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火星地質史

通過觀察、間接和直接測量以及各種推斷技術證實，火星地質史遵循了火星的物理演化。由17世紀尼古拉斯·斯坦諾開發的用於估算地球和月球地質史的疊覆律和地層學等技術，正被積極應用於從若干火星觀測和測量資源獲得的數據，這些資源包括着陸器、軌道平台、地面觀測和火星隕石等。

對許多太陽系天體表面的觀測揭示了有關它們演化的重要線索，例如，一道漫溢並填滿一座巨大撞擊坑的熔岩流，很可能就比該隕石坑年輕。另一方面，同一熔岩流表面的小隕坑可能比熔岩流和大隕石坑都更年輕，因為可以推測它們是後期未觀察到的地質事件產物。這一原理被稱為疊覆律，與地層學其他原理一起，由尼古拉斯·斯坦諾在17世紀首次提出，使得19世紀的地質學家能夠將地球歷史劃分為所熟悉的古生代、中生代和新生代。同樣的方法後來也適用於月球[1]，然後再應用於火星[2]。

顯示了斯坦諾疊覆律的高分辨率成像科學設備圖像。深色的熔岩流覆蓋了右側的淺色地形。中間隕石坑的噴射物覆蓋了兩個單元，表明該隕石坑比這兩個單元都年輕。

在撞擊坑保存完好的行星上使用的另一地層學原理為隕坑數密度，隕坑數量高於給定單位表面積(一般為百萬公里2)標準提供了該表面區的相對年齡。嚴重坑窪的表面更古老，隕坑稀疏的表面相對更年輕。古老的表面分布有許多大型隕石坑，而年輕的表面大多只有小隕坑或根本沒有，這些地層學概念構成了火星地質年代的基礎。

地層學中的相對年齡

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地層學通過指示性成分（固體、液體和滯留氣體）的差異來確定岩石和沉積物層的相對年齡， 通常會結合假定的沉積速率（在任何一組觀察到的沉積層中所生成的一系列潛在年齡估值範圍）。

絕對年齡

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根據普通紀年曆校準地質齡的主要技術是輻射定年，不同放射性物質的組合可改善基於任何一種單一同位素年齡估測的不確定性。

應用地層學原理通常只能確定岩石單元彼此間的相對年齡。例如，知道構成白堊紀系的中生代岩層位於侏羅紀系岩層之上（因此比它年輕），並不能說明白堊紀或侏羅紀年代距今有多遠。而其他方法，如輻射定年則是測定地質年代絕對年齡所必需。一般來說，這只用於測定地球上的岩石，根據對取回地球樣本所做的分析，月球上採集的岩石單元絕對年齡也被了解。

測定火星上岩層單元的絕對年齡則要困難得多，多年來，已進行過無數次嘗試，通過比較火星和月球上撞擊坑的估計形成率[3][4][5]，來確定一個絕對的火星年表（時間線）。如果精確掌握地質年代期間按隕坑大小每單位面積上火星撞擊坑的形成速率（產生率或通量），那麼撞擊坑密度也能提供一種測定絕對年齡的方法。但遺憾的是，隕石坑計數的實際困難[6]和通量估算的不準確性使這些方法得出的年齡具有極大的不確定性。 火星隕石提供了與迄今為止所計算年齡一致的數據樣本[7]，但隕石在火星上的位置（來源）並不清楚，這限制了它們作為年代地層學工具的價值。因此，對由隕石坑密度確定的絕對年齡應摒持謹慎態度[8]。

隕坑密度年表

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對火星表面撞擊隕石坑密度的研究[9]勾勒出了火星地質史上的四大地質時期[10]，這些時期都是以火星上具有大規模表面特徵的區域所命名，如可追溯到這些時期形成的大型隕石坑或分布廣泛的熔岩流。在此給出的絕對年齡僅為近似值。從最古老到最年輕的時間段為：

  • 前諾亞紀代表大約從45億年前行星盤吸積和分化到41到38億年間希臘撞擊盆地形成的這一段時期[11]。由於隨後的侵蝕和高撞擊率，該時段的大部分地質記錄都已被抹去。地殼分界線以及阿耳古瑞和伊希斯盆地被認為形成於這段時間。
  • 諾亞紀（以諾亞高地命名）：形成於41億至37億年前的火星現存最古老的表面，許多大型撞擊坑在諾亞紀時代表面留下了疤痕。塔爾西斯隆起被認為形成於諾亞紀時期，伴隨有液態水河谷網道產生出的大範圍侵蝕，可能存在大型湖泊或海洋。
  • 赫斯珀里亞紀 (以赫斯珀利亞高原命名)：大約37到30億年前，以廣袤的熔岩平原地貌為標誌。奧林帕斯火山的形成可能開始於這一時期[12]；災難性的洪水泛濫在克律塞平原和其他地方造成了巨大的溢出河道，短暫的湖泊或海洋可能遍布於整個北部低地。
  • 亞馬遜紀（以亞馬遜平原命名）：30億年前至今，亞馬遜地區幾乎沒有隕石撞擊坑，但在其他方面差異很大。在此期間，熔岩流、冰川/冰緣活動以及少量液態水的釋放仍在繼續[13]。
諾亞紀諾亞紀赫斯珀里亞紀亞馬遜紀
火星地質時期(百萬年前)

赫斯珀里亞紀/亞馬遜紀的分界日期尤其不確定，可能在30到15億年前之間[14]，基本上，赫斯珀里亞紀被認為是後期重轟炸期結束到今天所看到的寒冷乾燥火星之間的過渡期。

