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中国沙漠, 2025, 45(6): 194-205 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00142

火星雅丹地貌类型划分及其形态学特征

石唯康,1, 马芳2, 陈国祥3, 杨军怀4

1.南昌大学 经济管理学院,江西 南昌 330031

2.阜阳师范大学 历史文化与旅游学院,安徽 阜阳 236041

3.甘肃农业大学 草业学院,甘肃 兰州 730070

4.兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000

Classification and morphological characteristics of yardang landforms on Mars

Shi Weikang,1, Ma Fang2, Chen Guoxiang3, Yang Junhuai4

1.School of Economics & Management,Nanchang University,Nanchang 330031,China

2.History Culture and Tourism,Fuyang Normal University,Fuyang 236041,Anhui,China

3.Pratacultural College,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China

4.Key Laboratory of Western China's Environmental Systems,College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

收稿日期: 2025-07-10   修回日期: 2025-09-14  

基金资助: 国家自然科学基金专项基金重点项目.  2023010017

Received: 2025-07-10   Revised: 2025-09-14  

作者简介 About authors

石唯康(1994—),女,陕西富平人,博士,主要从事风沙地貌研究E-mail:shiweikang@ncu.edu.cn , E-mail:shiweikang@ncu.edu.cn

摘要

雅丹地貌是火星表面分布最广泛的风成地貌类型之一,蕴含着丰富的火星环境及火星表面演化历史信息。本研究基于HiRISE、CTX等高分辨率遥感影像,对火星全球雅丹地貌进行形态识别与系统分析,挖掘其蕴含的火星环境信息及地貌学意义。结果表明:火星雅丹类型复杂多样,采用形貌学分类方法并综合考虑形态细节,共划分出17种火星雅丹,特别是存在地球上罕见的双向型雅丹和V型雅丹;火星雅丹形态参数概率累积曲线均出现断点和转折,表明其存在不同群组特征,雅丹规模差异显著;火星雅丹各形态参数间存在一定相关性,但这种相关关系与地球雅丹之间存在差异,指示火星雅丹可能存在多种演化模式。火星雅丹整体规模大于地球,但各类型雅丹长宽比与地球较为相似,说明无论长宽如何变化,形成某种特定类型雅丹的长宽比较为一致。火星雅丹长宽比以小于2∶1以及大于6∶1为主,指示火星雅丹可能并不处于发育的成熟阶段。

关键词: 火星 ; 雅丹 ; 分布 ; 分类 ; 形态特征

Abstract

Yardang landform is one of the most widely distributed aeolian landforms on Mars, which contains abundant information about the Martian environment and the evolution history of the Martian surface. This study identifies and systematically analyzes the morphological characteristics of the global yardang landforms on Mars, and explores the Martian environmental information and geomorphological significance contained in the Martian yardangs by HiRISE images, CTX images, and other multi-source remote sensing images. The results show that the Martian yardang types are complex and diverse. By using the morphological classification methods and considering the morphological details, 17 types of yardangs on Mars are identified, among which bidirectional yardangs and V-shaped yardangs are rarely found on Earth. The probability cumulative curves of the morphological parameters of the yardangs on Mars all exhibit breakpoints and turning points, indicating that there are different group characteristics in the morphological parameters of the yardangs, and there is a significant difference in the scale of the yardangs. Although there is a certain correlation between the morphological parameters of the Mars yardang, this correlation differs from that of yardangs on Earth, indicating that there may be multiple evolution modes of the Martian yardang. The overall size of the Martian yadangs is larger than that of the Earth, but the length-width ratio of the Yardangs on Mars is similar to that of the Earth, indicating that the length-width ratio of a specific type of yardang is consistent regardless of changes in length and width. The length-to-width ratio of Martian yardangs are mainly less than 2∶1 and greater than 6∶1, indicating that Martian yardangs may not be in the mature stage of development.

