火星全球表面大致以对其赤道倾斜30°的大圆分成南、北不对称的两半球（见图6-44）。南半球是严重陨击的高地（比“海平面”高1～4 km），较暗而古老；北半球是陨击较少的平原，较亮而年轻，有两个高的火山区及广泛熔岩流。尽管有风、水和冰的广泛改造，陨击记录仍有保留。火星上广阔隆起区域集聚大的火山。延展的断裂体系割断表面，形成了广泛的河床。几个区域经历了大规模泛滥。极冰附近区已遍历改造。
图6-44 火星的表面
火星表面的多种地貌可分为四类单元：古老单元、火山单元、已改造单元、极区单元。
1）古老单元
火星南半球高地有很多大陨击坑（包括盆地），说明那里古老，可能38亿年前就形成了。但火星与月球的高地也有差别：在火星上，陨击坑受了较多剥蚀；常有分叉的谷穿过高地；在陨击坑之间有辽阔的平坦区，可能是陨击之后的火山活动所致。
火星赤道附近的陨击坑形貌与高纬高地的也有差别（见图6-45），前者有锐的坑缘、溅射沉积的脊和崖；后者坑缘钝，其他特征不显著，说明高纬表层存在冰，而赤道附近无冰。
图6-45 赤道附近陨击坑（左）与高纬高地陨击坑（右）
大多数15 km以下的陨击坑是简单的碗形坑，更大的是有中央峰的复杂坑，100 km以上的是有同心环的盆地。火星有23个盆地。海腊斯（Hallas）盆地最大，形近扁圆，长轴和短轴分别为2000 km和1600 km，深为4 km，其外缘山环不规则，盆地底部被尘沙掩盖（见图6-46）。艾西迪斯（Isidis）盆地次之，大小约为1200 km，侵蚀比海腊斯盆地严重。阿基尔（Argyre）盆地第三，大小约为700 km，保存程度好，较年轻。
图6-46 海腊斯盆地
2）火山单元
火山单元包括火山建造、火山平原、陨击平原。火山建造主要在塔西斯（Tharsis）区，约为4000 km宽，隆起高达10 km，其西北部有三个盾形火山（底部宽为350～400 km、顶部火山口为60～120 km，深为3～4 km）；它们西北有火星最大的奥林匹斯（Olympus）盾形火山，其底部宽约为600 km，高于火星“海平面”26 km，顶部火山口为80 km，周围熔岩流延展到1500 km，有熔岩峰悬崖及崩塌，它们比地球的夏威夷火山规模大得多（见图6-47）。其次是天堂（Elysium）区，约为2500 km。这些火山较年轻。陨击平原上的蜿蜒脊也可能是火成的。
图6-47 塔西斯区（右上）、奥林匹斯盾形火山（左上）与地球夏威夷火山的剖面对比(www.xing528.com)
3）已改造单元
此类单元包括不同成因的未分类平原、多丘带、河床等，位于北半球低地及两半球交界区。火星上有多种多样的干涸河床（channels，见图6-48左），有流水冲刷特征（阶状壁、流线型岛、沙洲），主要可分为两大类：径流河床和溢流河床。径流河床很像地球的干涸河谷，广布于南半球陨击高地，有些呈河网状，长几百千米，有许多小支流汇成大河床，它们可能是严重陨击期后——有浓厚而温湿大气且于降水时期形成的。溢流河床是赤道区的巨大谷系，谷宽10 km以上，长几百千米，可能是洪水泛滥形成的。河床地区的陨击坑比河床年轻，估计火星的洪泛发生在35亿年前的较短时间内。
赤道偏南有巨大峡谷体系（valleys）——水手谷（见图6-48右），它西部始于塔西斯隆起区的复杂断裂带，向东绕赤道区
以上，长为4000多千米，宽为150～700 km，深为2～7 km，主要是构造成因的巨大裂谷，也被各种（包括流水）侵蚀和沉积过程改造过。
图6-48 干涸河床（左）及水手谷及其局部高分辨像（右上、右下）
4）极区单元
望远镜中常看到火星的白色极冠，随季节变化。因火星过近日点是南半球的夏季，南极冠可完全消融，而北极冠在其夏季也不完全消融。极冠主要是干冰（CO2），也有水冰，但火星大气中水汽总量不多，如果全部凝结覆盖全球也仅0.01 mm厚。那么，火星的大量水在哪里呢？着陆器分析表明，表面物质约含1%的束缚水，有地下水和永冻土。早在1894年偶然观测到火星视面中央发生闪亮，后来又多次见到，直到2001年才确认是真实的并预报再现，同年6月果然如期拍摄到闪亮。闪亮原因是火星表面的片冰，或霜，或冰晶云像镜子那样把直射太阳光反射到地球上，奥德赛（Odyssey）飞船的γ射线和中子谱仪探测到火星表面附近水的标志，其中就有闪亮地方。
火星极区冰冠下为层状沉积，边缘是悬崖和阶地，各层厚为10～50 m，是周期性风成过程沉积成的。北纬70°～85°有宽约为500 km的广阔沙丘带延至层状沉积边界（见图6-49），还有风侵蚀或风沉积地貌，诸如伴随陨击坑的多样沙纹、沙丘、坑缘破坏、悬崖切沟（见图6-50）。
图6-49 白色极冠和沉积层
图6-50 火星表面的沙丘
海盗1号着陆于黄金平原（Chryse Planitia），那里如同地球的多岩沙漠，呈黄褐色，火箭气流吹过露出干裂的多边形土壳。海盗2号着陆于乌托邦平原（Utopia Planitia），平原表观相似，但更多的是角状、较平滑多孔（可能是火成）岩石。多个“火星车”登陆巡查火星表面情况，发现那里有大大小小的岩石和沙尘。岩石有各种颜色、形状、结构，可能反映不同来源和不同的表面暴露时间。很多岩石有棱角，表面有粗糙小坑，是陨击开掘的当地火山岩。着陆处的岩土与地球洋底的典型玄武岩成分不同，火星岩石更富含挥发性元素（钾、钠、硫）且铁镁比率较高，含硅多。不同于月壤，火星的细粒碎屑（土）不是粉岩，而是化学风化过程（氧化和水合）产物，近表面结成脆板，据此推断火星的表土由富铁黏土、镁硅酸盐、氧化铁、碳酸盐组成，黄褐色是因含磁赤铁矿所致。
图6-51 在火星上的勇气号（想象图）（左）找到疑似水的证据（右）
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