作者：星球研究所
火星，或许可以看作是，死去的「另一个地球」。
一个多月后，中国火星探测器「天问一号」就要正式着陆火星地表，开启一段全新的旅程。
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「天问一号」不但寄托着中国人的星际探索梦想，还要将人类持续了61年的火星探索，推向新的高度。
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这些探索，已经让火星的面貌变得愈发清晰。
火星与地球几乎同时诞生，形同姊妹，似乎有机会成为「另一个地球」；但如今，地球生机勃勃、活力四射，火星却寒冷干燥、满目荒凉，漫天沙尘将天空染成淡淡的红色，成了一个近乎死去的世界。
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火星上究竟发生了什么？为何与地球命途迥异？我们又为何要向它不断进发？
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现在，就让我们通过这篇文章，系统地了解火星的一生。
01 碰撞时代
大约46亿年前，年幼的太阳系里尘埃微粒正在聚集，无数石块、星子、行星胚胎横冲直撞，结合成更大的岩石星球——原始火星就这样诞生了。
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紧接着，至少44.8亿年前，另一个行星胚胎与原始火星相撞，火星的样貌从此大为改变。
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撞击引起了剧烈的岩浆活动，使得火星地势南高北低，南半球以高原地形为主，地壳较厚，北半球以平原地形为主，地壳较薄，人们称之为「地壳二分性」。
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此后，一系列大规模撞击事件仍然持续不休，又在南高北低的大背景上制造出一系列巨型撞击坑。
在北半球，若干个巨型撞击坑彼此相近，碰撞产生的熔岩首先在坑底冷却，然后又被泥砂石块逐渐填平，融合成规模惊人的北方大平原。
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其中，乌托邦平原是火星上得到确认的最大撞击坑，直径超过3300km。
由于面积过于巨大，登陆其上的人类探测器几乎观察不到任何「坑」的形态，只有一望无际的乱石荒原，故而得名「平原」。
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而在火星南半球，大小不一的撞击坑遍布地表，看起来伤痕累累。
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海拉斯平原是南半球最大的撞击坑，也是火星地表最深的撞击坑，东西长度超过2500km，南北长度超过1400km，最大深度超过7300m，几乎可以「放入」整个青藏高原。
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这些巨型撞击坑主要形成于大约42-37亿年前，堪称「碰撞时代」的高潮。
但从距今37亿年起，巨型撞击坑基本停止产生，中小型撞击事件则取代它们，继续为火星地表增添疤痕。
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纵观火星的碰撞时代和随后的历史，火星上产生的撞击坑数量和规模都十分惊人。
其中，直径超过1000km的撞击坑已有5个得到确认，直径超过1km的撞击坑更是超过了38万个，远超地球。
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在地球上，人们尚未发现直径超过1000km的撞击坑。即便是6500万年前加速恐龙灭绝的希克苏鲁伯撞击事件，也仅在墨西哥湾浅海区域留下了直径约180km的撞击坑。它是地球第二大的撞击坑，但放在火星上却毫不起眼。
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而地球上已知的最大撞击坑，是位于南非的弗里德堡撞击结构，形成于20.2亿年前，原始直径仅有约300km；如果放在火星上，只能位列第三梯队。
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但这并不意味着地球比火星经历了更少的撞击事件，而是因为地球有着更活跃的地质运动和更频繁的雨雪风霜。二者早已将大量撞击坑「磨平」。
以南非的弗里德堡撞击坑为例，原本300km直径的撞击坑，在经过了20多亿年的破坏后，仅留下直径约80km的中央丘陵区，我们已无法看出它原本的规模。
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我们能在地球上得见的撞击坑往往非常「新鲜」，而稍稍假以时日，它们同样会被快速「磨平」。
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正是这两种力量的强弱差异改变了地球和火星的面貌，在火星的大部分历史中，地质运动和雨雪风霜并不活跃，不仅使40多亿年前的巨型撞击坑得以幸存，更使为数众多的中小撞击坑一并保留。
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但这些或大或小的疤痕，仅仅是碰撞对火星外表的改变，更加深远的改变发生在火星内部，撞击产生的能量，使火星内部变得活跃异常，开启了塑造火星的第二个时代。
02 火山时代
至少40亿年前，熔岩开始从火星地下大规模喷出，宣告了火山时代的到来。
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在火星的赤道附近，不断喷发的火山令熔岩在地表反复流淌，竟然形成了一个占火星表面积约25%的巨型火山高原——塔尔西斯火山高原。
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四座海拔14000m以上的巨大火山，成为高原的「中流砥柱」，其中西北部的奥林匹斯山海拔达到21229m，是太阳系中最高大的单体火山。
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它们远高于地球上任何一座山峰，即使从太平洋海底算起，地球最大的超级火山夏威夷岛，其顶底落差也仅有9300米，依然相形见绌。
