火星南北半球的二分結構（dichotomy）如何形成這一科學問題自過去的50年迄今一直是火星科學研究的熱點之一。火星南北半球二分結構概念始于20世紀70年代初期Mariner 9和Viking等火星探測任務的影像傳回地球，這些圖像顯示火星南北半球存在顯著的地形高程差異（圖1），即所謂的“南部高地（Souhtern Highlands），北部低地（Northern Lowlands）”。后續探測進一步發現了火星殼厚度、撞擊坑密度和磁場強度等均存在南北半球的顯著差異。然而，這種二分結構成因至今仍存在高度分歧。
目前，關于火星南北半球二分結構成因主要可以分為兩類：外源假說和內源假說，及二者的混合假說。外源假說主要認為是：由一個或若干個直徑~1000 km甚至更大（~2000km）的巨大隕石撞擊北半球而形成低地；或是南半球遭受半球尺度的巖漿洋撞擊而形成高地。內源假說主要是認為火星內部過程所致的，例如火星幔的一階對流等。這一科學問題長期存在爭議的一個重要原因是缺少觀測證據特別是火星南北半球內部結構的制約。
中國科學院地質與地球物理研究所孫偉家研究員聯合澳大利亞國立大學Hrvoje Tkal?i?教授（其為中國科學院2023年度PIFI項目杰出科學家）使用國際“洞察號”火星震科學數據對上述科學問題開展了科研攻關。他們使用了若干技術壓制火星震數據噪聲，發展了最優化火星震定位方法，首次定位了一簇六個位于火星南半球Terra Cimmeria區域的火星震（圖1）。進一步，基于這一簇南半球火星震和位于北半球Cerberus Fossae區域的火星震的S波和S波尾波信息，他們率先獲得了火星南半球和北半球火星幔的Q值分別為481-543和800-2000，并揭示了火星南北半球存在顯著的衰減結構差異（圖2）。
圖1 火星南北二分結構的地形圖和火星震（五角星）位置圖。“洞察”號（InSight）位于北部低地，靠近Elysium Mons火山。前期“洞察”號團隊定位的火星震主要位于北半球Cerberus Fossae區域，本研究首次定位的一簇火星震位于南半球Terra Cimmeria區域。南部高地：Southern Highlands，北部低地：NorthernLowlands，二分結構邊界：Dichotomy boundary
圖2 獲得的火星南部高地和北部低地下方火星幔的Q值。南部高地下方Q值低，火星幔內部衰減強，溫度高，北部低地下方Q值高，火星幔內部衰減弱，溫度低。這為火星內部過程（如火星幔一階對流）形成火星二分結構提供了直接的地震學觀測證據。圖中圓形虛線和數字為以“洞察”號為中心的等距線和距離數值
綜合該研究的觀測結果和已有的動力學數值模擬、火星存在古磁場發電機、生熱元素含量等，認為該差異主要是火星不僅存在橫向的溫度對比，還存在徑向溫度變化，即南半球的溫度更高，火星幔的粘滯度更低（較高的溫度可以降低火星幔的粘滯度），有助于增加了火星幔對流強度。另外，火星幔不存在地球地幔物質成分的顯著差異（例如地幔過渡帶），使得溫度差異成為驅動火星全球尺度的火星幔對流的控制因素，這有力支持了火星幔對流等內部過程形成南北二分結構的假說。
他們進一步結合地球化學和地磁場研究成果等討論了大型隕石撞擊假說。火星形成后，火星巖漿洋快速冷卻并形成火星殼的時間不晚于45.47億年，火星隕石變質學研究表明44.8億年以來火星未發生過大型的隕石撞擊事件，镥-鉿同位素研究結果表明火星核發電機運行至41億年。如果隕石撞擊假說成立，大型撞擊會導致殼幔熔融和二次分異并形成新的火星殼。在此過程中，火星磁場發電機穩定運行，則在北半球可形成較強的剩余磁場，但這一場景與實際磁場數據觀測不符合。
他們同時強調，盡管這項研究工作基于地震觀測邁出了探測火星南北二分結構成因的重要一步，但這些認識仍然需要未來火星探測任務在更大區域開展驗證和支持。他們還建議開展地球克拉通和火星的比較行星學研究，因為二者在形成年齡、溫壓條件、物理屬性等方面存在較好的相似性。例如地球不同演化程度的克拉通地幔的Q值分別與火星南北半球火星幔的Q值一致。在觀測資料不充裕的條件下，通過比較行星學研究，即能夠更深入地理解火星的地質歷史及其內部結構，也能為解釋地球早期歷史提供新的視角。
關注官方微信