Keywords: Mars ; yardang ; distribution ; classification ; morphological characteristics

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石唯康, 马芳, 陈国祥, 杨军怀. 火星雅丹地貌类型划分及其形态学特征. 中国沙漠[J], 2025, 45(6): 194-205 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00142

Shi Weikang, Ma Fang, Chen Guoxiang, Yang Junhuai. Classification and morphological characteristics of yardang landforms on Mars. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(6): 194-205 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00142

0 引言

20世纪初,瑞典探险家斯文赫定正式提出“雅丹”一词,并被学界逐渐接受和使用1。有关雅丹地貌的研究主要在其形态特征2-5、发育过程6-9和形成年代10-13等方面。自20世纪70年代以来,随着空间探测技术的飞速发展,对雅丹地貌的研究逐渐扩展到地外行星,大量空间探测数据为揭示地外行星雅丹地貌发育环境与形成过程提供了有力证据,地外行星雅丹地貌正逐渐成为风沙地貌学研究的重要方向。

火星是人类目前探测发现雅丹地貌分布最广且类型最为丰富的行星,成为研究地外行星雅丹地貌的理想场所。火星雅丹蕴含着火星表面由沉积环境转向侵蚀环境的演化过程信息,在风沙地貌学研究中具有独特意义。有关火星雅丹地貌的研究源于20世纪70年代一系列火星探测任务的成功实施,研究人员基于水手9号探测器(Mariner 9)传回的低分辨率视频数据,首次识别出火星表面存在大量长度从数米到数千米的流线型地貌,形似地球沙漠中的覆舟状地貌14;随后,学者们借助海盗号探测器(Viking)提供的更高分辨率影像数据,对火星全球规模较大的流线型地貌进行识别,并通过与地球雅丹地貌对比,正式将这些流线型地貌命名为雅丹地貌,绘制了首张火星全球雅丹分布图15-16。继海盗号探测任务之后,美国在1996年成功发射的火星全球勘察者探测器(MGS)促使火星探索研究成为又一次热点话题,随后各类轨道探测器获取的更高分辨率影像数据不断涌现,拓宽了火星雅丹地貌研究的范围,推动火星雅丹研究进入更精细、更深入的阶段。

在地球上,雅丹地貌研究已形成较为成熟的范式,通过系统性的雅丹形态学特征和空间分布格局分析,研究者已揭示了雅丹与风况、岩性、构造等环境控制因子之间的关联,并建立其发育演化模型27-916-17。因此在人类无法对火星表面进行直接观测的情况下,基于遥感影像数据对火星雅丹形态参数与空间分布格局进行提取分析,可以进一步理解控制火星雅丹形成、组合及演化过程中的环境控制因素。迄今为止,学者们已基于不同分辨率的影像数据对火星雅丹开展了初步研究。在分类方面,现有研究主要提出了3种分类方案:一是基于规模大小分类,如小雅丹、大雅丹和巨型雅丹18-19;二是基于雅丹表面结构及形态特征建立的类型体系,如流线状、穹状、双向型、弯曲状、长垄状、犬牙状、V形、覆舟状雅丹等20-24;三是根据形态组合与发育阶段划分的方山组合、长垄组合、鲸背组合、锯齿组合类雅丹25。在形态参数方面,已有研究对火星局部区域雅丹进行了初步统计,主要包括长度、宽度、间距、走向等参数1518-1922-2325。结果表明火星雅丹长度一般从数十米到数千米,最长70 km以上;宽度多介于数米到数百米,部分大型雅丹宽度可达5 km;长宽比变化范围大,从接近1∶1到50∶1不等,其中长垄状雅丹多大于5∶1;间距普遍在数十米到数百米,多数小于300 m。这些成果初步揭示了火星雅丹的形态多样性,为后续研究奠定了基础。

然而,现有的火星分类方案及形态参数统计主要基于火星局部区域,多数成果集中在火星梅杜莎沟槽组(Medusae Fossae Formation,MFF),而在诸如水手号大峡谷(Valles Marineris)、阿拉伯高地(Arabia Terra)以及众多撞击坑等地质单元上也均有雅丹分布的报道22-2326。因此,适用于全球尺度的统一分类体系有待建立。与此同时,针对火星全球雅丹地貌形态参数的统计尚不全面,导致不同类型雅丹难以进行有效对比,制约了对火星整体分布与形成机制的理解。基于此,本文在系统梳理已有研究成果的基础上,初步明确了雅丹地貌的判别标准,进而借助HiRISE影像和CTX高分辨率遥感影像,对火星全球雅丹进行了全面识别。在此基础上,建立了基于多种指标组合且更加细致的火星雅丹地貌分类系统,并选取大量数据对各类型雅丹形态特征进行分析总结,探究火星雅丹在全球尺度上的形态地貌学规律。此外,研究还通过火星与地球雅丹地貌类比,尝试提出火星雅丹地貌形成发育阶段,为理解火星雅丹地貌形成演化过程提供一定依据,增强人们对火星环境的整体认识。

