火星南北半球的二分結(jié)構(gòu)（dichotomy）如何形成這一科學(xué)問題自過去的50年迄今一直是火星科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一?；鹦悄媳卑肭蚨纸Y(jié)構(gòu)概念始于20世紀(jì)70年代初期Mariner 9和Viking等火星探測任務(wù)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(xù)探測進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了火星殼厚度、撞擊坑密度和磁場強(qiáng)度等均存在南北半球的顯著差異。然而，這種二分結(jié)構(gòu)成因至今仍存在高度分歧。

    目前，關(guān)于火星南北半球二分結(jié)構(gòu)成因主要可以分為兩類：外源假說和內(nèi)源假說，及二者的混合假說。外源假說主要認(rèn)為是：由一個(gè)或若干個(gè)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(nèi)源假說主要是認(rèn)為火星內(nèi)部過程所致的，例如火星幔的一階對(duì)流等。這一科學(xué)問題長期存在爭議的一個(gè)重要原因是缺少觀測證據(jù)特別是火星南北半球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制約。

    中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孫偉家研究員聯(lián)合澳大利亞國立大學(xué)Hrvoje Tkal?i?教授（其為中國科學(xué)院2023年度PIFI項(xiàng)目杰出科學(xué)家）使用國際“洞察號(hào)”火星震科學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)上述科學(xué)問題開展了科研攻關(guān)。他們使用了若干技術(shù)壓制火星震數(shù)據(jù)噪聲，發(fā)展了最優(yōu)化火星震定位方法，首次定位了一簇六個(gè)位于火星南半球Terra Cimmeria區(qū)域的火星震（圖1）。進(jìn)一步，基于這一簇南半球火星震和位于北半球Cerberus Fossae區(qū)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(jié)構(gòu)差異（圖2）。

    圖1 火星南北二分結(jié)構(gòu)的地形圖和火星震（五角星）位置圖。“洞察”號(hào)（InSight）位于北部低地，靠近Elysium Mons火山。前期“洞察”號(hào)團(tuán)隊(duì)定位的火星震主要位于北半球Cerberus Fossae區(qū)域，本研究首次定位的一簇火星震位于南半球Terra Cimmeria區(qū)域。南部高地：Southern Highlands，北部低地：NorthernLowlands，二分結(jié)構(gòu)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(nèi)部衰減強(qiáng)，溫度高，北部低地下方Q值高，火星幔內(nèi)部衰減弱，溫度低。這為火星內(nèi)部過程（如火星幔一階對(duì)流）形成火星二分結(jié)構(gòu)提供了直接的地震學(xué)觀測證據(jù)。圖中圓形虛線和數(shù)字為以“洞察”號(hào)為中心的等距線和距離數(shù)值

    綜合該研究的觀測結(jié)果和已有的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬、火星存在古磁場發(fā)電機(jī)、生熱元素含量等，認(rèn)為該差異主要是火星不僅存在橫向的溫度對(duì)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(duì)流強(qiáng)度。另外，火星幔不存在地球地幔物質(zhì)成分的顯著差異（例如地幔過渡帶），使得溫度差異成為驅(qū)動(dòng)火星全球尺度的火星幔對(duì)流的控制因素，這有力支持了火星幔對(duì)流等內(nèi)部過程形成南北二分結(jié)構(gòu)的假說。

    他們進(jìn)一步結(jié)合地球化學(xué)和地磁場研究成果等討論了大型隕石撞擊假說?；鹦切纬珊螅鹦菐r漿洋快速冷卻并形成火星殼的時(shí)間不晚于45.47億年，火星隕石變質(zhì)學(xué)研究表明44.8億年以來火星未發(fā)生過大型的隕石撞擊事件，镥-鉿同位素研究結(jié)果表明火星核發(fā)電機(jī)運(yùn)行至41億年。如果隕石撞擊假說成立，大型撞擊會(huì)導(dǎo)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(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，則在北半球可形成較強(qiáng)的剩余磁場，但這一場景與實(shí)際磁場數(shù)據(jù)觀測不符合。

    他們同時(shí)強(qiáng)調(diào)，盡管這項(xiàng)研究工作基于地震觀測邁出了探測火星南北二分結(jié)構(gòu)成因的重要一步，但這些認(rèn)識(shí)仍然需要未來火星探測任務(wù)在更大區(qū)域開展驗(yàn)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(xué)研究，因?yàn)槎咴谛纬赡挲g、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(xué)研究，即能夠更深入地理解火星的地質(zhì)歷史及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也能為解釋地球早期歷史提供新的視角。

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