水手峽谷

相較之下，位於美國亞利桑那州的大峽谷約有800公里長，30公里寬，1.8公里深。儘管有個主要的假說認為，遠在數十億年前行星冷卻時，一道裂縫後來演變成現今的峽谷，水手峽谷真實的成因還無法確定。我們已於此峽谷辨識出數種地質演化過程。

在火星的腹地有一道粗糙的地質“疤痕”，其長度與紐約到洛杉磯的距離相當。火星地殼上這條巨大的斷裂帶叫做水手谷，它是在1972年由水手九號宇宙飛行器發現的。由數條平行相接的溝槽組成的水手谷，無論從哪方面相比都使地球上的大峽谷相形見絀。它比大峽谷更寬，更長，更深，年代也更古老，是當之無愧的峽谷之王。這張水手谷的鑲嵌圖像經過著色來顯示火星地表。它是由熱輻射成像系統（THEMIS），裝配在NASA火星“奧德賽”軌道飛行器上的一部可見光和紅外感應相機。火星“奧德賽”飛行器由洛克西德。馬丁公司製造，噴射推進實驗室負責它的飛行控制。這幅由500多張日間紅外照片組成的鑲嵌圖顯示出的山谷細節比以往任何合成照片都要多。這條山谷極為寬廣，它的西部縱深直穿納克提斯迷宮（Noctis Labyrinthus），總長約3000公里（2000英里）。儘管如此，像足球場大小（100米, 328英尺）的微小細節仍可在圖像中辨認出來。

地質學家認為，水手谷大約在35億年前沿地質斷層開始形成。斷層是由地質構造變化以及位於西部的塔希斯（Tharsis）巨型火山的不斷增長所造成的。當融化的岩石（岩漿）從地殼湧入塔希斯山後，整個地區開始抬升，這時周邊的地殼岩石不斷被拉伸，直至斷裂形成斷層和裂紋。當裂縫展開后，地面就會下沉，就像拱門移動時拱心石就會墜落一樣。同時，斷層也為地下水的流動打開了通道，它破壞了地表，並且擴大了斷裂區域。在水手谷的無數地方，險峻而且較新暴露的崖壁變得很不牢固，由此造成的山崩使峽谷變得越來越寬。水手谷究竟何時開始停止增長還不清楚——因為直到現在有些地方仍有小型的山崩出現。但是它的主要活動大致在20億年前就告一段落。水手谷的幾個地方展示出它在形成以及發展過程中的不同階段。這些實例有助於科學家更好地了解它的來龍去脈。

水手谷最初是在緩慢而無法抵禦的拉力下裂開的。當地質構造運動拖拽火星地殼形成塔希斯山脈時，它的斷裂在地表形成了橫跨幾百英里裂痕。今天所看到的裂痕只是水手谷形成過程中普遍現象中的點點殘餘。這些斷層的彎曲形狀表明，這一地區移動起來並不象廚房檯面的大理石那樣堅硬。反倒更象一大塊從蛋糕紙上滑下的巧克力蛋糕，柔軟而彎曲。另一處斷裂位於塔希斯火山的北面。在那裡，黃泉溝被數十條彎曲的斷裂帶所切割。

當地表裂開，水與融化的地下冰雪順勢下流，造成地面塌陷，部分地區被沖刷。水手谷的不同地段為這一過程提供了不同階段的快照。例如，此處斷層已經形成了塌陷坑，有些坑又互相串連，形成了大面積的凹陷。這一過程不斷地侵蝕地面，直到兩個相鄰斷層間的土地全部毀掉為止。

在山谷的東端，科學家觀察到洪水泛濫的確鑿跡象。此處的地面曾經完全浸泡在水中，當洪水退去，地表幾乎完全塌陷下去，只剩下孤零零的方山和丘陵。因此，科學家們將這樣的地帶稱為“混亂地形”也就不足為奇了。洪水最終通過數條沖刷河道湧入了北部低地。從水手谷的東端起，洪水流經一系列河道，最終到達克里斯（Chryse）盆地。在水手谷的西北方，類似的洪水從一個名為Echus Chasma的凹陷處湧出，形成了凱希谷（Kasei Valles）的沖刷河道。究竟是一次勢不可擋的巨大洪水湧入了河道，還是較小規模的洪水多次沖刷的結果？這依然是個未解之謎。證據顯示，洪水發生在幾個階段，而且至少曾有過一次巨大的泛濫。儘管發生在數百萬年前，但是這段洪水泛濫現象卻集中發生在火星歷史上一個稱為“西方紀”（Hesperian）的時期。這個時期是處在形成巨大隕石坑和火山活動最劇烈的“諾亞紀”（Noachian）之後，與“亞馬遜河代”（Amazonian）之前的一個過渡時期。這三個時期的命名取自三個特定的區域：諾亞台地（Noachis Terra ）、西方之國平原（Hesperia Planum）以及亞馬遜河平地（Amazonis Planitia）。雖然只能大概推斷出“西方紀”的時間跨度，但是科學家認為這一時期開始於約35億年前，結束於約20億年前。在這段時期，除了大規模的洪水泛濫和Tharsis的增長，火星經歷了數次緩慢的撞擊並形成一些隕石坑與盆地，火星的氣候也逐漸變得越來越寒冷，越來越乾燥。