1 研究区概况与研究方法

1.1 火星概况

火星形成于45亿年前,其表面地质年代可分为前诺亚纪(约45亿~41亿年前)、诺亚纪(约41亿~37亿年前)、西方纪(约37亿~30亿年前)和亚马逊纪(30亿年前至今)27。诺亚纪时期,撞击事件与火山活动仍然频繁,萨西斯(Tharsis)火山主体隆升并成为太阳系的最大火山群,广泛密集的沟谷地貌系统及表面风化产物形成,火星表面可能以温暖湿润气候为主28;西方纪时期,撞击事件频率减少,大量熔岩平原、外流河道、峡谷以及硫酸盐沉积形成,而沟谷数量不断降低,表面侵蚀率极低,火星表面气候可能经历了由暖湿向干冷的转变2729;亚马逊纪时期,火星表面大气稀薄干燥,地表长期处于干燥寒冷的气候环境,火星表面地貌变化较小,侵蚀和风化速率极低,但冰川、风等作用对地面的改造开始显著,并且地下可能存在液态水30。火星南北半球存在明显的“二分性”,火星北部为平原,地势较低,平均海拔为-4 km;南部为高原,地势较高,平均海拔为1.5 km(图1)。北部平均地壳厚度为30 km,撞击坑密度较小,多数深度较浅,年龄较年轻;而南部平均地壳厚度约为60 km,撞击坑密度较大,年龄较古老31。火星上缺乏与地球较为相似的板块构造,因此不存在类似地球上由板块构造形成的裂谷、海沟及平移断层等32。火星表面以玄武岩为主,并分布有少量安山岩,其中较为年轻的北部低地以安山岩为主,而古老的南部高地及大型盆地区域以玄武岩为主33

图1

图1   火星雅丹全球分布

Fig.1   Elevation map of distribution of Martian yardang landform


1.2 数据来源与研究方法

本文关于火星雅丹地貌形态学特征的研究主要基于火星勘测轨道飞行器(MRO)获取的CTX RDR数据(像元分辨率可达6 m,宽度约30 km)和HiRISE RDR数据(像元分辨率0.3 m,宽度约6 km),该数据均经过了辐射和几何校正,分辨率高,是目前火星地貌学研究的主要数据来源(https://ode.rsl.wustl.edu/mars/productsearch)。

雅丹形态参数的测量主要利用ArcGIS空间分析软件,通过目视解译方法,对卫星影像中火星雅丹地貌的主要形态参数进行测量,包括雅丹长度(L)、宽度(W)、间距(G)、长宽比(R)等。其中雅丹长度指雅丹体长轴长度,宽度指雅丹体宽轴的长度。雅丹间距主要采用雅丹体与相邻雅丹体顶点之间的直线距离,主要反映雅丹在空间上的疏密度,是描述雅丹间距离的定量化参数(图2)。

图2

图2   火星雅丹形态参数测量示意图

Fig.2   Schematic diagram of morphological parameters measurement of Martian yardang landform


火星雅丹全球分布图主要是根据搭载于火星全球勘测者探测器(MGS)上的MOLA(Mars Orbiter Laser Altimeter)火星轨道器激光高度计获取的数据绘制,像元分辨率较低,为463 m。火星雅丹地貌区经纬向分布主要是通过建立覆盖全球的5°间隔网络要素面,利用ArcGIS 10.2软件中的相交工具,计算出相交位置中的雅丹面积,然后在Origin里面统计出各经纬度范围内不同雅丹地貌面积。

2 结果与分析

2.1 经纬向分布

火星表面雅丹地貌分布广泛,规模大。从图3可以看出火星雅丹地貌具有明显的经纬向地带性分布规律。雅丹地貌主要分布在中低纬度地区,纬度范围主要在60°N—60°S,占雅丹总面积的99.54%,其中在25°N—15°S分布较多,约占雅丹总面积的71.43%,其他纬度区域的雅丹则主要零星分布于陨石坑内。火星雅丹地貌经向分布的地带性规律较弱,分布在各个经向间隔内,其中在130°—180°W分布最为广泛集中,面积约占雅丹总面积的34.14%,80°~125°W和70°~115°E雅丹分布最少,面积分别约占雅丹总面积的2.23%和2.83%。

