火星的地下水

在過去的歲月里，尤其是在諾亞紀和早赫斯珀里亞紀年代，火星上曾有過降雨和降雪^{[2][3][4][5][6][7]}，一些液態水滲入地下形成含水層，也即抵達無法再往下滲透的地層（這種地層稱為不透水層），隨後積聚形成飽和層，這些深層含水層迄今可能依然存在^[8]。

堅忍撞擊坑中伯恩斯懸崖上風成沙丘地層的保存和膠結被認為受控於淺層地下水流的作用^[1]。

概述

研究人員發現，火星上分布著一層遍布全球的地下水系統，並且由於地下水的作用，產生出一些突出的特徵^[9][10]。當地下水上漲到地表或接近地表時，各種礦物質會沉積下來，而這些沉積物將會膠結在一起。其中的一些硫酸鹽礦物可能是水溶解出地下岩石中的硫，在與空氣接觸後氧化產生的^[11][12][13]。當水在含水層內漫流時，就會流經可能含有硫的火成玄武岩。

在含水層中，水溢滿了岩石顆粒之間的開放空間（孔隙），這一含水層將會擴散開來，最終遍及火星表面的大部分區域。含水層的頂部稱為地下水位，計算表明，火星上的地下水位曾一度低於地表600米^[14][15]。

2019年9月，「洞察號」探測車偵測到無法解釋的磁脈衝和磁振盪，這與存在全球性地下深層液態水儲層的情況相一致^[8]。

研究人員得出結論，蓋爾撞擊坑經歷過多次地下水湧出，地下水化學發生了變化，這些化學變化將能維持生命^{[16][17][18][19][20][21]}。

層狀地形

地層可能是由地下水上升沉積的礦物和膠結沉積物所形成，因此，硬化層更能抵抗侵蝕，這一可能發生的作用取代了在湖泊下形成的地層。

這顆紅色星球上的部分地區顯示出成群的層狀岩石^[22][23]，岩層存在於底座形撞擊坑的耐侵蝕蓋層下、許多大型撞擊隕坑的坑底以及阿拉伯區^[24][25]，在一些地方，這些岩層排列成規則的圖案^[26][27]。據認為這些岩層是由火山、風所形成或形成於湖底或海底。計算和模擬表明，攜帶溶解礦物的地下水會在有大量岩層的同一位置出現。根據這些想法，深谷和大型隕坑中都會有來自地下的水。火星阿拉伯地區的許多隕坑都含有一系列的岩層，但其中一些可能是氣候變化造成的。

火星自轉軸的傾角在過去一再發生改變，而且有時變動很大。由此造成的氣候變化，使火星大氣層有時會很厚，能含有更多的水分。大氣中的塵埃量也會發生增減。據信，這些頻繁的變化有助於在隕坑和其他低洼處沉積物質。富含礦物質的地下水的上漲使這些物質變得更加堅硬。模型還預測，在隕石坑堆滿層狀岩石後，隕石坑周邊區域還會形成額外的岩層。因此，該模型預測，隕坑之間的區域也可能形成岩層，現已在這些區域觀察到了分層。

地層可以通過地下水的作用而硬化，火星地下水可能流動了數百公里，在這一過程中，它溶解了所穿過岩石中的很多礦物質。當地下水出現在堆積著沉積物的低洼地區時，會在稀薄的大氣中很快蒸發，並留下礦物質作為沉積物和/或膠結劑。由於塵埃層被粘合在了一起，因此，以後不會被輕易侵蝕掉。在地球上，富含礦物質的水經常蒸發形成各種鹽類和其他礦物的大型礦床。有時穿過地球含水層的水流會在地表蒸發，就像火星上推測的情況一樣。地球上發生這種情況的一個地方是澳大利亞的大自流盆地^[28]。在地球上，許多沉積岩，如砂岩的硬度主要取決於水通過時所產生的膠合作用。