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从宏观的角度，这些火山的庞大体量冠绝整个太阳系，使人类感到陌生甚至恐惧，但从微观的角度，形形色色的火星火山地貌却又与地球的火山地貌颇为相似。
在火星的熔岩平原上，熔岩一边流动一边冷却，堆积出麻绳一样的外观。
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与地球活火山周围一边流动一边冷却的熔岩，有着类似的外观。
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当熔岩的表面逐渐冷却转入地下的管道流动，还会在火星上形成庞大的地下洞穴体系，极易坍塌成线性峡谷或连续坑洞。
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由此产生了蠕虫一般的坑道，或线性排列的椭圆坑洞，广泛分布在火山四周。
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而在地球上，冰岛、夏威夷等地也常见类似的火山熔岩管道。
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火星的火山时代大约持续到距今30亿年前，从那之后火山喷发变得更加断断续续，规模也大为减小。
如火星北半球的埃律西昂火山区，最近的喷发可能发生在距今5.3万年前，但最令人称奇的并非它的年轻，而是它周围类似河道的地貌。
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火山熔岩管道顺坡而下，向山脚的平原延伸开来，逐渐拥有了像河流一样曲折的形态，像河流一般蜿蜒消失，似乎在暗示，火星的火山时代里还隐藏着潺潺的流水。
03 流水时代
在火星诞生之初，水分子与尘埃共同汇聚，大量的水被「封禁」在星球内部的岩石里，在碰撞时代和火山时代，岩浆将水蒸汽不断宣泄到大气，当温度稍稍下降，蒸汽凝结成雨，雨水第一次降落这颗星球，宣告了流水时代的到来。
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迄今为止，人类已经在火星上发现了许多流水时代的实物证据。
2004年，机遇号火星车发现了「小蓝莓结构」，一种由含铁矿物构成的球状结核，散落在火星撞击坑的地表。
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它们是火星古代地下水的杰作，与美国犹他州沙漠里散落遍地的「摩奇石球」有着基本相同的成因。
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在气候湿润的时期，地下水流经地下岩层，一些溶解矿物聚集沉淀，将周围的岩石颗粒粘合成结核。经过一系列化学变化后，不稳定的钙质结核转变为较稳定的铁质结核，在岩石遭受风化破坏后散落一地。
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除了古代火星地下水的实物证据，2011年以来在盖尔撞击坑里探测的好奇号火星车，还找到了许多古代火星地表水流的实物证据。不仅有被流水打磨圆润的卵石，
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还有具备特殊纹理的砂岩地层，共同记录了古代奔涌的河流。
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在地球的砂岩地层里，记录岩石身世的纹理十分常见，如丹霞地貌的砂岩山体中，常可以找到古代河流留下的纹理。
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就这样，人们根据对地球地貌的认识，与火星的地表现象进行对比，推演出属于火星流水时代的溪流汇聚、江河奔涌、波涛拍岸。
大约40亿多年前的火星，雨水在高地汇聚，经过树枝一般的溪流网络汇聚成主河道。
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河流裹挟泥沙继续流淌，在火星高地上切割出壮观的峡谷长度动辄达到数千千米，深度亦常有数千米。
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当河流流出高地，来到地势低平的平原区后，它们开始在大地上蜿蜒，留下复杂多变的河曲，将泥沙堆积在河道内。
它们转变为岩石后，又从强烈的风化破坏过程里幸存，在地表凸显出来。
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九曲十八弯的外形，像极了地球上那些曲流河。
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河流继续流淌，在一些低洼的地区汇聚形成湖泊与海洋，泥沙则在岸边堆积成三角洲。
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更多的三角洲则分布在北方大平原周围，似乎在暗示：一个古老的火星海洋，曾占据了流水时代的北半球低地。
而那些大大小小的撞击坑，则成为湖泊的所在地。
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但不同于地球，火星的江河湖海没有持续到今天。大约25亿年前，火星的流水时代逐渐结束，液态水逐渐冻结、消失。
今天的火星上流水几乎不复存在，只有一些残留的水冰分布在部分撞击坑、两极冰盖和地下。
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究竟发生了什么？为什么火星经历了碰撞时代的动荡不安、经历了火山时代的烈火熔炉、经历了流水时代的奔流不息，却最终迎来了死亡？
04 死亡时代
我们或许可以从地球与火星的地形差异中获取一些线索。
在地球上，规模巨大的洋中脊和火山链年复一年地喷薄岩浆，将地球内部的物质不断带到地表，更新地球表面的大气、水和岩石。
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延绵数千千米的线性山脉在地质历史中起起落落，共同见证着地球板块运动的生生不息。
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但在现代火星上，人们几乎找不到类似的地貌。这里的火山分布零散，缺乏线性的火山链和洋中脊，就连线性的碰撞山脉也几乎不存在，无法证明存在活跃的板块运动。
