火星南部古湖泊的地质特征及其对古气候环境的指示意义

发布时间：2020-06-22 01:55

【摘要】：水在火星的地质演化过程中扮演着极为重要的角色,是塑造火星地表的重要地质作用。火星表面存在着多种与水的活动相关的地貌,如峡谷网、外流渠道、冲沟、湖泊等。其中,火星古湖泊是火星地貌研究的热点之一,它是火星地质环境历史的见证者。古湖泊的地貌特征能够揭示湖泊存在时地表水的活动情况;古湖泊的矿物成分能够反映古气候环境特点;古湖泊的年龄与分布指示了火星地表水的存在时间与分布范围。同时,火星古湖泊是最有可能保存生命痕迹的区域,也是探索火星宜居环境的最佳区域之一。因此,古湖泊一直是火星着陆、巡视探测的热门区域,对火星古湖泊的研究对于了解火星的古气候、古环境,寻找火星生命都具有重要的意义。前人已经对火星古湖泊开展了调查研究并识别出了400多个古湖泊。但是受到数据分辨率的限制,前人对火星古湖泊的识别并不全面,因而由此得到的古湖泊分布规律以及对气候环境的指示意义可能并不完全可靠。此外,对于古湖泊沉积地貌以及后期改造地貌的类型、分布、成因及指示意义的研究也不充分,对这些地貌的形成年代依然缺乏有效的约束。因此,针对上述存在的问题,本论文从以下几个方面开展了研究:1.古湖泊的识别与地貌特征:综合利用高分辨率影像数据,在火星南部高原开展古湖泊的详细识别和调查,更新火星古湖泊数据库。在此基础上,分析古湖泊的地貌特征,识别湖泊中的三角洲、层状沉积等沉积地貌以及曲线脊状地貌等特殊地貌,探讨地貌的地质特征及成因。同时,利用高分辨率地形数据,对古湖泊进行形貌学测量,获得湖泊直径、湖泊面积等基本形貌学参数。2.古湖泊的矿物类型:利用多源光谱数据,对重点区域的古湖泊的矿物成分进行反演,重点关注氯化物、硫酸盐、碳酸盐以及层状硅酸盐等水成矿物,综合分析矿物集合体的特征以及各矿物在湖泊中的分布规律。3.古湖泊的后期改造特征:对各古湖泊经历的后期改造类型进行分析,对撞击作用、冰川作用、火山作用、风力作用等不同地质过程在古湖泊中形成的后期改造地貌进行识别,对上述地貌的特征和分布规律进行分析。4.古湖泊的年代学特征:古湖泊的年代学研究涉及古湖泊活动的年代和古湖泊经历后期改造的年代两方面,需要识别古湖泊沉积物和沉积地貌,在原始沉积物上利用撞击坑统计定年法获得古湖泊的活动年龄。同时,对古湖泊内的后期改造单元进行定年,获得古湖泊经历后期改造的年代5.古湖泊的分布特征及对古气候环境的指示意义:绘制火星南部高原古湖泊的分布图,分析古湖泊的年龄分布特征,以及具有不同沉积地貌的古湖泊的分布特点,探讨上述分布特点对火星古气候与古环境的指示意义。同时,通过对重点区域古湖泊的地貌特征、矿物组合类型等进行分析,揭示局部区域的古气候环境特点。通过上述研究,本文获得了以下主要结论:1.火星南部高原古湖泊的识别和地质特征研究本研究一共在火星南部高原识别出了922个古湖泊,其中有546个为首次发现。在此基础上,对古湖泊中的原始沉积物质和后期改造作用进行了研究,探讨了他们的分布规律和原因,并通过对三角洲定年,得到了古湖泊的活动年龄,发现火星古湖泊主要在诺亚纪活动,从诺亚纪-西方纪边界(3.7 Ga左右)至早-晚西方世的边界(3.4 Ga左右),古湖泊逐渐消失,指示了火星进入西方纪后气候条件发生了巨大的改变。同时,定年结果和形貌分析还揭示了在亚马逊纪火星表面依然有局部性的、短时性的地表水活动并形成了古湖泊。这些古湖泊可能是在干冷的亚马逊纪,由撞击或火山作用引发的冰层融水形成。2.萨希斯高原曲线脊状地貌的地质特征与成因在火星古湖泊的识别与分析中,发现多个古湖泊内存在曲线脊状地貌,它们一般被认为与水或冰川有关,是河谷被侵蚀形成的地形倒转地貌或冰下水流形成的蛇形丘。但是,本文通过对火星萨希斯地区曲线脊状地貌的研究发现,在火山作用中也可形成曲线脊状脊貌。本研究首次在萨希斯地区识别出了38个曲线脊状地貌,提出他们具有熔岩管成因。这些熔岩管在萨希斯大火山岩省的形成中起到了重要的作用,对熔岩在水平方向上的长距离运输至关重要。3.海拉斯盆地西北部古湖泊的地质特征与指示意义海拉斯盆地是火星南部高原最大、最为古老的盆地之一。盆地周围的古湖泊记录了火星复杂的地质与气候演化历史。本文选取海拉斯盆地西北部作为研究区域,对区域内古湖泊的分布、地貌特征、矿物成分、后期改造以及年龄进行了详细的研究。结果表明,海拉斯西北部地区存在大量的富镁铁层状硅酸盐,指示了曾经存在温暖湿润的气候,同时也发现了两处碳酸盐和一处氯盐,其中碳酸盐可能是在诺亚纪早期形成并被埋藏保存,氯盐则可能为古湖泊蒸发形成。但总体而言,该区域蒸发盐类矿物较少,可能是由较快的气候转变过程和/或较短的湖泊活动时间导致。此外,对古湖泊分布和地貌特点的研究表明,海拉斯北部0 m等高线以下的区域可能曾经位于水下,支持了“海拉斯洋”的存在并认为其海平面可达到0 m左右的高程。对海拉斯地区古湖泊的定年结果显示,该区域经历了复杂的地质演化过程。首先,该区域的气候在诺亚纪-西方纪交界处发生了巨大的改变,导致大量古湖泊在3.65 Ga左右干涸。随后,在早西方世,该区域经历了火山的后期改造作用,一部分古湖泊盆地底部被熔岩覆盖。在距今1 Ga左右,亚马逊纪的冰川活动改造了区域内25°S以南的古湖泊盆地,形成大量与冰川活动有关的地貌,指示了当时寒冷干燥的气候。综上所述,本文对火星南部高原古湖泊的地质特征进行了更深入的研究和分析,丰富了当前对火星古湖泊时空分布的认识,对于了解火星的地质演化及气候环境变化具有重要的意义。随着我国火星探测计划的实施,对古湖泊的研究将为我国火星探测科学目标的确定和着陆点的选择提供重要的支撑。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P343.3;P532
【图文】：

