The Innovation | 对跖点效应揭示火星古地壳的南北差异

导 读

我们站在地上，地球另一端有没有一个人跟我们 “脚对脚”站着？如果一个星球遭受了陨星撞击，这个星球的另一端会鼓起来吗？球面上位于球体直径两端的点互为“对跖点”，比如南极点为北极点的“对跖点”。小行星撞击会在行星“对跖点”附近引起地貌变化，这一现象被称为“对跖点效应”，在火星、水星和月球上均有发现。火星的Hellas撞击坑和Alba高原是太阳系最显著的对跖点，但是它与理论对跖点存在2°的偏差，数值模拟结果表明在发生撞击前，火星古地壳已经存在显著的南北差异。

图1 图文摘要

陨星撞击火星引发的地震波经过一段时间的传播后，将在撞击点的对跖点汇聚，进而在对跖点形成独特的地貌，如地面隆升甚至火山喷发（图2）。Hellas撞击坑和Alba高原是火星上的一对“对跖点”，然而，它们在纬度上存在约2°（约119 km）的偏差（图3），究竟是什么原因导致该偏差尚无定论。

图2 陨星撞击火星引起的地震波在对跖点汇聚触发火山喷发.（A）体波穿过壳幔核，面波绕火星表面在对跖点汇集.（B）体波引起对跖点附近局部隆起和轻微的开裂.（C）面波引起地面形成更大的裂缝.（D）对跖点附近的地下岩浆沿着裂缝喷发形成火山.

图3 火星Hellas盆地和Alba火山的对跖点效应.（A）以Hellas撞击坑为中心的地形图.（B）以Alba高原为中心的地形图.（C）同时显示Hellas撞击坑和Alba高原的地形图.（D）是图C的剖面示意图，其中高程和地壳厚度分别放大了100倍和3倍.

本研究通过地震波数值模拟来探寻该偏差的主控因素。研究首先建立了火星数值模型，然后采用谱元法模拟陨星撞击引起的地震波在火星全球尺度范围内的传播过程，最后测试了地形起伏、地壳厚度、南北地壳速度差异、撞击点位置和撞击入射角度等因素。结果表明：上述因素不能完全解释其2°偏差，对跖点效应的主要能量来源是面波汇聚（图4），在南部高地引入2%-5%的部分熔融才能使得面波在Alba高原附近汇集并产生局部放大效应，从而触发火山喷发。

图4 陨星撞击波场在对跖点附近的汇聚过程

总结与展望

研究结果表明，在Hellas盆地形成之前，火星地壳的二分性已经存在，南半球比北半球存在更多的部分熔融。本文通过对跖点特性研究了火星古地壳的结构差异，为火星的形成演化过程提供了新的参考依据。

责任编辑

神祥金   中国科学院东北地理与农业生态研究所

陈绍晴   中山大学

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原文链接：

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00076-5

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Report发表的“Dichotomy in crustal melting on early Mars inferred from antipodal effect” (投稿: 2022-03-30；接收: 2022-06-29；在线刊出: 2022-07-04)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100280

引用格式：Zhang L., Zhang J., Mitchell R. (2022). Dichotomy in crustal melting on early Mars inferred from antipodal effect. The Innovation. 3(5),100280.

作者简介

张 磊，中国科学院地质与地球物理研究所博士后，在河海大学和清华大学分别获得学士和博士学位，攻读博士期间在加州大学圣巴巴拉分校联合培养。主要从事地震波场数值模拟和火星浅地表热模拟等工作。

张金海，中国科学院地质与地球物理研究所研究员。主要从事地球和行星内部结构探测，研究领域包括信号处理算法、波动方程数值模拟、高精度雷达成像和地震目录统计分析等。旨在发现地下结构所记录的重要事件，探索行星物质运移和演化的历史。

http://sourcedb.igg.cas.cn/cn/zjrck/yjy/201001/t20100119_2728795.htm

Ross Mitchell，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，在耶鲁大学获得博士学位，曾在加州理工学院开展博士后研究。主要从事地球和行星科学研究，研究领域包括古地磁学、旋回地层学、超大陆学说、真极移理论以及类地行星演化。旨在发现超大陆旋回的动力学过程及驱动机制。通过比较行星学，理解不同行星幔对流（有无板块构造）之间的异同。这种对比对于评价地外天体的可宜居性至关重要。

http://sourcedb.igg.cas.cn/cn/zjrck/201912/t20191219_5460988.html

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