2019年2月，歐洲科學家公布了一個古老的全球性地下水系統地質證據，可以說，該系統與假定的浩瀚海洋相關聯^[29][30]。

克羅姆林隕擊坑中的岩層

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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的奧克夏沼區克羅姆林隕擊坑內的孤丘。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的奧克夏沼區克羅姆林隕擊坑內的岩層。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的奧克夏沼區克羅姆林隕擊坑內的岩層，箭頭指示了斷層位置。

丹尼爾森隕擊坑的岩層

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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的丹尼爾森隕擊坑地面上的層狀土墩。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備拍攝到的丹尼爾森隕擊坑地面上的岩層和深色塵埃彩色近景圖。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備拍攝的丹尼爾森隕擊坑地面上的岩層和深色塵埃彩色近景圖，在圖像中可看到巨石。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備拍攝的丹尼爾森隕擊坑底部岩層近景，在圖中可看到一些斷層。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的丹尼爾森隕擊坑放大圖。方框代表足球場大小的區域。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的丹尼爾森隕擊坑岩層特寫圖，可看到巨礫和黑色沙粒。

倒轉地形

火星上許多地區顯示出倒轉地形，在這些地方，以前的溪流河道顯示為凸起的河床，而非溪谷。當古河道被耐侵蝕材料填滿時，就會形成凸起的河床。當後來的侵蝕去除掉周圍鬆軟的材料後，則留下了沉積在河床中抗侵蝕力更強的材料。熔岩是一種可沿著河谷往下流淌，並形成這種倒轉地形的物質，但當鬆散的材料被礦物質膠結時，也會變得非常堅硬和耐侵蝕，這些礦物質可能來自地下水。人們認為，像河谷這樣的低地區會聚集地下徑流，因此更多的水和膠結物將進入其中，從而導致更大程度的膠結^[9]。

然而，在沒有地下水膠結的情況下，也可能發生地形倒轉。如果某處地表被風侵蝕，則必然的侵蝕度差別僅需簡單地由鬆散沉積物粒度的變化來產生。例如，風可以帶走沙子，但不能颳走卵石，因此，如果最初被較細沉積物圍繞的河床上積滿了鵝卵石，即使它們沒有膠結，也可能會形成倒轉的山脊，這種效應已在佐伯隕擊坑內的河道中得到印證^[31]。

在火星隕石坑中，坑底分布有眾多岩層的地方通常都會有倒轉地形。

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  高解析度成像科學設備顯示的宮本撞擊坑中的倒轉河道，比例尺長500米。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備亞馬遜區拍攝的倒轉河道。該山脊可能曾是河道，但已被沉積物填滿並膠結，因此足以抵抗侵蝕，而周圍的物質則都被侵蝕剝離。
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  圖像中蜿蜒的山脊可能是古河道形成的倒轉地形。

地下水上涌的證據

發往火星的太空飛行器提供了大量證據，證明地下水是造成火星上許多岩層的主要原因。機遇號探測車使用精密儀器研究了一些地區，結果表明，地下水曾反覆湧出到地表。水多次進入地表的證據包括赤鐵礦結核（稱為「藍莓石」）、膠結沉積物、蝕變沉積物以及形成的晶體碎屑或骸晶^{[32] [33] [34]}。要形成骸晶，溶解的礦物需先沉積為礦物晶體，以後當更多的水到達地表時，晶體被溶解，但晶體的形狀仍然可以辨認出來^[35]。 當機遇號行進在火星表面時，在許多地方發現了赤鐵礦和硫酸鹽，因此，確如模型所預測那樣，相同類型的沉積物普遍分布於各地^{[36][37][38][39]}。

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  正如機遇號探測車所看到的那樣，岩床中有曾存在過晶體的孔洞（空穴），但後來晶體溶解，這些孔穴保留了原來晶體的形狀。