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火星最明显的地貌特点为其南北二分性，即可以用一个大致与火星赤道呈 30°倾角的大圆，将火星表面分为南、北两个半球，它们在平均高程、地壳厚度、撞击坑密度、表面年龄等多个方面具有明显的差异（图1.1（）Carr, 2006;肖龙，2013）：北部为平原，地势较低，撞击坑较少，年龄较为年轻，平均地壳厚度约 30 km；南部为高原，平均高程高出北半球 5.5 km，遍布大小不等的撞击坑，年龄较为古老，平均地壳厚度约 60 km。火星的二分性特征可能是由约 45 亿年前的一次大型撞击事件导致（Bottke andAndrews-Hanna, 2017）。1.1 火星地质历史概述火星的地质年代按由老至新的顺序可分为诺亚纪（Noachian）、西方纪（Hesperian）和亚马逊纪（Amazonian）。它们分别以各地质时代的代表性区域命名：诺亚纪得名于火星南半球古老的诺亚高地（Noachis Terra），西方纪与亚马逊纪分别以南半球的赫斯佩利亚高原（Hesperia Planum）和北半球年轻的亚马逊平原（Amazonian Planitia）命名。各地质时代在地貌特征、气候环境等方面都具有不同的特点（图 1.2）。诺亚纪为距今 41 亿年至 37 亿年，其以海拉斯（Hellas）盆地的形成为底界，

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图 1.2 火星各地质时代的主要地质过程（改编自 Ehlmann et al., 2011）亚马逊纪为 30 亿年前至今，约占据火星地质历史的三分之二，其包括早、中、晚亚马逊世（Carr and Head, 2010）。但是，在这段漫长的时期中，火星表面地貌的变化相对于诺亚纪和西方纪而言较小，侵蚀和风化速率极低。相比构造、撞击等

【参考文献】