太阳系最高的火山！这个地球的火山可比不了

作者：张婷/中国科学院地质与地球物理研究所

提到火山，大家都知道这在地球上很普遍，那么大家知道太阳系最高的火山吗？

壹

火星与地球特征对比

与地球这颗蓝色星球相比，火星作为太阳系第四大行星，因为表面一些铁锈物质分散在大气中，看起来是一颗红色星球。直径约地球1/2，其体积大约是地球的1/6，质量是地球的1/10，公转时间约为地球的1.9倍。与地球相似，火星也有季节变化、极地冰盖、火山、峡谷、沙漠、风化等。

图1.火星全貌图

图2.火星与地球的体积、质量、密度对比。

图3.火星与地球温度对比，火星的温差范围更大。

图4.火星与地球的重力对比。上下图反映人的质量与重力的关系，地球的重力大约是火星的2.6倍(图1~4来源：NASA 官方网站)

贰

火星探测

20世纪60~70年代，自美国国家航天局成立，火星成为NASA 深空探测的最主要对象。NASA发射了一系列火星轨道探测器、火星软着陆探测器、以及包括“勇气号”、“机遇号”、“好奇号”等火星车，火星轨道遥感探测拍摄了大量高分辨的火星表面形貌图像。火星表面展现广泛的地质形貌，包括冲击坑、峡谷、火山等。

叁

太阳系最高的火山

火山，是地幔或地壳岩石经过融熔形成的液相熔体，夹带部分固体及挥发分共同组成高温粘稠的岩浆喷出地表形成，具有特殊形态的地质结构。现代地球火山多数沿着板块边界分布，少数位于板块内部。由于火星没有板块运动，火星的火山都不是板块碰撞形成。

火星表面有许多火山，太阳系目前最高、最大的火山奥林匹斯火山（Olympus Mons），位于萨希斯地区(图6-a),高达25千米，直径可达600千米，其覆盖面积大约相当于整个亚利桑那州（图5）。

图5. 奥林匹斯火山（Olympus Mons）与美国亚利桑那州对比。(图片来源：NASA官方网站)

奥林匹斯火山（Olympus Mons）以希腊神话众神的居所命名，在希腊神话中，奥林匹斯山是主神宙斯的居所。此外，希腊万神殿中最重要的神也在顶峰拥有自己的宫殿。根据神话，奥林匹斯山的顶峰高耸入云，冰雪覆盖。它是希腊最高的山，坐落在马其顿和塞利的边界上。

图6.a.火星全球形貌图。左侧是南半球，地势高；右侧是北半球，地势低，展现南北二元特征。萨希斯火山省(Tharsis)靠近赤道，在200°E~300°E之间。包括巨大的东西走向的水手大峡谷及几座盾状火山，奥林匹斯火山（Olympus Mons）(18°N, 225°E) b. 奥林匹斯火山的形貌图（Smith et al.,2001）。

奥林匹斯火山（Olympus Mons）是典型的盾状火山（图6-b），由一系列粘度低的岩浆堆积形成（Fabio Vittorio De Blsdio,2012）。具有中心崩塌的火山口（图7），非常缓和的翼侧。主火山边部是高度达8~9千米的非常陡峭的悬崖，倾角10~15°，这种构造特点与地球夏威夷的火山相似(Morgan et al., 2003)。

图7.左图是奥林匹斯火山（Olympus Mons）的3-D图象，右图是奥林匹斯火山（Olympus Mons）的山顶破火山口。(Morgan et al., 2003)

在主火山北部和西部周围是绵延200~700千米的接触带沉积物晕（图6-b）（Basilevsky et al.,2004），其产生原因可能是熔岩流作用、火山底座变形、灾难性滑坡、以及由于冰、地下含水导致的滑坡。该火山在最近100~200个百万年，仍然有小程度火山作用（图8）。关于该火山将来是否喷发，科学家目前没有具体明确的证据。

图8.奥林匹斯火山（Olympus Mons）破火山口顶峰，6个巢状的破火山口。（Basilevsky et al.,2004）

科学家结合古地形、曲折模型、火山口的滞留时间限定奥林匹斯盾状火山（Olympus Mons）的喷发历史,该火山活动时间跨度大，达36.7亿年之久。

在初始盾状建造形成期间最低喷发率是0.003-0.015km3/yr。在盾状建造后期，由于动力机制改变，熔体产生以及喷发情况改变，导致喷发率降低2~3个数量级。之后是长时间持续以低喷发率喷发，与地球上的热点火山作用相似（Isherwood.RJ.,2013）。

根据形貌及喷发方式，冒纳罗亚火山与之相似。其是夏威夷海岛上的一个活跃盾状活火山，岩浆来自夏威夷热点，喷发至少70万年，冒纳罗亚山海拔4169米，总高度约10千米，直径约120千米。其体积是奥林匹斯火山（Olympus Mons） 的1/10。不过，整个夏威夷群岛正好可以被奥林匹斯火山（Olympus Mons）囊括在内（图10）。随着太平洋板块的缓慢漂泊，冒纳罗亚火山最终被带离热点，并将在50到100万年后停止喷发。

图9.冒纳罗亚火山顶峰

(图片来源：维基百科)

图10.奥林匹斯火山（Olympus Mons）与夏威夷群岛（深灰色）面积对比。箭头方向是北。（Mouginis-Mark et al.,1992）

肆

形成原因

火星萨希斯区域的火山比地球上任意一个火山都大10~100倍。奥林匹斯火山（Olympus Mons）成为太阳系最高、最大的火山也是必然结果。

1、与火星的表面重力较低有直接关系。随着熔岩流动、扩散形成盾状火山，火山最终高度与其支撑高度的能力有关。表面重力越低，火山的高度越高。例如地球表面重力是火星的大约2.6倍，夏威夷岛冒纳罗亚盾状火山总高度约10千米，奥林匹斯火山（Olympus Mons）高度约25千米。

2、火星没有板块活动，不会像地球板块运动那样带来沧海桑田的变迁；地球上的热点是固定的，但是板块会在其上面移动。例如，与夏威夷群岛就是太平洋板块在固定的热点上方向西北移动产生的。所以岩浆量就被分配到几个火山，而不是集中到一个火山。火星上热点固定，板块也固定，那么岩浆可在用一个位置累积，就可以形成大火山。（图11）

图11.分别是夏威夷热点与火山的关系，火星热点与火山的关系。（图片来源：NASA官网）

3、 另外火星表面虽有风化，但不会像地球一样遭受严重剥蚀，如化学风化、生物风化、物理风化。

4、火星奥林匹斯盾状火山（Olympus Mons）活动时间跨度大，达37亿年之久，多期次喷发，提供丰富的物质来源。火山喷发速率高，岩浆量大，岩浆粘度相对低，坡度缓，跨度广。

参考文献：

A.T.Basilevsky et al., 2004. Morphology and Geological Structure of the Western Part of the Olympus Mons Volcano on Mars from the Analysis of the Mars Express HRSC Imagery. Solar System Research, Vol.39, No2. pp.85-101.

Fabio Vittorio De Blasio ., 2012. Conceptual model for the origin of Olympus Mons cliffs, Mars: An essential on fluence of water? Planetary and Space Science 69,105-11.

Peter J Mouginis-Mark and Mark S Robinson., 1992. Evolution of the Olympus Mons Caldera, Mars. Bull Volcanol 54:34.

Ryan J. Isherwood et al., 2013. The volcanic history of Olympus Mons from paleo-topography and flexural modeling. Earth and Planetary Science Letters 363 , 88–96.