礦物蝕變年表

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2006年，研究人員利用火星快車軌道飛行器上的「歐米茄」(OMEGA)可見光和紅外礦物學測繪光譜儀數據，按火星上因過去不同化學風化類型而發生的主要礦物變化種類，提出了另一種火星年表。他們建議將火星的歷史分為三個時代：菲洛奇安時代（硅期）、泰伊基安時代（硫期）和塞德里坎時代（鐵期） [15][16]。

  • 菲洛奇安時代（以該時代特徵的「頁硅酸鹽」或「粘土礦物」命名）從行星形成一直持續到約40億年前的諾亞紀早期。歐米茄光譜儀在火星上的許多位置發現了頁硅酸鹽露頭，所有岩石都是諾亞紀或前諾亞紀岩石（最突出的是尼利槽溝和馬沃斯谷裸露的岩石），頁硅酸鹽需要富水的鹼性環境才能形成。頁硅酸鹽時代與火星上形成河谷網道的年代相關，表明早期氣候有利於大規模地表水的存在。人們認為，這一時代的沉積物是尋找過去火星生命證據的最佳候選者。
  • 泰伊基安時代，因其形成的硫酸鹽礦物，而以希臘語的「硫礦物」命名，持續到大約35億年前。這是一個大範圍火山活動的時代，它釋放了大量的二氧化硫（SO2）與水結合，形成了富含硫酸的環境，產生出水合硫酸鹽（尤其是硅藻土和石膏）礦物。
  • 塞德里坎時代（以希臘語中的「鐵」命名，表示形成的氧化鐵）從35億年前持續到現在。隨着火山活動和可用水的減少，最明顯的表面風化過程是富鐵岩石被大氣過氧化物緩慢氧化，產生出紅色氧化鐵，使火星呈現出所熟悉的顏色。

參引文獻

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  1. ^ See Mutch, T.A. (1970). Geology of the Moon: A Stratigraphic View; Princeton University Press: Princeton, NJ, 324 pp. and Wilhelms, D.E. (1987). The Geologic History of the Moon, USGS Professional Paper 1348; http://ser.sese.asu.edu/GHM/ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） for reviews of this topic.
  2. ^ Scott, D. H.; Carr, M.H. (1978) Geologic Map of Mars, Misc. Invest. Set. Map 1-1083; USGS: Reston, Va.
  3. ^ Neukum, G.; Wise, D.U. Mars: A Standard Crater Curve and Possible New Time Scale. Science. 1976, 194 (4272): 1381–1387. Bibcode:1976Sci...194.1381N. PMID 17819264. doi:10.1126/science.194.4272.1381. 
  4. ^ Neukum, G.; Hiller, K. Martian ages. J. Geophys. Res. 1981, 86 (B4): 3097–3121. Bibcode:1981JGR....86.3097N. doi:10.1029/JB086iB04p03097. 
  5. ^ Hartmann, W. K.; Neukum, G. Cratering Chronology and Evolution of Mars. Kallenbach, R.; et al (編). Chronology and Evolution of Mars. Space Science Reviews 12. 2001: 105–164. ISBN 0792370511. 
  6. ^ Hartmann, W.K. Martian cratering 9: Toward Resolution of the Controversy about Small Craters. Icarus. 2007, 189 (1): 274–278. Bibcode:2007Icar..189..274H. doi:10.1016/j.icarus.2007.02.011. 
  7. ^ Hartmann 2003，第35頁
  8. ^ Carr 2006，第40頁
  9. ^ Tanaka, K.L. (1986). The Stratigraphy of Mars. J. Geophys. Res., Seventeenth Lunar and Planetary Science Conference Part 1, 91(B13), E139–E158.
  10. ^ Caplinger, Mike. Determining the age of surfaces on Mars. [2007-03-02]. （原始內容存檔於February 19, 2007）. 
  11. ^ Carr, M.H.; Head, J.W. Geologic History of Mars (PDF). Earth Planet. Sci. Lett. 2010, 294 (3–4): 185–203 [2021-09-13]. Bibcode:2010E&PSL.294..185C. doi:10.1016/j.epsl.2009.06.042. （原始內容存檔 (PDF)於2021-04-18）. 
  12. ^ Fuller, Elizabeth R.; Head, James W. Amazonis Planitia: The role of geologically recent volcanism and sedimentation in the formation of the smoothest plains on Mars (PDF). Journal of Geophysical Research. 2002, 107 (E10): 5081 [2021-09-13]. Bibcode:2002JGRE..107.5081F. doi:10.1029/2002JE001842  . （原始內容存檔 (PDF)於2021-04-13）. 
  13. ^ Salese, F., G. Di Achille, A. Neesemann, G. G. Ori, and E. Hauber (2016), Hydrological and sedimentary analyses of well-preserved paleofluvial-paleolacustrine systems at Moa Valles, Mars, J. Geophys. Res. Planets, 121, 194–232, doi:10.1002/2015JE004891
  14. ^ Hartmann 2003，第34頁
  15. ^ Williams, Chris. Probe reveals three ages of Mars. [2007-03-02]. （原始內容存檔於2019-11-30）. 
  16. ^ Bibring, Jean-Pierre; Langevin, Y; Mustard, JF; Poulet, F; Arvidson, R; Gendrin, A; Gondet, B; Mangold, N; et al. Global Mineralogical and Aqueous Mars History Derived from OMEGA/Mars Express Data. Science. 2006, 312 (5772): 400–404. Bibcode:2006Sci...312..400B. PMID 16627738. doi:10.1126/science.1122659  . 

外部連結

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