火星“峽谷網”的地貌特徵，證實火星表面曾經有河谷和湖泊的存在

沖溝是火星表面較為年輕的水流地貌特徵，它們在亞馬遜紀形成。典型的沖溝具有三段式的形貌特徵：上部為沖蝕形成的較寬的凹穴，中部為細長的V型溝谷，底部為扇狀沉積物。但也存在其他形貌型別的沖溝，如頂部無凹穴的沖溝，極為細長的線狀沖溝等。

沖溝的寬度一般為幾米至幾十米，長度一般為數百米。目前，在火星表面已經識別出數千條沖溝，這些沖溝主要分佈在火星南北半球中緯度的陡立斜坡上，其中又以南半球30-45°S區域內的面朝南極的斜坡上最為常見。沖溝在多種地貌型別上發育，包括撞擊坑壁和中央隆起、溝谷側壁、山坡以及沙丘等。

火星沖溝的成因目前還存在爭議。MalinandEdgett（2000）認為沖溝可能是地下含水層的洩漏形成，但是依據目前對亞馬遜紀氣候的認識，當時的火星表面溫度較低，液態水並不能穩定於火星表面或淺表層。同時，部分沖溝發源於撞擊坑壁的頂部或是中央峰上，這些位置都是地下水較難存在的區域。

物質在重力作用下崩塌滑動也被認為是沖溝的可能成因，但是多數沖溝切穿了基岩層，這是崩塌作用所難以實現的。此外，沖溝的形貌特徵也表明它們不可能是由風或冰川的侵蝕形成，而當今火星的表面環境條件也使得液態二氧化碳形成沖溝的可能性較小。

Head等（2003）提出沖溝可能是在火星自轉軸傾角較大時中緯度的雪和冰融化產生的水形成。這一成因猜想也得到了模型研究以及對沖溝與冰川沉積關係的觀測結果的支援。火星湖泊主要在諾亞紀形成，南部高原廣泛分佈的峽谷網將地表水彙集在地勢較低處（如撞擊坑或撞擊盆地）而形成湖泊。

除了撞擊坑湖泊，火星表面也曾存在坑間盆地湖泊、火山口湖泊、構造湖泊等多種型別的湖泊。但是，隨著火星氣候與環境的變化，大多數湖泊在西方紀早期逐漸消失，只留下乾涸的湖泊盆地。目前，利用遙感影像資料，人們已經在火星表面識別出超過400個古湖泊。本文就將對火星古湖泊盆地開展詳細的調查研究。

對火星古湖泊的識別與研究始於對“水手9號”及“海盜號”影像的分析。雖然這些探測器獲得的影像解析度較低，很難對火星表面的古湖泊進行全面而詳細的識別與調查，但根據所發現的峽谷網等地貌特徵，以及對火星物理條件和氣候模型的研究，都支援了火星表面曾經可能有河谷和湖泊存在。

同時，由於火星表面的撞擊坑地勢低窪，很可能成為水的彙集區域，因而可以對已存在的撞擊坑進行分析，判斷撞擊坑內是否曾經存在湖泊。據此方法，早期的研究者在火星表面識別了179個撞擊坑古湖泊。

近年來，“火星全球勘測者”，“火星奧德賽（MarsOdyssey）”，“火星快車”，“火星勘測軌道飛行器（”等探測器相繼成功發射並開展探測，獲取了大量高解析度的影像和光譜資料，使得對古湖泊的全面調查和詳細研究成為可能。

目前，火星全球已識別的古湖泊超過400個，前人對這些古湖泊的地貌特徵、型別與分佈、礦物成分、形成年代等多個方面開展了研究，已經取得了大量的研究成果，但也依然存在一些需要進一步研究的問題。火星古湖泊中同樣存在一些與地球湖泊相似的地貌特徵，常見的地貌型別主要有湖相三角洲、階地、層狀沉積、暴露的湖底沉積等。

湖相三角洲是由水流攜帶的碎屑物質進入湖泊中的穩定水體時沉積形成。CabrolandGrin（2001）利用“海盜號”影像資料，識別了75個可能的湖相三角洲，並對其形貌特點進行的研究。

三角洲的形貌可以反映水流所攜帶物質的粒徑組成，水動力條件以及三角洲形成時的環境條件（如在冰下，靜水，地表環境）等，對於古湖泊的識別及其形成環境的探討具有極為重要的意義（Tokano，2005）。例如，火星上的一些三角洲具有較大的分佈面積，這指示了三角洲形成時具有較為穩定的環境條件。

