综述：火星地壳的组成及其与火星地幔的关系：洞察号任务后的视角

《REVIEWS OF GEOPHYSICS》：Composition of the Martian Crust and Its Relationship to the Martian Mantle: A Post-InSight View

　　

摘要

协同探索以及火星陨石数量的十倍增长揭示出一个主要为古老（>4 Ga）、岩性多样的铁镁质地壳（火成岩 SiO₂ 范围从约 40%–70%），通常表现出碱性亲缘性，且长英质成分局限于古老地壳。大部分地壳生长（～80%）发生在诺亚纪前，是岩浆洋过程的结果。随后的地壳增生以递减的速率持续至最新的亚马逊纪（<200 Ma）。第一台全功能运行的地震仪（洞察号任务）的数据表明，地壳平均厚 49 ± 7 公里（约占原始地幔的～4 ± 1%），在约 20–30 公里深处存在一个壳内不连续面，可能具有全球范围。洞察号的结果还表明，在幔底部存在一个约 150 公里厚的熔融硅酸盐层（MSL），可能是早期岩浆洋的残余。MSL 代表一个独特的、富集不相容（包括产热）元素的地球化学储库，其物理尺寸与地壳相当。火星地壳成分模型表明，其成分为轻微不相容且富集产热元素的玄武质（例如，SiO₂ = 48%，K₂O = 0.5%，La_N/Yb_N ～ 1.8），随着地质时间的推移，其不相容元素富集程度降低。地壳的岩石学性质可能随深度以复杂的方式变化，这可能解释了壳内地震不连续面。地壳含有原始地幔中约 45 ± 10% 的最不相容元素，且这一成分与地壳、MSL、“亏损”地幔和原始地幔之间的质量平衡模型一致。可以构建一个火星地球动力学模型，该模型与目前可用的地球物理和地球化学约束一致。

通俗语言摘要

最近的研究结果表明，火星地壳主要为古老（大于 40 亿年），由成分多样的火成岩组成。大部分地壳形成于 42 亿至 44 亿年前的全球“岩浆洋”阶段，较年轻的地壳以递减的速率持续形成，直到接近现今。美国宇航局 2018 年的洞察号着陆器部署了一台地震仪，测得地壳平均厚 49 ± 7 公里。它还检测到了地壳中间的一个地震边界，表明岩石的化学和/或物理性质发生了变化。洞察号的测量结果还表明，在幔底部存在一个 150 公里厚的熔融层，可能也是岩浆洋的残余，其中富集产热元素（HPEs）（钾、钍、铀）。火星地壳具有玄武质成分，轻微富集那些最富集于火成熔体中的元素。这种富集程度在地质时间上已减弱。地壳的性质随深度以复杂但尚不清楚的方式变化。地壳含有该行星一半的产热元素存量，这与平衡地壳、地幔和深部熔融层成分的模型非常吻合，无论是现今还是它们在地质时间上的演变。

利益冲突

作者声明本研究不存在相关利益冲突。

可用性声明

本研究使用的数据已发表和/或归档，可从引用的个别论文中获取。2001 年火星奥德赛伽马射线光谱数据可从行星数据系统（PDS）的地球科学节点（GEO）获取（Boynton， 2007）。Khan 等人（2023a）的径向地震模型可从法国地球物理研究所研究集合（IPGP Research Collection）在线获取（Khan 等人， 2023b）。第 7 节中的地球动力学模型可从 Zenodo 数据仓库获取（Cheng， 2026）。