只有位于水手谷南方，延绵2000km的陶马斯高地，呈现出一定的线性特征，不排除是古代火星板块碰撞的痕迹。
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或许在40多亿年前，火星有过短暂的局部板块运动，但它没有持续到现代，而原因可能仅仅是因为火星的身材太过娇小。
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在冰冷浩渺的宇宙中，娇小的火星既无法提供足够的放射性元素，在星球内部衰变产生热量，也难以留存碰撞时代遗留的热能，内部冷却程度远甚于地球，以至于无法支持活跃的板块运动。
这一差异改变了两颗星球后来的历史。由于缺少板块运动带来的剧烈地质运动，火星的地表远不如地球这般活跃，古老的撞击坑得以长期存在，穿越40多亿年的光阴留存至今。
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由于缺少板块的横向运动，源于地幔深处的岩浆在原地喷发堆积，最终形成巨大的火星火山，而不会像地球的夏威夷火山一样，分散成一连串的火山岛。
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距今约37亿年前，或许是因为火星地核温度太低，或许是因为某次撞击事件干扰了地核，火星的全球磁场逐渐消失，太阳风得以直达火星大气层，将大气分子「吹」进太空。
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当时间来到距今约30亿年前，火星的巨型火山活动渐渐减弱，内部物质难以来到地表，大气层和地表水逐渐失去补充，在随后的岁月里，60%以上的火星大气竟因此消失。
大气愈发稀薄，气压和温度双双下降，液态水冻结在两极附近的地表和地下，偶尔升华产生的水蒸汽也会很快被太阳风破坏带走，从火星消失。
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气温继续下降，就连二氧化碳也被冻结，形成厚重的「干冰」冰盖。
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狂风在地表呼啸，卷起江河湖海沉积的泥沙，用做摧残岩石的武器。
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沙漠开始在火星广泛出现，庞大的沙丘在地表蔓延。
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火星的死亡时代，从距今25亿年前延续至今，整个星球的表面陷入沉寂，只有偶尔飘过的几缕白云，
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和动辄席卷全球的沙尘暴，依旧保留些许的活力。
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火星已经几乎死去，所有曾经的动荡与迸发的力量，都已被埋藏在时光的深处。它用自己最残破的姿态迎来了人类的探索。
05 「另一个地球」
人类的火星探索打破了火星持续数十亿年的沉寂。随着人类越发了解火星，并将火星的一生与地球的一生进行对比时，才体会到地球的与众不同。
地球有着足够大的身躯，至今仍维持着活跃的地核运动，产生出强大的磁场，保护着大气层不受太阳风侵袭，以适当的压力和温度，呵护着地表的一切。
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还有活跃的地幔运动，在超过36亿年的时间里维持着生生不息的板块运动，不断重塑地球的表面。
它令高山起落不定，
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令火山喷涌不息，
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令江河奔流不止，
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令海洋汹涌不宁，
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令地球成为人类生机勃勃的家园，更成为整个太阳系中独一无二的蓝色宝石。
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是火星的死气沉沉，衬托了地球的活力四射，是火星的黯然死亡，衬托了地球的生生不息。
从某种意义来说，地球的姊妹星，火星，是人类认识地球的一个里程碑，也是死去的「另一个地球」。
而在经历了61年的探索后，火星仍然隐藏着许多奥秘，我们已经获取的火星知识也仍有许多还是科学猜想，等待着今天的我们去继续解读、继续验证、继续与地球进行对比。
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而在火星之外，太阳系还有着众多的岩石星体，它们也是地球的兄弟姐妹，也与地球有着截然不同的演化故事。
在未来的数十乃至上百年里，人类将会继续探索它们的故事，从中挖掘出更多地球的与众不同。
只有这样，我们才能更好地理解，脚下的蓝色地球为什么是人类无与伦比的家园。
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全文完，感谢阅读。
本文创作团队
- 主笔：
- 编辑：所长
- 图片：潘晨霞
- 地图：郑艺
- 设计：王申雯&汉青
- 审校：牧陆
本文主要参考文献
- [1] Moser, D.E., Arcuri, G.A., Reinhard, D.A. et al. Decline of giant impacts on Mars by 4.48 billion years ago and an early opportunity for habitability. Nat. Geosci. 12, 522–527 (2019).
- [2] Citron R I, Manga M, Tan E. A hybrid origin of the Martian crustal dichotomy: degree-1 convection antipodal to a giant impact[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 491: 58-66.