图3

图3   火星雅丹地貌区经纬向分布

Fig.3   Longitudinal and latitudinal distribution of Martian yardang landform


2.2 类型划分

火星雅丹地貌类型划分是研究雅丹地貌形态学特征及其演化过程的首要环节。通过全面识别火星全球雅丹地貌,发现火星与地球雅丹地貌形态存在较大相似性,同时也存在独特性,因此本文在借鉴地球雅丹分类方案基础上,综合李露露22和王江25的火星雅丹分类系统,兼顾火星雅丹的特殊性,并在获取更多火星雅丹细节的情况下,将传统的形态学分类方法与发育环境相结合提出了火星雅丹地貌分类系统(表1)。其中第一级分类主要关注形貌特征,可综合划分为11种类型;第二级分类着眼于形态细节,进一步细分为17种类型(图4),强调形态细节对潜在发育环境的响应。依据此分类系统,对火星雅丹分布区进行目视解译,对各雅丹地貌类型的形态特征进行统计分析。

表1   火星雅丹地貌分类系统

Table 1  Geomorphological classification system of Martian yardang landform

一级形态类型二级形态类型缩写特征描述图示

长垄状雅丹

(Long-ridge)

顶面宽阔型长垄状雅丹

(Broad-top long-ridge)

L-B呈长条形,顶面宽阔,连续性较差,有明显走向,雅丹间距及两翼坡度相对较小图4A

顶面窄脊型长垄状雅丹

(Narrow-top long-ridge)

L-N呈长条形,顶面为窄脊状,连续性较好,有明显走向,雅丹间距及两翼坡度相对较大图4B

顶面破碎型长垄状雅丹

(Friable-top long-ridge)

L-F呈长条形,顶面粗糙且破碎,连续性较好,有明显走向,雅丹间距相对较大图4C

方山状雅丹

(Mesa)

不规则型方山状雅丹

(Irregular mesa)

M-I由不规则台地组成,形状不一,顶面平坦或粗糙,无明显走向图4D

规则型方山状雅丹

(Regular mesa)

M-R呈长条形或菱形,顶面略粗糙,具有明显的排列方向和走向图4E

锯齿状雅丹

(Saw-toothed)

S-T头部呈犬牙状隆起,坡度较大,走向明显,尾部连为一体或被侵蚀切割为其他类型雅丹图4F
金字塔状雅丹(Pyramid)P-M呈锥形,形似金字塔,底部宽阔平坦,顶部呈尖脊状图4G

残丘状雅丹

(Remnant cone)

R-C形状不规则,多以穹状和圆形台地为主,顶部多盖层,常与其余类型雅丹共存图4H

穹状雅丹

(Dome)

顶部平坦型穹状雅丹

(Flat-top dome)

D-F基部宽大,顶部较平坦,基部与顶部相均衡,长宽比大致相等图4I

顶部尖锐型穹状雅丹

(Sharp-top dome)

D-S基部宽大,顶部呈馒头状且多盖层,长宽比大致相等图4J

V型雅丹

(V)

对称型V状雅丹

(Symmetrical-V)

V-S呈V形,前缘隆起,尾部宽阔低矮,走向明显,前缘和两翼均有凹槽发育,凹槽较对称图4K

非对称型V状雅丹

(Asymmetric-V)

V-A呈V形,前缘隆起变尖,尾部宽阔低矮,前缘和两翼均有凹槽发育,凹槽不对称图4L

双向型雅丹

(Bidirectional)

B-D雅丹体头部和尾部之间存在30°~45°的夹角图4M

拱背状雅丹

(Hogback)

头尾尖锐型拱背状雅丹

(Sharp-head hogback)

H-S呈椭圆形,头尾较尖,两翼对称,背部有明显脊线,迎风坡陡峭,走向明显图4N

头部宽大型拱背状雅丹

(Wide-head hogback)

H-W呈流线形,头部高大宽阔,尾部呈锥形收缩,两翼对称,背部有明显脊线,迎风坡陡峭,走向明显图4O

鲸背状雅丹

(Whaleback)

W-B呈流线形,头部高大宽阔,尾部呈锥形收缩,背部无明显脊线,两翼对称,走向明显,表面多被盐壳覆盖图4P

流线状雅丹

(Streamlined)