並不是山谷內所有的侵蝕都會引發災難性的洪水。在Louros谷等地，大量的支流峽谷侵入山谷的的南部邊緣，峽谷不斷加寬，並伴有輕度侵蝕。這些峽谷和山谷的主要部分很可能是在同樣的原理下形成的，即地下水的流失，但是這些峽谷的水量更少，規模更小，結果也更集中。就像地質學家推想的那樣，水以泉眼或滲漏的形式從峽谷峭壁中流下，並將沉積物沖走。這種逐漸侵蝕的過程帶來的結果就是從峽谷邊緣向後緩慢傾斜的圓頂山谷。岩石的斷層和裂縫引導了侵蝕的方向，於是日益增長的山谷就形成了特有的樹枝狀。

在這裡所看到的支流峽谷與位於亞利桑那州北部著名的大峽谷堪有一比。大峽谷蜿蜒約800公里 (500英里) ，而這些支流峽谷長度只有140公里 (72英里) 。但是這個峽谷與水手谷的相接處深達3800餘米 (12500英尺) ，其深度超過地球上的大峽谷的兩倍。在隕石坑底的中心也可以觀察到地下水的作用。在隕石坑口，圍繞著薄薄一層約7公里 (4.5英里) 寬，有著凸起外緣的岩屑層。科學家們稱之為壁壘隕石坑。科學家們說，這個裙形的岩屑層表明在撞擊發生時，地表中存有大量的水或冰。衝擊產生的熱能釋放出地表中的水，並濕潤了飛揚的碎屑，從而形成了一道約70米高 (240英尺) ，有壁壘環繞的半固體擴散圈。

在水不斷地侵蝕下，懸崖與谷壁通常很不牢固，水手谷的多處地方都是因為山體滑坡而加寬的。這處特殊的滑坡坍塌了數千英尺，最大塌方長度達100公里（60英里）。更進一步的觀察顯示，此處曾經發生了數次山體滑坡，新的塌方不斷將上一次的塌方掩埋。正如地球上的山體滑坡一樣，火星上的滑坡可以波及很長的距離，尤其當岩石碎塊中含有水或者氣體，使摩擦力大大減少的時候。科學家們甚至認為，火星上稀薄的空氣很可能也是造成這種巨大滑坡中原因之一。同樣的，如果長度縮短，滑坡遍及了水手谷的大部分地區，並有助於峽谷的加寬。

然而，水手谷的歷史上不單單隻受到侵蝕。在左圖中顯示的米拉斯峽谷（Melas Chasma），以及堪德峽谷（Candor Chasma）和俄斐峽谷（Ophir Chasma）等地，谷底堆積了高高的沉積物。地質學家稱之為內部層疊沉積物。這些物質的起源和特性，可能是水手谷內最大的奧秘。在赫柏斯峽谷（ChasmaHebes)）等地，沉積物層層堆疊，幾乎可以觸及到山谷的邊緣。它們呈現出侵蝕的岩脊和階地，孤立的小山、平頂的台地等等不同形態。在某些地方，沉積物被山體滑坡的岩石碎塊所覆蓋。那麼這些沉積層從何而來？這依然是個未知數。另一個費解之謎是火星歷史上曾經有過怎樣濕潤的環境？在水手谷內部，恆河峽谷（Ganges Chasma）的谷底，含有富含橄欖石的玄武岩但是在峽谷系統的其他部分，例如堪德峽谷（Candor Chasma），水的酸性也比“機遇號”火星車在梅里迪亞尼平原所發現的要低。因其極為突出的特點，水手谷顯然在火星歷史上佔據了重要的篇幅。雖然科學家已經可以列出火星歷史的概要，但是其中的細節還難以考究。

