火星为何“南北两张脸”？研究发现南部地幔高温200至400℃

火星最显著的地质特征之一，是南北半球截然不同：南部是海拔较高、陨石坑密布的古老高地，北部则是地势较低、年龄相对年轻的平原。最新发表于《自然》的研究显示，这种“地壳二分结构”可能并不止于表面——南部高地下方的地幔，估计比北部平原下方高温约200至400℃，而且更柔软，至少部分区域可能处于熔融状态。310

这意味着，火星的“南北两张脸”或许不仅源于地壳厚度、地形和年龄差异，也反映了行星内部持续存在的热不对称。不过，研究识别出了这种差异，却还不能确定它究竟是如何形成的。

研究在火星内部发现了什么？

研究人员推断，南部高地下方存在一个温度更高、黏度更低的地幔。地幔岩石越热，通常越容易发生变形；如果其中含有部分熔体，其力学性质还会进一步变弱。3

这一结果为火星表面的地质分界提供了新的深部背景。南部高地不仅更高、陨石坑更多，通常还被认为拥有比北部更厚的地壳；北部低地则曾被提出可能是远古海洋所在区域。31

因此，火星的南北差异可能同时涉及地壳的高度、厚度和年龄，以及地幔的温度与物理状态，而不只是一个单纯的地形现象。

“潮汐层析成像”如何探测地下热异常？

研究团队重新分析了来自三艘NASA火星轨道器的16年精密无线电跟踪数据：火星全球测量者号（Mars Global Surveyor）、火星奥德赛号（Mars Odyssey）和火星勘测轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter）。通过记录航天器受到火星引力影响时的细微变化，科学家可以建立高精度火星重力场，并从中获取有关潮汐、地壳厚度等信息。2

关键线索来自太阳对火星施加的引力。太阳会使火星产生极其微小的潮汐形变，而火星沿轨道运行时，这种潮汐响应会随时间变化。研究人员没有把火星视为内部性质完全均一的球体，而是使用“潮汐层析成像”分析不同区域的潮汐响应差异。812

地幔的温度和物理状态会影响它的刚度、黏度，以及消耗潮汐能量的方式。通过建立火星随时间变化的区域性引力响应模型，研究人员推断，南部地幔比北部更热、机械强度更低，并得出了约200至400℃的现今温度差估计。3

需要强调的是，这不是用温度计直接测量地幔温度。轨道器实际测量的是引力和潮汐行为，温度与地下结构则是结合物理模型间接推断出的结果。

这一热异常可能意味着什么？

或与南部磁异常有关

火星南部古老高地集中了大量强烈的剩磁异常。这些磁信号记录了地壳岩石在火星仍拥有全球磁场时形成的磁化状态。3037

更热的南部内部可能影响了早期熔融、火山活动，以及能够保存磁性记录的地壳形成或改造过程。不过，这只是一种可能的联系，并不意味着此次发现的热异常单独造成了火星古代磁场，或能够解释所有已观测到的地壳磁性。

为远古水文和热液活动提供新线索

行星内部热量可以驱动火山活动和热液循环。此前研究已提出，南部高地部分区域的地壳磁性、古老谷网以及岩浆侵入体上方可能发生的热液排放之间存在联系。26

如果南部热量曾长期保存，就可能帮助维持局部地下水循环，或形成地下含水环境。这些条件与火星过去是否具备宜居性有关，但新研究并没有证明某个具体盆地曾经存在生命，也没有确定其保持湿润的时间长度。

为火星早期构造演化提供约束

这项发现也为火星早期内部演化模型增加了一个重要条件。科学家一直在讨论，火星是否经历过局部地幔对流、岩石圈物质循环，或某种有限的类板块活动。

火星上的线性磁异常曾被一些研究用于讨论早期板块构造，但这一解释仍有争议；NASA的一项分析认为，现有证据并不能有力支持类似地球的板块构造。27

因此，这项研究并没有证明火星曾拥有现代地球式的构造板块。它更明确地表明：任何关于火星早期内部演化的模型，都必须解释南北半球之间显著的热差异。

南部地幔为何更热？

目前的观测确定了热不对称，却没有确定其起源。研究人员仍需在几种可能性之间进行判断：

• 远古巨型撞击： 早期一次规模巨大的撞击可能重新塑造了火星的地壳和地幔，形成表面的南北二分结构，并留下长期热遗迹。
• 持续存在的南部地幔对流： 一个长期活动的上涌流或地幔柱，可能不断把热量输送到南半球。
• 厚重结构保存热量： 南部较厚的地壳或岩石圈可能起到保温作用，减缓下方地幔的冷却。

现有证据还不足以在这些机制中选出唯一答案。较为稳妥的结论是：火星的表面二分结构在深部存在对应的热差异，南部地幔目前被推断为明显更热、也更弱。未来还需要结合更精细的重力、地震和地质模型，判断这一差异究竟是火星形成早期留下的遗迹，还是长期内部活动延续至今的结果。