S-L呈流线形,头部低矮宽阔,尾部锥形收缩变细,背部无明显脊线,两翼对称,走向明显,雅丹间距较大图4Q

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图4

图4   具有代表性的火星各类型雅丹形态特征

注:A:L-B型,CTX影像,B18_016611_1691_XI_10S183W;B:L-N型,CTX影像,G23_027359_1804_XN_00N218W;C:L-F型,CTX影像,G18_025407_1746_XN_05S208W;D:M-I型,CTX影像,G05_020370_1821_XN_02N211W;E:M-R型,CTX影像,P20_008766_1803_XI_00N206W;F:S-T型,CTX影像,P02_001773_1745_XN_05S076W;G:P-M型,CTX影像,B20_017266_1715_XN_08S065W;H:R-C型,CTX影像,B22_018089_1764_XI_03S215W;I:D-F型,CTX影像,D22_035954_1698_XN_10S151W;J:D-S型,CTX影像,P19_008561_1807_XN_00N008W;K:V-S型,CTX影像,P19_008448_1809_XN_00N162W;L:V-A型,CTX影像,P17_007735_1879_XN_07N134W;M:B-D型,HiRISE影像,ESP_036244_1875_RED;N:H-S型,HiRISE影像,ESP_027095_1800_RED;O:H-W型,CTX影像,P21_009412_1823_XI_02N205W;P:W-B型,CTX影像,F03_037143_1746_XI_05S212W;Q:S-L型,CTX影像,P03_002409_1749_XI_05S159W。数据来源于火星轨道数据资源管理器(ODE)

Fig.4   Martian yardang landform types and its representative morphology


2.3 形态参数及概率分布

对火星不同区域具有代表性的各类型雅丹,对其长度、宽度、长宽比和间距进行测量统计,长度、宽度和长宽比的样本数为52 479,间距样本数为10 508。总体上,火星雅丹形态复杂多样,规模大小不一(表2)。火星雅丹的平均长度约为740 m,最长达75.24 km,不同类型雅丹的长度差别大。L-B型雅丹长度最大,平均长度为4 934 m,其中长度在0~5 000 m的雅丹约占69%,0~10 000 m的雅丹约占89%。L-N型雅丹与L-F型雅丹长度次之,平均长度分别为1 503 m和1 286 m,长度均主要在0~3 000 m。S-T型雅丹和P-M型雅丹长度最小,平均长度均小于90 m,且长度主要在140 m以下。其余雅丹类型中,除M-I型雅丹和M-R型雅丹平均长度较大外,其他类型雅丹的长度平均值均在0~300 m,其中200 m以下占比89%。

表2   火星雅丹形态参数测量统计

Table 2  Statistical results for morphological parameters of Martian yardang landform

雅丹类型长度/m宽度/m长宽比间距/m
范围平均值范围平均值范围平均值范围平均值
L-B100~75 2404 934.1217~2 893278.421.85~143.7317.0928~1 101205.90
L-N180~20 2801 503.4720~1 103102.681.59~109.3713.7222~2 884184.50
L-F160~15 4401 286.2617~47789.662.59~85.0714.3629~623122.04
M-I32~7 767701.7325~3 154414.241.00~10.821.7248~788204.53
M-R40~1 480373.6830~1 239194.561.00~7.532.0134~763166.80
S-T3~2 00289.2011~1 442103.270.03~5.400.9012~1 11980.62
P-M34~30782.2425~25063.870.83~1.961.3233~492146.97
R-C10~827120.729~66587.640.14~0.141.41
D-S20~3 090139.6710~2 670113.791~41.2445~3 963384.67
D-F20~1 600191.5410~1 130161.041~21.2073~1 805362.07
V-S4~2 675196.312~2 810270.710.05~2.020.7140~3 959368.37
V-A14~914221.8432~1 382336.820.22~3.270.7035~808225.83
H-S40~902193.788~35268.101.50~10.402.8841~730127.76
H-W20~957138.0111~46563.300.60~4.722.1726~990124.00
W-B29~1 672142.5615~98372.451.05~5.352.0219~3 247272.99
S-L27~876127.0910~36843.021.03~7.453.0213~767107.11
总体3~75 240739.532~3 154129.500.03~143.734.3712~3 963209.97

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火星雅丹平均宽度约为130 m,最宽为3 154 m。M-I型雅丹平均宽度最大,为414 m,其中宽度在0~1 000 m的雅丹占比最大约为82%。V-A型雅丹、V-S型雅丹、L-B型雅丹次之,平均宽度分别约为337、271、278 m,宽度均主要在0~400 m。S-L型雅丹宽度最小,平均值为43 m,小于52 m的雅丹约占75%。其余类型雅丹平均宽度均在200 m以下,其中100 m以下占比58%。