不管水手谷的故事會如何發展，解決這些或者那些未解之謎的過程都將使科學家更好地研究地球隔壁這片紅色世界的歷史。

科普來特斯峽谷

這個峽谷系統再往東是科普來特斯峽谷（CopratesChasma），非常類似伊烏斯和提托諾恩峽谷，除了地理位置以外。科普來特斯峽谷也包含沖積物和風積物沉積物質。科普來特斯峽谷就像伊烏斯峽谷一樣有多層沉積物，雖然在柯普來特斯峽谷的沉積物分層更加明顯。這些沉積物的年代早於水手號峽谷系統形成以前，因此認為侵蝕和沉積作用是晚於水手號峽谷系統形成。來自火星全球探勘者號的較新資料顯示這些地層的由來可能是火山造成連續山崩的崩積物一層層覆蓋或者是液態水或冰的湖底，如果是湖底的話則水手號峽谷周圍的峽谷可能曾經是因為侵蝕崩潰而形成的孤立湖泊。地層沉積物的其他來源可能是風吹造成，但地層狀況顯示風並非主要來源。同時也發現到只有上層是薄層，同時下層相當厚，這代表較低層是由大量岩石崩裂形成，較高層則是其他來源。有部分的地層可能因為山崩被轉移到山谷底部，其中有一半是保持完好，但看起來像高度變形的地層，其底部會變厚或變薄，並且有多個褶皺。這個複雜的地形可能只是來自一個古老湖底被侵蝕的沉積物，並且看起來很複雜；這是因為我們是以觀看地質圖的方式鳥瞰，尚無足夠的高程資料證實底部是否平坦。

厄俄斯和恆河峽谷

東方是厄俄斯峽谷（EosChasma）和恆河峽谷（GangesChasma）。厄俄斯峽谷西部的谷底主要是由因為火山或風積作用形成的沉積物受到火星風侵蝕后的被侵蝕的大量物質；其東部則是大面積的線狀物和縱向條紋。一般認為是高原沉積物被流體侵蝕后搬運到當地沉積造成。恆河峽谷則是厄俄斯峽谷的一個東西走向分支峽谷。恆河峽谷的谷底主要是由來自峽谷懸崖的水流沉積物組成。

克里斯平原

在厄俄斯和恆河峽谷東端是水手號峽谷的終點，流入火星北方大平原附屬的克里斯平原，克里斯平原的高度只比水手號峽谷中的最低點（位於米拉斯峽谷）高約1公里。這個外流到北方大平原的區域地形相當類似於火星探路者的登陸地點。在地球上與火星上外流浚道（Outflowchannels，暫譯）類似的地形是美國華盛頓州東部的ChanneledScablands。華盛頓州東部的史卡布土地（Scablands，暫譯）是晚更新世時冰壩形成米蘇拉湖（GlacialLakeMissoula）和冰壩潰壩后產生的洪水多次循環造成的。冰壩可能會擋住河水一段時間，但當潰壩時冰可能會浮在大量的洪水中，而且大片區域的表層土壤和植被也會被帶走，留下以淚滴狀島嶼、縱向槽溝和河階地為主的貧瘠地區。在火星上可在外流浚道看到類似地形，但規模更大。這些向外水流連續地經由數個混沌地形：歐若拉混沌（AuroraeChaos）和海德拉奧特斯混沌（HydraotesChaos），最後經由西穆德谷和提爾谷進入克里斯平原。

沉積層從何而來？

這種平鋪、無扭曲的層疊說明沉積物是在一個平靜的地質環境下堆積起來的。例如，從天而降的火山灰，或是沉積在湖泊或者大片靜止水域的沉積物。但是如果沉澱物質的來源是湖床沉積物，那麼它們又是如何進入了山谷？這依然是個未知數。

火星歷史上曾經有過怎樣濕潤的環境？

在水手谷內部，恆河峽谷（GangesChasma）的谷底，含有富含橄欖石的玄武岩。橄欖石是一種呈綠色的礦物，當其置於水中時，很快會被水侵蝕為其他形態。恆河峽谷內的橄欖石表明，在峽谷歷史上只存在過相對少量的水。

但是在峽谷系統的其他部分，例如堪德峽谷（candorChasma），科學家們發現了粘土礦物。這表明岩石和岩屑曾經被水嚴重侵蝕。此外，這裡水的酸性也比“機遇號”火星車在梅里迪亞尼平原所發現的要低。