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没有暴雨,火星滑坡为什么还这么能“滑”?
USTC石头科普 2026-11-10 20:23:06

提到滑坡,人们往往会想到暴雨后的山体崩塌、被掩埋的道路和村庄。但滑坡并不只属于地球。在数千万公里之外的火星,以及月球、土卫八、谷神星和灶神星等天体上,科学家同样发现了大规模物质沿坡面移动留下的痕迹(图1)。

图 1 广泛出现在天体上的滑坡。

(a)火星上的滑坡 

(b) 月球上的滑坡 (NASA/GSFC/Arizona State University)

(c) 土卫八上位于撞击坑内的滑坡(NASA/JPL/Space Science Institute) 

(d)谷神星上的滑坡(NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA)

在地球上,滑坡常常与灾害相伴。1998年,尼加拉瓜的一场强降雨触发了灾难性滑坡,摧毁城镇和农田,并造成数以千计的人员伤亡(图2)。而当我们把目光转向火星,一个更有意思的问题出现了:

图 2 1998年席卷中美洲的飓风“米奇“期间,尼加拉瓜卡西塔火山发生了灾难性的泥石流(图源USGS)。

在一个几乎没有液态降雨的世界里,这些巨型滑坡又是如何被触发的,又为什么能滑出惊人的距离?

地球上最大的陆地滑坡的滑移距离可以超过数十千米,而火星奥林匹斯山周围的巨型滑坡,运动距离甚至可达数百千米,体积可达约上万立方千米。地球上大规模的滑坡通常与降水等因素相关。但现代的火星表面几乎不存在像地球这样的降水。那么,火星上的滑坡究竟为什么这么能“滑”?

围绕这个问题,科学家提出了多种解释。

一种观点认为,水、冰或其他挥发物可能在其中发挥了重要的作用(Lucchitta, 1987; De Blasio, 2011)。它们或许像“润滑剂”一样,减少了滑坡底部的摩擦,使大量岩石和碎屑能够更轻易地向前滑动。另一些研究提出,岩石与水长期相互作用形成的黏土矿物(Watkins et al., 2015, 2020),也可能让滑坡发生长距离移动。

但并不是所有解释都需要水。另一类理论认为,在完全干燥的环境下,滑坡依然能表现出高流动性。Melosh(1979, 1987)提出了声波液化:强烈振动可以暂时减弱颗粒之间的摩擦,让岩石碎屑像流体一般运动。与此同时,一些数值模拟也表明即使只考虑干燥颗粒之间的运动,也可能形成高流动性的滑坡(Johnson & Campbell, 2017; Lucas & Mageney, 2007)。

如果水或冰确实参与了这些滑坡的形成,那么这些地貌或许还能帮助我们追踪火星过去的地下水和冰,并进一步认识那些可能与宜居环境有关的古代地质条件。不过,“为什么能够滑得这么远”只是问题的一半。另一个问题是:究竟是什么让原本稳定的山坡突然失稳?

火星缺乏持续降雨,也没有像地球那样活跃的板块构造,因此滑坡的触发机制很可能与地球并不完全相同。陨石撞击就是一个重要候选。研究人员根据撞击坑大小估算撞击释放的能量,并进一步计算撞击可能在附近滑坡位置产生的最大水平地面加速度(Crosta et al., 2018)。结果发现,一些撞击坑附近的滑坡确实对应较强的震动信号,然而大多数火星滑坡并没有明显接近强震动区域,也就意味着撞击事件可能并不是火星滑坡的主要触发机制。

除撞击事件外,火震和地下冰融化也被认为可能在其中发挥作用(图3)。今天的火星寒冷而干燥,地下冰可以像“胶水”一样将松散的岩石和土壤粘结在一起,让山坡更加牢固;但当冰发生融化等变化时,这种胶结作用可能减弱,坡体也会随之变得不稳定。地下水的存在同样可能降低斜坡的稳定性。