火星雅丹平均长宽比约为4.37,最大为143.73。L-B型雅丹长宽比最大,平均值为17.09,其中长宽比在0~20的雅丹约占74%。L-N型雅丹与L-F型雅丹长宽比次之,平均值均约为14,且主要在0~24。其余类型雅丹平均长宽比均小于3,其中S-T型、P-M型、R-C型、D-S型及D-F型雅丹平均长宽比均接近于1,形态相对宽短,趋于等轴状;V-S型和V-A型雅丹平均长宽比均低于1,且在0.4~0.84占比较多,形态呈现横向扩展特征;H-S型、H-W型、W-B型及S-L型雅丹长宽比为0.6~10.4,平均长宽比均在2~3,其中S-L型雅丹平均长宽比小于4的占比为90%。

火星雅丹平均间距约为210 m,最大为3 963 m,不同类型雅丹的间距有所不同,D-S型、D-F型和V-S型平均间距较大,分别约为385、362 m和368 m。S-T型雅丹平均间距最小,约为81 m,其中0~80 m的雅丹最多,约占65%。其余类型雅丹平均间距均小于300 m,200 m以下占比67%,这些参数差异反映了火星雅丹地貌的形态多样性及其可能的不同形成机制。图5显示,各形态参数的离散程度较大,雅丹的规模差异明显。整体雅丹形态参数的概率累积曲线均存在断点和转折点,表明整体雅丹形态参数存在不同的群组特征。在地球上,雅丹长宽比的分布特征可有效指示其发育阶段,雅丹一般会经历从初成、成熟再到衰亡的演化阶段,其长宽比也会随之发生相应变化7-9。因此火星雅丹长宽比在3∶1及10∶1处出现较明显的转折点,说明火星上可能存在不同发育阶段雅丹的组合。

图5

图5   火星雅丹长度、宽度、长宽比、间距的概率累积曲线

Fig.5   Cumulative probability curves of the Martian yardang landform length, width, length-width ratio, spacing


2.4 形态参数之间的关系

雅丹的形态参数之间存在若干系统性关系,反映出其形态特征与演化过程的内在联系。长宽比作为雅丹发展演化阶段以及发育成熟程度的重要指标,代表了雅丹受到内外营力作用的时间6。火星全球雅丹中,长宽比数值变化范围较大,说明雅丹类型较为复杂,其中长宽比小于2∶1及大于6∶1的雅丹分布较多,所占比例分别约为57.4%和19.2%,3∶1~5∶1约占比6.3%(图6A)。

图6

图6   火星雅丹各形态参数之间的关系

Fig.6   Relationship between morphological parameters of Martian yardang landform


进一步对火星全球雅丹形态参数之间的相关性分析得出:火星雅丹长度与长宽比之间存在明显正相关关系,表现为长度较大的雅丹通常具有更高的长宽比,随着雅丹长度减小,长宽比之间的差异逐渐变小(图6B),说明长垄状雅丹向拱背状雅丹、流线状雅丹以及短轴状雅丹演化的过程中,长宽比逐渐趋于稳定,差异变小。火星雅丹宽度以500 m以下为主,占比96%,且与长宽比之间的相关性较弱(图6C),说明火星不同类型雅丹的宽度分布相对集中,差异较小。火星雅丹间距与长宽比之间存在较弱的负相关关系(图6D)。一般在地球雅丹演化过程中,雅丹长宽比越小,间距越大934-35,而在火星上这一关系较弱的情况表明各类型雅丹之间可能存在不同的演化模式,同时也可能是由于各类型雅丹之间的演化模式缺乏完整性,存在不同时期形成的雅丹,例如同一分布区的长垄状雅丹与拱背状雅丹可能形成于不同时期的不同动力条件下,造成其间距之间不存在负相关关系。V型雅丹是火星表面一种特殊的雅丹类型,其前缘凹坑的长度与雅丹体长度、宽度之间均呈现较好的正相关关系(图6E~F),表明凹坑长度越大,雅丹体规模越大。这一相关性可能与V型雅丹的演化机制有关:前缘凹坑越长,说明雅丹被侵蚀程度越高,随着侵蚀不断加剧,凹坑逐渐加深变长,雅丹体同时变长加宽,最终形成规模较大的曲线状雅丹21

3 讨论

3.1 火星与地球雅丹形态及其参数特征类比

类比研究是行星风沙地貌研究的重要方法。火星与地球雅丹地貌形态较为相似,通过与地球雅丹形态及其参数进行类比分析研究,人们对火星雅丹地貌的发育环境及过程有更深刻的理解和认识。