- [3] Nimmo F, Hart S D, Korycansky D G, et al. Implications of an impact origin for the martian hemispheric dichotomy[J]. Nature, 2008, 453(7199): 1220-1223.
- [4] Irwin III R P, Watters T R. Geology of the Martian crustal dichotomy boundary: Age, modifications, and implications for modeling efforts[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2010, 115(E11).
- [5] Leone G, Tackley P J, Gerya T V, et al. Three‐dimensional simulations of the southern polar giant impact hypothesis for the origin of the Martian dichotomy[J]. Geophysical research letters, 2014, 41(24): 8736-8743.
- [6] Marinova M M, Aharonson O, Asphaug E. Mega-impact formation of the Mars hemispheric dichotomy[J]. Nature, 2008, 453(7199): 1216-1219.
- [7] Bouvier L C, Costa M M, Connelly J N, et al. Evidence for extremely rapid magma ocean crystallization and crust formation on Mars[J]. Nature, 2018, 558(7711): 586-589.
- [8] Frey H V. Impact constraints on, and a chronology for, major events in early Mars history[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2006, 111(E8).
- [9] The Planetary and Space Science Centre, EARTH IMPACT DATABASE
- [10] Frey H V. Impact constraints on, and a chronology for, major events in early Mars history[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2006, 111(E8).
- [11] Robbins S J , Hynek B M . A new global database of Mars impact craters ≥1 km: 1. Database creation, properties, and parameters[J]. Journal of Geophysical Research Planets, 2012, 117(E5).
- [12] Therriault A M, Grieve R A F, Reimold W U. Original size of the Vredefort Structure: Implications for the geological evolution of the Witwatersrand Basin[J]. Meteoritics & Planetary Science, 1997, 32(1): 71-77.
- [13] Zimbelman J R, Garry W B, Bleacher J E, et al. Volcanism on Mars[M]//The Encyclopedia of Volcanoes. Academic Press, 2015: 717-728.
- [14] Xiao L, Huang J, Christensen P R, et al. Ancient volcanism and its implication for thermal evolution of Mars[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 323: 9-18.
- [15] Grott M, Baratoux D, Hauber E, et al. Long-term evolution of the Martian crust-mantle system[J]. Space Science Reviews, 2013, 174(1): 49-111.
- [16] Orr T R, Bleacher J E, Patrick M R, et al. A sinuous tumulus over an active lava tube at Kīlauea Volcano: Evolution, analogs, and hazard forecasts[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2015, 291: 35-48.
- [17] Horvath D G, Moitra P, Hamilton C W, et al. Evidence for geologically recent explosive volcanism in Elysium Planitia, Mars[J]. arXiv preprint arXiv:2011.05956, 2020.
- [18] Yoshida H, Hasegawa H, Katsuta N, et al. Fe-oxide concretions formed by interacting carbonate and acidic waters on Earth and Mars[J]. Science advances, 2018, 4(12): eaau0872.
- [19] Matsubara Y, Howard A D, Burr D M, et al. River meandering on Earth and Mars: A comparative study of Aeolis Dorsa meanders, Mars and possible terrestrial analogs of the Usuktuk River, AK, and the Quinn River, NV[J]. Geomorphology, 2015, 240: 102-120.
- [20] Di Achille G, Hynek B M. Ancient ocean on Mars supported by global distribution of deltas and valleys[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(7): 459-463.
- [21] Citron R I, Manga M, Hemingway D J. Timing of oceans on Mars from shoreline deformation[J]. Nature, 2018, 555(7698): 643-646.
- [22] Duran S, Coulthard T J. The Kasei Valles, Mars: a unified record of episodic channel flows and ancient ocean levels[J]. Scientific reports, 2020, 10(1): 1-7.
- [23] Nahm A L, Schultz R A. Evaluation of the orogenic belt hypothesis for the formation of the Thaumasia Highlands, Mars[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2010, 115(E4).
- [24] Stern R J, Gerya T, Tackley P J. Stagnant lid tectonics: Perspectives from silicate planets, dwarf planets, large moons, and large asteroids[J]. Geoscience Frontiers, 2018, 9(1): 103-119.
- [25] Palin R M, Santosh M, Cao W, et al. Secular metamorphic change and the onset of plate tectonics[J]. Earth-Science Reviews, 2020: 103172.
- [26] Mittelholz A, Johnson C L, Feinberg J M, et al. Timing of the martian dynamo: New constraints for a core field 4.5 and 3.7 Ga ago[J]. Science Advances, 2020, 6(18): eaba0513.
- [27] Day M, Kocurek G. Observations of an aeolian landscape: From surface to orbit in Gale Crater[J]. Icarus, 2016, 280: 37-71.
