【摘要】：火星在人類太陽系探測活動中具有獨特的地位,可以通過對其進行較為快速和系統(tǒng)的探測來回答許多重要的行星科學問題�；鹦翘綔y的主要科學目標是認識行星的地質演化,了解構造和氣候的相互作用,以及揭示適合生命生存的環(huán)境。國際上已經進行了41次火星探測任務：從1965年開始的飛越探測,到隨后四十多年的環(huán)繞探測,著陸器探測以及表面巡游車探測。這些系統(tǒng)的探測任務為我們揭示了這顆紅色星球的許多重要特征,包括全球的地形,地質構造和火山作用,表面礦物和元素成分,近地表水的分布,固有的剩磁磁場,重力場和地殼結構,以及大氣成分和其隨時間變化的狀態(tài)。我國對火星地質和比較行星學的研究起步晚、基礎薄弱。但是,隨著我國綜合國力的不斷增強,國家已經制定了中長期的深空探測計劃,將不斷打造“中華牌”的深空探測工程。嫦娥探月工程、空間站工程,以及規(guī)劃中的自主火星及其它太陽系天體的探測,都將在未來5-10年陸續(xù)展開。行星科學學科建設也在不斷得到重視。因此,利用現有探測數據,進行火星的表面的形貌學、年代學、礦物學和火山學研究,不僅是重要的國際前沿課題,同時也將為我國的火星探測提供必要的知識支撐,符合國家戰(zhàn)略要求,并具有重要的科學意義。 太陽系類地行星都經歷了類似的形成和早期演化過程(30億年以前),但后期的地質演化過程差異明顯,導致了四個類地行星的表面形貌、成分和內部結構存在巨大的差異。例如,地球地質構造活動頻繁,表面平均年齡約為1億年,導致了保存的早期(早于25億年的太古宙和冥古宙)火山巖漿記錄極少。而火星表面分布有大量的火山形跡(火山群和熔巖平原),是太陽系類地行星中火山活動特征最為明顯和保存早期火山形跡特征最完好的行星。這些古老火山形跡的形貌、成分和后期改造特征,是揭示火星早期熱演化和后期地質過程的最好的研究對象,也是研究太陽系行星火山作用和比較行星火山學最為理想的天體,對于了解和認識地球早期的火山巖漿活動,研究地球與近地星體的異同和相互關系,開展比較行星學研究具有重要意義。因此,對于火星表面古老火山作用的研究具有極其重要的意義。 本論文首先簡要介紹了火星表面的火山作用形跡,總結了研究進展,并提出了尚未解決的問題；然后展示了新開發(fā)的利用熱紅外多光譜數據對于火星表面成分的半定量分析的方法；詳細闡述了對新發(fā)現的火星南部高原古老火山的形貌學和年代學的研究,揭示了它們在火星熱演化歷史上的重要意義；報告了在薩梅斯亞(Thaumasia)平原新發(fā)現的巖墻,并對敘利亞-薩梅斯亞地塊(STB:Syria-Thaumasia Block)中的熔巖平原的表面成分和熱物理性質進行了研究,探討了薩西斯高原的隆升以及水手大峽谷的形成對于該區(qū)熔巖平原形成機制的影響。本論文的基本內容包括以下幾個方面： 1.熱紅外多光譜數據對于火星表面成分的半定量分析的方法研究。 在過去的幾十年里面,人們利用紅外光譜儀器研究火星表面的成分和物理性質。利用TES(Thermal Emission Spectrometer)獲得的數據,前人建立了多個火星全球的定量化數據(包括反照率,礦物成分和熱慣量)。隨著新的熱紅外(如THEMIS, Thermal Emission Imaging System)和可見光/近紅外(如OMEGA, Observatoire pour la Mineralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activite和CRISM, Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars)科學載荷獲得更多新的數據,我們對于火星表面的成分,巖石熱物理性質和古環(huán)境特征都有新的認識。可見光/近紅外儀器雖然具有較高的空間分辨率,并且對含水礦物的探測的靈敏度比較高的,但是通常無法得到全部造巖礦物的含量(如長石和石英)。熱紅外儀器通常具有較低的空間分辨率,然而熱紅外發(fā)射光譜的吸收特征的深度是直接和觀測視域中各種礦物的含量成正比的。利用熱紅外發(fā)射光譜的線性解譜可以定量獲得結晶的火成巖的礦物成分(準確度為5-15%),而傳統(tǒng)巖相學分析的準確度也在5-10%,因此熱紅外測譜學能夠適用于礦物含量的定量分析。本文報道了新開發(fā)的熱紅外多光譜解譜方法——最小剩余循環(huán)光譜混合分析(LRISMA:Least Residual Iterative Spectral Mixture Analysis)。