在形态特征方面,与已报道的地球雅丹类型2-5相比,火星雅丹类型较为复杂多样,存在地球上罕见的V型雅丹和双向型雅丹,这一复杂性可能与其发育环境、演化历史等有关。例如双向型雅丹,其成因特殊,李露露等36研究火星欧墨尼得斯山脊(Eumenides Dorsum)区域双向型雅丹与风况的关系发现,双向型雅丹与风向垂直,说明风向不是影响双向型雅丹发育的主导因素。本文研究发现火星双向型雅丹集中分布在火星梅杜莎沟槽组东部区域,且主要发育在陨石坑壁、地势低洼处,以及覆盖于其他类型雅丹表面等。比如在该区域发育的L-F型长垄状雅丹顶部覆盖有大量的双向型雅丹,其大致被分为前部、尾部和中部三个部分,前部和尾部由中部的中轴部分连接,并且存在30°~45°的交叉角,雅丹体走向与长垄状雅丹走向垂直,这进一步证实了风向不是影响双向型雅丹发育的主导因素。此外,Bradley等37在对火星梅杜莎沟槽组区域雅丹分析时,发现区域内的双向型雅丹主要发育在弱固结岩层上,其形成主要是受沉积物冷却,岩体体积收缩并产生张应力,从而破裂形成节理的影响。而对于地球雅丹,多以砂岩、泥岩等沉积岩为主38,岩性非均质性强,抗风化能力差异大,并且易受液态水干扰,不易形成大规模规则的节理网络,因此猜测大规模的节理发育可能是地球上罕见发育双向型雅丹的原因之一。

在形态参数方面,主要与地球上柴达木盆地、罗布泊等地的雅丹形态参数进行类比,这些区域拥有类似火星表面环境及雅丹地貌类型等,是火星雅丹地貌类比研究较为理想的区域。通过与前人在上述区域的研究对比293439-42,发现火星雅丹的长度、宽度、间距均大于地球,是地球的几倍到几十倍,这可能与两者发育的环境有关。地球雅丹的形成一般被认为受多种营力因素影响,包括风力作用、流水作用、化学风化、重力崩塌、构造运动、人类活动等38,而火星表面缺乏板块构造和液态水循环且无人类活动干扰43,因此相较于地球,火星雅丹地貌形成动力条件更为单一,风力作用可能是火星雅丹形成过程中的主导因素。同时,现代火星表面寒冷干燥,大气密度仅为地球的1%,地表风速较小43,这些在一定程度上导致其表面的风化侵蚀速率降低,缓慢的侵蚀过程使得大型雅丹形态得以长期保存并持续发育。此外,前人研究表明发育基岩的性质能够影响雅丹的形态与规模914,火星雅丹发育岩性以较易破碎的弱固结沉积物为主,包括凝灰岩、火山碎屑岩等44,岩性较为均一,并且雅丹顶部存在一定程度的固结硬化,不易被侵蚀,这种情况可能再次抑制了雅丹侵蚀速率,促使火星雅丹规模大于地球。

3.2 火星与地球雅丹长宽比特征及演化阶段指示意义

对火星与地球柴达木盆地和罗布泊三垄沙区域各类型雅丹的长宽比进行对比发现,总体上火星雅丹的长宽比与地球相似,说明无论雅丹的长宽如何变化,形成某种特定雅丹类型的长宽比较为一致。进一步分析得出,火星长垄状雅丹的长宽比平均值与柴达木盆地相似,但不同于罗布泊三垄沙区域293439-42。前人研究表明发育环境是控制雅丹地貌形态变化的主要因素之一,雅丹体形态及长宽比主要受风力、降水、植被覆盖率、沉积物数量等因素影响。雅丹地貌形成物质基础和外力作用等因素的相似性决定着其外部形态的相似性445,因此三地雅丹长宽比的差异间接说明了火星长垄状雅丹总体发育环境可能与柴达木盆地较为相似,而与罗布泊三垄沙地区存在不同。其中柴达木盆地降水稀少,雅丹整体发育在低温、干燥的气候环境下,地表缺少有效的化学风化过程,沉积物化学风化程度均较低,雅丹长轴走向与起沙风风向和合成输沙势方向吻合,主要发育在高风能环境、低风向变率、窄单峰风况下46-47。而三垄沙区域地表水系网络较多,潜水位较高,东部、中部受流水侵蚀切割明显,雅丹体破碎程度高642,在后期风力作用下,多数长垄状雅丹被切割成中型或小型雅丹体,因此导致长宽比较小。对于拱背状雅丹,火星拱背状雅丹长宽比平均值明显小于柴达木盆地,火星上存在大量双向风作用下形成的头尾较尖的拱背状雅丹,而在柴达木盆地很少出现,这可能导致两地拱背状雅丹长宽比相似性较弱。除上述雅丹外,火星鲸背状雅丹、方山状雅丹、金字塔雅丹等长宽比平均值均与柴达木盆地和三垄沙区域较为相似,这说明上述地区这些雅丹类型的发育动力过程可能存在相似性。Halimov等2通过对柴达木盆地雅丹地貌的研究,认为扇缘或古湖床平原面受构造隆升后,在外营力作用下形成方山状雅丹,再逐渐随着其他外力作用演化为长垄状雅丹、鲸背状雅丹和锥状雅丹。因此火星表面雅丹也可能存在类似的演化过程,但不同在于火星方山状雅丹最早被认为是在塌陷作用下形成,这种塌陷可能是由于大量挥发物在熔结凝灰岩形成后期被释放导致48,也可能是高孔隙度物质中存在干冰的升华,进而随着物质熔融而产生塌陷49