鷹撞擊坑岩石露頭上的「藍莓石」（赤鐵礦球），注意左上角合併在一起的三聯體。

軌道探測器顯示機遇號周圍的岩石類型廣泛存在於包括阿拉伯區在內的一個非常大的區域中，該區域面積約與歐洲一樣大。火星勘測軌道飛行器上的緊湊型火星偵察成像光譜儀在地下水上涌模型預測的許多地點都發現了硫酸鹽，包括阿拉伯區中的一些地區^[40]。該模型預測了水手峽谷中的沉積物，現已觀察到這些沉積物並發現其中含有硫酸鹽^[41]。 在其他預計有湧出水流的地點，例如混沌地形區和與大型溢出河道有關的峽谷中，也發現了硫酸鹽^[42][43]。 岩層也出現在「地下水在地表蒸發模型」所預測的地點類型中，它們由火星全球探勘者號和搭載在火星勘測軌道飛行器上的高解析度成像科學設備所發現。在機遇號降落地點周圍以及阿拉伯區附近觀察到了分層現象。底形座撞擊坑岩蓋下的地面有時會顯示出許多分層。底形座撞擊坑的岩蓋保護了下方的地層免受侵蝕。普遍認為的是，現在僅發現於底形座撞擊坑冠岩下的物質以前曾覆蓋了整個地區。因此，底形座撞擊坑下方可見的岩層曾經遍布整個區域。

一些隕坑中分布有高出坑沿之上的層狀土丘，蓋爾撞擊坑和克羅姆林隕擊坑就是兩座擁有大型土丘的隕石坑。根據該模型推測，這些高高的土丘是由先填滿隕坑，然後繼續在周圍區域堆積的地層形成，後來的侵蝕剝離了隕坑周圍的物質，但在隕坑內留下了一座高過坑沿的土丘。

請注意，儘管該模型預測上湧水流和蒸發應在其他地區（北部低地）產生出岩層，但這些地區並未顯示，因為這裡的岩層形成於很久以前的早赫斯珀里亞紀時代，因此，被後來的沉積物掩埋了。

2019年2月，一組歐洲科學家描述了深坑中地下水形成湖泊的有力證據^{[29][30][44][45]}。所檢查的隕石坑沒有顯示有入口或出口，因此，湖水應該來自地下。這些隕石坑的坑底大都約位於火星「海平面」以下4000米處，坑底的地貌和礦物只有在有水的情況下才能形成，其中一些特徵是三角洲和台階地^[46][44]。這些被研究過的隕石坑包括有奧亞馬、佩蒂特、薩根、湯博、麥克勞克林、杜·馬瑟雷、 尼克爾森、莫哈韋、居里和瓦胡等，似乎只要一座撞擊坑足夠深，水就會從地下湧出，形成一座湖泊^[44]。

底座形撞擊坑

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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的阿拉伯方格區一座底座形撞擊坑冠岩下的岩層。該底座形坑位於更大的吉洪拉沃夫撞擊坑內。
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  高解析度成像科學設備在阿拉伯方格區一座底座形撞擊坑頂部附近看到的暗坡條紋。
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  當撞擊產生的噴出物保護了下方地層不受侵蝕時，就會形成底座形隕石坑，這一結果使隕石坑高出在周邊地形之上。
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  HiWish計劃下高解析度成像科學設備在阿拉伯方格區看到的一座底座形撞擊坑附近的暗坡條紋和岩層，這些岩層受到了底座形隕坑的蓋岩保護。

另請查看

• 阿拉伯方格區
• 火星氣候，類地行星的氣候模式
• 赤道層狀沉積物，火星表面的地質沉積物
• 火星地質，火星表面、地殼和內部的科學研究
• 火星湖泊，火星上湖泊的概述
• 火星勘測軌道飛行器，美國宇航局火星軌道器
• 機遇號火星漫遊車——火星漫遊車，美國宇航局於2004年發射的火星探測車
• 底座形撞擊坑——一種隕石坑類型
• 火星暖坡上的季節性流，也叫重複斜坡線
• 火星水文——行星火星上的水文

參考文獻

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