而在地球上，如此大規模的三角洲需要數千年時間形成。因而，火星上大規模三角洲的存在可能指示了火星表面曾經有大型湖泊穩定存在。但需要注意的是，並非所有的扇狀沉積都是由水流作用形成，崩塌和風的作用也可能形成扇狀沉積，需要仔細分辨這些扇狀沉積與湖相三角洲的形貌差異。

階地一般出現在古湖泊的邊緣附近，它們可能是由早期的地表或撞擊坑底部被水流侵蝕並向盆地外部搬運而形成。但是，也有一些階地是由撞擊坑邊緣的物質在重力作用下滑塌形成，而與水流作用無關。LeveringtonandMaxwell（2004）認為，撞擊坑內的階地也可能是岩漿湖中的岩漿撤退形成。

因此，需要利用高解析度影像資料，對階地及其相關地貌特徵進行詳細的分析，區分不同成因的階地。一般而言，撞擊坑中連續而平滑的環狀階地可能與流水的侵蝕有關。隨著高解析度影像的獲得，層狀沉積在火星表面被廣泛發現。冰川、風、火山以及水的地質作用都可形成層狀沉積。

一般而言，在形貌方面，湖泊沉積形成的層狀沉積物與其他地質過程形成的層狀沉積相比具有以下特點：首先，在高程上，湖泊層狀沉積物位於湖泊外流水道的水位之下，同時，層狀沉積應在其他任何發生表面改造的地層單元之下；其次，層狀沉積在整個盆地內出露的剖面上應該是連續的。

第三，出露的層應該只分布在古湖泊之內或其他低窪區。透過對層狀沉積的形貌特點和礦物成分的研究，可以得到古湖泊內沉積物的體積，推算出古湖泊在活動時期的水量（水位），同時，也可以反映古湖泊活動的週期性，揭示古氣候與古環境的變化。

例如，蓋爾撞擊坑中的層狀沉積被認為是古湖泊存在的證據之一，層狀沉積的成分顯示出由粘土礦物向硫酸鹽礦物的變化層序，結合年代學研究結果，Milliken等（2010）認為這可能反映了火星氣候在諾亞紀-西方紀之交由溼潤向乾燥轉變。

暴露的湖底沉積物是位於古湖盆底部的淺色、多丘、被侵蝕的物質，它們一般被髮生表面改造的單元所包圍或位於這些單元之下（Goudgeetal。，2012a）。證明撞擊坑底部的物質為湖泊成因的證據主要有：首先，這些沉積物一般位於任何其他經歷了後期改造的地層單元之下，且常常被後者包圍。

其次，它們一般為明亮至中等色調，可能為蒸發沉積形成的硫酸鹽礦物；第三，這些沉積物只分佈於撞擊坑內部。但是，應注意區分撞擊坑內的中央峰或中央峰環物質，避免將其與湖泊沉積物相混淆。在地球上，對湖泊的分類可以根據湖泊的物理、化學、生物過程以及區域分佈、形成與演變過程的特點等。

但是，對於火星，我們對其地質歷史時期的物理、化學環境的認識有限，且目前並未發現生物存在的有力證據。因此，研究者主要透過分析已獲得的火星遙感資料，以地貌學為基礎對古湖泊進行分類。

例如，根據湖泊地形的產生原因分為構造湖泊、火山口湖泊、撞擊坑湖泊；根據湖泊盆地與峽谷的相對位置分類；根據水動力學體系分類，等。

其中，較多采用的方法是根據由河道與湖泊盆地組成的河湖系統的特徵，判斷湖泊的水動力學體系，將古湖泊分為三類：封閉系統古湖泊（或稱為具有封閉盆地的古湖泊）、開放系統古湖泊（或具有開放盆地的古湖泊）以及湖泊鏈系統。封閉系統是指只有水流入的通道，而未發現流出通道的古湖泊系統。

開放系統是指同時具有水流入和流出通道的古湖泊系統；湖泊鏈系統則是由一系列古湖泊透過一個或多個河谷相連，構成一整套湖泊系統，而位於該系統最末端的湖泊可能是開放或封閉系統。

其中，對於封閉系統古湖泊，Goudge等（2015）又將其分為兩類，第一類為具有較短的供給河道的封閉系統古湖泊，第二類為具有較長的供給河道的封閉系統古湖泊，並以20km作為供給河道長度的劃分界限。如此分類是考慮到供給河道的長度可能與古湖泊水的來源及湖泊壽命相關。