摘要：火星南北半球的二分结构（dichotomy）如何形成这一科学问题自过去的50年迄今一直是火星科学研究的热点之一。火星南北半球二分结构概念始于20世纪70年代初期Mariner 9和Viking等火星探测任务的影像传回地球，这些图像显示火星南北半球存在显著的地形
火星南北半球的二分结构（dichotomy）如何形成这一科学问题自过去的50年迄今一直是火星科学研究的热点之一。火星南北半球二分结构概念始于20世纪70年代初期Mariner 9和Viking等火星探测任务的影像传回地球，这些图像显示火星南北半球存在显著的地形高程差异（图1），即所谓的“南部高地（Souhtern Highlands），北部低地（Northern Lowlands）”。后续探测进一步发现了火星壳厚度、撞击坑密度和磁场强度等均存在南北半球的显著差异。然而，这种二分结构成因至今仍存在高度分歧。
目前，关于火星南北半球二分结构成因主要可以分为两类：外源假说和内源假说，及二者的混合假说。外源假说主要认为是：由一个或若干个直径~1000 km甚至更大（~2000km）的巨大陨石撞击北半球而形成低地；或是南半球遭受半球尺度的岩浆洋撞击而形成高地。内源假说主要是认为火星内部过程所致的，例如火星幔的一阶对流等。这一科学问题长期存在争议的一个重要原因是缺少观测证据特别是火星南北半球内部结构的制约。
中国科学院地质与地球物理研究所孙伟家研究员联合澳大利亚国立大学Hrvoje Tkalčić教授（其为中国科学院2023年度PIFI项目杰出科学家）使用国际“洞察号”火星震科学数据对上述科学问题开展了科研攻关。他们使用了若干技术压制火星震数据噪声，发展了最优化火星震定位方法，首次定位了一簇六个位于火星南半球Terra Cimmeria区域的火星震（图1）。进一步，基于这一簇南半球火星震和位于北半球Cerberus Fossae区域的火星震的S波和S波尾波信息，他们率先获得了火星南半球和北半球火星幔的Q值分别为481-543和800-2000，并揭示了火星南北半球存在显著的衰减结构差异（图2）。
图1火星南北二分结构的地形图和火星震（五角星）位置图。“洞察”号（InSight）位于北部低地，靠近Elysium Mons火山。前期“洞察”号团队定位的火星震主要位于北半球Cerberus Fossae区域，本研究首次定位的一簇火星震位于南半球Terra Cimmeria区域。南部高地：Southern Highlands，北部低地：NorthernLowlands，二分结构边界：Dichotomy boundary
综合该研究的观测结果和已有的动力学数值模拟、火星存在古磁场发电机、生热元素含量等，认为该差异主要是火星不仅存在横向的温度对比，还存在径向温度变化，即南半球的温度更高，火星幔的粘滞度更低（较高的温度可以降低火星幔的粘滞度），有助于增加了火星幔对流强度。另外，火星幔不存在地球地幔物质成分的显著差异（例如地幔过渡带），使得温度差异成为驱动火星全球尺度的火星幔对流的控制因素，这有力支持了火星幔对流等内部过程形成南北二分结构的假说。
他们进一步结合地球化学和地磁场研究成果等讨论了大型陨石撞击假说。火星形成后，火星岩浆洋快速冷却并形成火星壳的时间不晚于45.47亿年，火星陨石变质学研究表明44.8亿年以来火星未发生过大型的陨石撞击事件，镥-铪同位素研究结果表明火星核发电机运行至41亿年。如果陨石撞击假说成立，大型撞击会导致壳幔熔融和二次分异并形成新的火星壳。在此过程中，火星磁场发电机稳定运行，则在北半球可形成较强的剩余磁场，但这一场景与实际磁场数据观测不符合。
他们同时强调，尽管这项研究工作基于地震观测迈出了探测火星南北二分结构成因的重要一步，但这些认识仍然需要未来火星探测任务在更大区域开展验证和支持。他们还建议开展地球克拉通和火星的比较行星学研究，因为二者在形成年龄、温压条件、物理属性等方面存在较好的相似性。例如地球不同演化程度的克拉通地幔的Q值分别与火星南北半球火星幔的Q值一致。在观测资料不充裕的条件下，通过比较行星学研究，即能够更深入地理解火星的地质历史及其内部结构，也能为解释地球早期历史提供新的视角。
研究成果发表于GRL（孙伟家, Hrvoje Tkalčić. Constraints on the Origin of the Martian Dichotomy From Southern Highlands Marsquakes[J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52(1): e2024GL110921. DOI:10.1029/2024GL110921.）。研究受国家重点研发计划“火星圈层过程”项目（2022YFF0503203）资助。
美编 | 陈永焱
校对 | 刘强
来源：中科院地质地球所
