陨星尘通常会完全被其他沉淀物所淹没。

侵蚀和运输

除了对景观产生影响，风、流水和移动的冰（冰川）也会磨损岩石，并将岩石碎片带走。在化学风化过程中，水也能溶解岩石。水中溶解的元素可能会重新出现在其他地方，并在新的矿物质中沉淀。这尤其适用于盐沉积，也适用于许多形式的碳酸盐岩。但是在地球上，大多数石灰石，即碳酸钙，是由海洋生物外壳的碎片形成的，这证明了将溶解的碳酸盐（或溶解的二氧化碳气体）转变成可以变成岩石的固体物质需要一个重要的生物转化步骤。

火星上的沙尘暴很有名，它在1809年首次被望远镜观测到。当火星在近日点时，接收到的太阳能比远日点多40%，火星上速度超过每秒20米的风可以将极其多的尘埃吹到空中，以至于大部分火星表面会持续数周被遮蔽。有时，除了奥林匹斯山的峰顶，几乎看不到火星表面有什么凸出的东西。由于经常有云聚集在奥林匹斯山，它的峰顶通常看起来是白色的，也因此它以前的名字是奥林匹斯之雪（NixOlympica），意思是奥林匹斯山上的雪。但这个名字在航天器传回的图像显示这里真正发生了什么以后就被修改了。

从轨道上或地面上都可以看到火星上有许多风的活动迹象（图12），它们以较小的风波纹的形式出现在沙丘和表面尘埃中。火星上的一些沙丘正在被风不断雕凿，但另外一些的形状可能已经有数百万年没有改变了。风成沙[2]是火星上有侵蚀存在的一个有力证据。大气的低密度意味着火星上能够输送沙粒的风速必须比地球上的风快得多，由于这种磨蚀，一些**在外的岩层形成了奇特的形状。

图12　一些沙丘，只缺些等比例的骆驼或棕榈树就像地球了。事实上，这张照片是由美国宇航局的机遇号火星车在火星表面拍摄的，它从火山口的边缘斜拍到火山口底部的沙丘。可见区域大约有100米宽

金星的大气密度比地球大得多，其地面气压是地球的92倍，因此，即使是缓慢的风也能使沙粒四处移动。金星上也有几处沙丘，然而在这里，当风吹起的颗粒撞击基岩时，侵蚀力十分有限，部分原因是因为稠密空气的冲击速度较慢且具有缓冲作用，还有部分原因则是480℃的地表高温会使材料塑性变形，而不是以易碎的方式磨损。

对地球人来说，流动的水通常是最常见的泥沙运输媒介——比如河流中的水，或者海滩上的波浪。在太阳系中，除了地球，目前没有任何天体的表面条件能让水稳定地保持在液态。金星太热了。火星的正午温度尽管远高于0℃，但它的大气层非常稀薄，表面的冰会直接变成蒸汽，而不是融化成水。有大量的证据表明，火星表面曾经有大量的水流动（图13）。火星至少经历了与地球相同的极端气候，并且在数十亿年前，它的大气密度和湿度足以导致降雨和灾难性的洪水。太阳系最大的峡谷系统是火星水手谷（VallesMarineris，水手9号探测器在1971年传回的图像中发现了这个峡谷，并以探测器的名字给峡谷命了名）。这是一个4000千米长的裂谷系统，始于地壳的破裂。当水流经水手谷时，由于侵蚀作用，水手谷会变宽。它最深的地方到了地面边缘以下的7千米处（亚利桑那州的大峡谷只有2千米深）。水手谷还非常宽，以至于如果你站在峡谷的一边朝对面看时，会发现另一边消失在地平线之外。

图13　一系列东西向的裂缝证明了火星上水手谷复合体的构造起源。在这幅视野为800千米宽的图中，水手谷只有一小部分被露出。请注意蜿蜒深切的河道从南面进入，这显示了流动的水在拓宽主峡谷中发挥的作用

尽管水手谷广阔无垠，却一直没有被前太空时代的望远镜观测人员发现过。1877年，意大利人乔范尼·夏帕雷利（GiovanniSchiaparelli）绘制了臭名昭著的火星“运河”地图，随后得到了美国人珀西瓦尔·洛厄尔（PercivalLowell）的支持。洛厄尔于1916年去世，他一生都认为这些运河是聪明的火星人设计的巨大工程。事实上，这些运河与火星上许多真实存在的河道没有任何关系，其中补充支流分支网络的水可能是由降雨提供的，包括图13中所示的许多长得多的河道。流经其他地方的水可能是永久冻土融化的时候，从地下漏出来的。河道注入平原形成的流线型“岛屿”，表明它们曾被巨大的洪水冲刷过。在这些地方降落的机器人着陆器（1976年的海盗1号和1997年的火星探路者号）发现了大量洪水冲刷之后留下的岩石。

火星上主要的山谷无一例外都有许多撞击坑，所以很明显，它们一定是古老的，并且最后一次流动发生在10多亿年前。在最后一次流动之后，许多山谷的侧壁都发生了山体滑坡，谷底如今布满了由寒风吹成的火星沙丘。在20世纪70年代和80年代，大多数科学家会告诉你，尽管火星在遥远的过去曾经历过至少一个潮湿的时期，但现在除了两极有小水冰覆盖外，其他地方都很干燥。想象一下，在1999年，当一架名为“火星轨道相机”的高分辨率成像仪开始在火星的几个陡坡上发现那些只有几米宽、几百米长的沟壑时，人们会有多么惊讶。这些沟壑缺少重叠的陨石坑，经过观察，其中许多沟壑下游的碎片堆积扇已经开始掩埋沙丘。这些特征表明这些沟壑一定是年轻的，但年轻到什么程度，在“火星轨道相机”发现沟壑不久之后，新的图像开始变化，这证明了一些沟壑在今天仍然是活跃的（图14）。