此外,长宽比作为反映雅丹发展演化阶段以及发育成熟程度的重要指标,被广泛用于地球雅丹研究。一般认为,长宽比为4∶1是最理想稳定的成熟雅丹形态,该形态对流体阻力最小,受侵蚀破坏的作用力也最小4945。宋昊泽等35结合雅丹形态数据、演化控制等因素将罗布泊地区雅丹理想演化模式分为初成期、青年期、成熟期、衰亡期,并提出这4个时期的雅丹长宽比范围分别为1∶1~3∶1、3∶1~5∶1、5∶1~10∶1、10∶1以上。元伟涛42将敦煌雅丹发育过程分为孕育期、青年期、壮年期、衰亡期4个阶段,其中青年期雅丹以长垄状雅丹为主,长宽比较大;壮年期以流线状雅丹为主,发育较为成熟,长宽比为3∶1~4∶1;衰亡期以锥形雅丹为主,长宽比通常小于2∶1。对于火星全球雅丹,其长宽比以小于2∶1以及大于6∶1为主,缺乏地球上的理想稳定形态,这一定程度上说明了火星雅丹可能并不处于发育的成熟阶段。但需要注意的是,火星与地球的外部环境存在显著差异,火星大气密度仅为地球的约1%,风力作用强度和作用方式存在本质区别,火星表面物质组成、胶结程度和抗蚀性也与地球存在较大差异43,再加之复杂的火星表面气候演化历史,这些因素可能会导致火星雅丹难以形成类似地球的典型演化序列。例如前人研究表明火星雅丹的演化过程中可能存在多次中断25,因此未来研究应进一步建立基于火星实际环境参数的风蚀过程模型,结合详细形态统计与地表物质组成分析,发展更适用于火星的雅丹分类与演化阶段划分方案,从而深化对火星雅丹形成机制的理解。

4 结论

采用形貌学分类方法并综合考虑形态细节,将火星雅丹地貌分为两个级别,共17种类型。与地球雅丹类型对比,火星雅丹类型齐全,除地球分布的雅丹类型外,火星发育独特的双向型雅丹和V型雅丹。

火星雅丹整体平均长度约为740 m,平均宽度约为130 m,平均长宽比约为4.4,平均间距约为210 m。各雅丹形态参数的离散程度较大,雅丹规模差异明显。整体雅丹形态参数的概率累积曲线均存在断点和转折点,表明雅丹形态参数存在不同群组特征,其中长宽比在3∶1及10∶1处转折点较为明显,说明火星上存在不同发育阶段雅丹的组合。

火星雅丹长度和长宽比之间存在一定的线性正相关关系。宽度与长宽比之间的相关性较弱。整体长宽比与间距之间存在较弱的负相关关系,可能是由于火星各类型雅丹之间的演化模式缺乏完整性。V型雅丹前缘凹坑的长度与雅丹体长度、宽度之间存在一定程度的正相关关系,说明凹坑的长度越大,雅丹体的规模越大。

火星雅丹地貌规模总体大于地球,但不同类型雅丹长宽比与地球雅丹较为相似,说明无论雅丹的长宽如何变化,形成某种特定雅丹类型的长宽比较为一致。长宽比小于2∶1以及大于6∶1的雅丹分布较多,指示火星雅丹可能并不处于发育的成熟阶段。

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