图 3 火星滑坡的潜在触发因素包括撞击事件、火震、地下水冰(示意图,由Gemini生成)。

为了探究地下冰与滑坡之间是否存在联系,Clifford 等(2010)建立了用于估算火星地下冰冻圈深度的模型,研究人员结合这一模型、火星地形数据和滑坡数据库(Crosta et al., 2018),估算了 222 处滑坡的最大深度,并将其与冰冻圈深度进行比较。结果发现,所有滑坡都没有深入到模型预测的冰冻圈最深边界以下。这种对应关系暗示,地下冰及其变化可能影响火星地下岩土的强度,并在一定程度上控制滑坡能够向地下发展多深。不过,这种对应关系目前还不足以证明地下冰是这些滑坡的直接触发因素。

火震则提供了另一种可能的外部扰动。Roback 和 Ehlmann(2021)的研究指出,这种作用在塔尔西斯地区可能尤其重要。这里曾经历活跃的火山活动和地壳运动,并分布着大量断层,因此可能产生过较为频繁的火震。研究发现,在水手谷最不稳定的坡地区域中,如果距离已知断层不足50千米,滑坡的出现频率会显著增加;但这种关系并没有普遍出现在整个火星上。此外,一些相对年轻的滑坡也暗示,这种由火震诱发滑坡的过程很可能一直延续到了火星较近的地质时期。

到目前为止,科学家已经提出了水和冰的润滑作用、干燥颗粒流动、撞击震动以及火震等多种解释。这些巨型崩塌(示例:图4)背后仍然存在许多未解之谜。也正因为如此,这些看似只是“岩石从山上滑下来”的地貌,实际上可能记录着火星几十亿年来的环境变化:地下水和冰曾如何分布?火震和撞击又在多大程度上推动了坡体失稳?每发现一处新的滑坡,我们就多得到一块关于火星过去的拼图。如今干燥而寒冷的火星,究竟经历了怎样的过去?

图 4 位于火星水手谷相互重叠的滑坡(ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum))



END







参考文献

Clifford, S. M., Lasue, J., Heggy, E., Boisson, J., McGovern, P., & Max, M. D. (2010). Depth of the Martian cryosphere: Revised estimates and implications for the existence and detection of subpermafrost groundwater. Journal of Geophysical Research, 115, E07001. https://doi.org/10.1029/2009JE003462

Crosta, G. B., Frattini, P., Valbuzzi, E., & De Blasio, F. V. (2018). Introducing a New Inventory of Large Martian Landslides. Earth and Space Science, 5(4), 89–119. https://doi.org/10.1002/2017EA000324

De Blasio, F. V. (2011). Landslides in Valles Marineris (Mars): A possible role of basal lubrication by sub-surface ice. Planetary and Space Science, 59(13), 1384-1392.https://doi.org/10.1016/j.pss.2011.04.015

Johnson, B. C., & Campbell, C. S. (2017). Drop Height and Volume Control the Mobility of Long‐Runout Landslides on the Earth and Mars. Geophysical Research Letters, 44(24). https://doi.org/10.1002/2017gl076113

Lucas, A., & Mangeney, A. (2007). Mobility and topographic effects for large Valles Marineris landslides on Mars. Geophysical Research Letters, 34(10). https://doi.org/10.1029/2007gl029835

Lucchitta, B. K. (1987). Valles Marineris, Mars: Wet debris flows and ground ice. Icarus, 72(2), 411–429. https://doi.org/10.1016/0019-1035(87)90183-7

Melosh, H. J. (1979). Acoustic fluidization: A new geologic process? Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 84(B13), 7513–7520. https://doi.org/10.1029/jb084ib13p07513

Melosh, H. J. (1987). The mechanics of large rock avalanches. Reviews in Engineering Geology, 41–50. https://doi.org/10.1130/reg7-p41

Roback, K. P., & Ehlmann, B. L. (2021). Controls on the global distribution of Martian landslides. Journal of Geophysical Research: Planets, 126, e2020JE006675. https://doi.org/10.1029/2020JE006675

Watkins, J. A., Ehlmann, B. L., & Yin, A. (2015). Long-runout landslides and the long-lasting effects of early water activity on Mars. Geology, 43(2), 107–110. https://doi.org/10.1130/g36215.1

Watkins, J. A., Ehlmann, B. L., & Yin, A. (2020). Spatiotemporal evolution, mineralogical composition, and transport mechanisms of long-runout landslides in Valles Marineris, Mars. Icarus, 350, 113836. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.113836

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发布时间:2026-11-10 19:38:18


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