該方法能夠根據先驗知識,半定量的獲得主要造巖礦物的含量：對于長石,輝石,橄欖石,高硅相和石英的精確度可以達到4-16%,準確度可以達到5-20%。本方法可以應用于高質量的THEMIS數據(較高表面溫度,較低的大氣水汽含量和灰塵含量)得到小尺度地質單元的主要造巖礦物的含量,從而更好的研究區(qū)域地質演化。 2.南部高原古老火山的形貌學和年代學的研究 火山作用在所有類地行星層圈結構的形成和演化中都起了重要的作用。前人對火星上的火山做了大量的研究,普遍認為它們的火山作用始于諾亞紀(3.7Ga),一直持續(xù)到晚亞馬遜紀(0.1Ga)。但是古老火山作用的形式,它們和最早期火山建造以及與整個火星熱演化的聯(lián)系尚不清楚。本文展示了許多分布在南部高原的早諾亞紀(4.0Ga)的火山。在空間分布上它們大多毗鄰薩西斯(Tharsis)火山省和環(huán)海拉斯(Hellas)火山省。相比以前的研究結論,本文認為這兩個火山省的火山作用時間跨度更長,強度更大。這些火山建造的表面大都被放射狀的河谷所切割,是早期流水侵蝕的痕跡,而這些侵蝕作用在西方紀熔巖平原形成的時候已經停止,證明火星早期曾經潮濕溫暖。 3.火星表面巖石熱物理性質及巖墻(群)研究 薩西斯隆起是火星表面最顯著的火山省,確定其巖漿成分對于研究火星的巖漿和熱的演化非常重要。由于其表面大部分的區(qū)域覆蓋了較厚的灰塵,以往巖漿的成分確定主要是利用火山形貌數據反演獲得的。敘利亞-薩梅斯亞地塊是一個和薩西斯隆起緊密聯(lián)系的復雜的構造-火山區(qū)域。其中的熔巖平原具有不同的表面模式年齡,研究這些熔巖平原的巖漿成分為我們提供了研究薩西斯隆起前后巖漿成分是否變化的機會。本文利用TES數據研究了敘利亞-薩梅斯亞地塊中的熔巖平原的表面巖石的熱物理性質和成分；利用THEMIS紅外圖像,CTX (Context Camera)圖像和HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment)圖像展示了新發(fā)現的長距離熔巖渠道和熔巖管道。這些火山構造為廣泛分布的巖漿的長距離運輸提供了通道。皺脊的分布指示了諾亞紀-西方紀皺脊平原物質單元(HNr)和西方紀皺脊平原物質單元(Hr)的巖漿噴發(fā)時間早于薩西斯隆起,而西方紀下部熔巖流物質單元(Hsl)和西方紀上部熔巖流物質單元(Hsu)的巖漿噴發(fā)晚于該隆起。本文通過光譜數據的分析,發(fā)現這四個熔巖平原的成分有一定的變化,并且表面熱物理性質指示這些變化是來自于原位的成分差異,受風成堆積物的影響很小。據此,我們認為薩西斯隆起前后,構成熔巖平原的巖漿成分發(fā)生了變化。這個結果表明了薩西斯地幔柱對于廣泛發(fā)育的熔巖平原的巖漿成分和演化機制產生的復雜影響,對于了解早期火山作用具有重要的意義。 盡管火星是一個強烈火山作用并且火山形貌得到了很好保存的行星,但是由于缺少構造抬升和較低的剝蝕速率,巖墻很少在表面暴露(而地球上主要是通過這兩種方式暴露次表層的巖墻)�；鹦潜砻孢B續(xù)的凹陷,較窄的地塹,線性或拉長的槽型凹陷以及磁場的異�？梢杂脕硗茰y巖墻的存在。近年來隨著探測數據的增多以及分辨率的提高,前人報道了一些直接觀測到的可能的侵蝕暴露的巖墻,有些成分還比較獨特。本文報道了利用圖像和光譜數據在薩梅斯亞平原(Thaumasia Planum)新發(fā)現的巖墻。巖墻分布的區(qū)域發(fā)育了大量的蜿蜒的皺脊,這些區(qū)域在前人的地質填圖的結果中顯示為較老的具有皺脊的平原物質,其年齡在晚諾亞紀到早西方紀。這些巖墻相對與周圍的物質具有獨特的熱物理性質和成分特征。對于它們的空間分布和成分特征以及和周圍地質單元的地層關系,為薩西斯隆起和水手大峽谷的打開提供了限制條件。 總之,本論文的研究成果可以加深我們對于火星古老火山作用(包括火山作用形跡的形貌,成分,表面熱物理性質,巖漿侵位機制和成分演化)的認識,為各種地球物理模型和數值模擬模型提供了切實的地質觀測證據,對了解太陽系類地行星的早期火山作用的特征和比較行星學研究具有重要的意義。
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【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P185.3

【參考文獻】

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本文編號：2453067