基于地球河流扇預(yù)測模型的火星地表水徑流量預(yù)測

張?jiān)?，張森，黃云英，孫世坦，袁曉冬，王敏，張曉晗，陳冬

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083

2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)研究院，北京 100083

3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

4.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

0 引言

自20世紀(jì)60年代起，人類對火星的探測從未間斷，并在火星沉積學(xué)、地形地貌、物質(zhì)成分、水環(huán)境等方面有所進(jìn)展[1]，隨著天問一號在烏托邦平原的成功著陸，我國的火星探測也進(jìn)入了新的歷史階段。

水活動歷史和沉積體系演化一直是火星研究的中心主題，而且二者通常相互關(guān)聯(lián)。許多研究表明火星上具有豐富的沉積歷史、水環(huán)境歷史、古生命跡象等[2-5]。在火星的后期演化中，其水分和大氣逐漸逸失，導(dǎo)致火星氣候干燥、溫度下降、大氣稀薄[6],氧化作用、水活動和化學(xué)風(fēng)化隨之減弱，最終使火星早期沉積演化的產(chǎn)物更容易保存下來[7]。這為通過沉積學(xué)研究推測火星水活動提供了可能[8-9]。

目前，大多數(shù)研究者通過遙感探測、光譜成像、衛(wèi)星圖像等技術(shù)對火星水活動歷史和沉積體系進(jìn)行研究[10-14]。來自火星隕石的同位素證據(jù)和來自大氣測繪數(shù)據(jù)的解釋表明，火星在Noachian 早期（大約在4 100 Ma 之前）可能存在一個(gè)全球地表水水庫[15]。McCubbinet al.[16]和Hurowitzet al.[17]對火星上的含水巖漿作用探究發(fā)現(xiàn)，含水巖漿活動可能是古代地表水的重要來源。有大量的地貌學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)表明早期火星上存在液態(tài)流體，但其性質(zhì)可能與地球上的水不同。Fukushiet al.[18]通過對Gale隕石坑內(nèi)環(huán)形山湖泊沉積物進(jìn)行分析，證實(shí)了早期Gale 湖水的高鹽度性，并認(rèn)為火星表面流體偏酸性，碳酸鹽礦物的選擇性溶解廣泛存在。同時(shí)，沉積體系研究也是水活動歷史研究的一部分[19-20]。許多研究者推測火星上大量溝壑地形，特別是火星南部高地的數(shù)百個(gè)溝谷網(wǎng)絡(luò)，是由液態(tài)水所沖蝕而成[21-25]。而火星上不斷被發(fā)現(xiàn)的類似地球的三角洲、沖積扇和河道沉積也是地表水曾經(jīng)存在的重要依據(jù)[26]。美國航空航天局的“機(jī)遇號”曾在Meridiani 平原發(fā)現(xiàn)了層狀沉積巖，Squyreset al.[14]的研究表明這種層狀沉積巖是由水侵蝕產(chǎn)生的硅酸鹽、硫酸鹽、赤鐵礦等物質(zhì)構(gòu)成。Morganet al.[12]在研究火星Saheki 隕石坑沖積扇時(shí)發(fā)現(xiàn)，Saheki扇中的大部分層狀沉積物由漫灘沉積和淺水湖泊沉積的細(xì)沉積物組成。

綜上，眾多學(xué)者通過對火星上沉積物和沉積巖的研究，均推測火星在地質(zhì)歷史中存在較為活躍的水環(huán)境，并且改變了火星上的大量巖石[11]。但是，對火星上地表水的規(guī)模、流量、降水量等定量參數(shù)缺乏有效的研究手段。

2016 年，Birchet al.[27]通過研究土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六上沖積扇和河流扇的形成與分布，推斷了河道徑流量對扇體演變的影響，并且將扇形沉積體的沉積特征與地球上相似的沉積體進(jìn)行了對比。與地球相比，火星的質(zhì)量、重力加速度較?。ɑ鹦巧系闹亓铀俣葹?.71 m/s2，僅為地球上的37.9%）?；鹦桥c地球在重力加速度方面存在差異，而重力對水流作用和沉積物運(yùn)移均有影響[28]。在低重力環(huán)境下，火星的水流作用變?nèi)?，顆粒運(yùn)動和懸浮所需的剪切應(yīng)力值也降低。因此，火星和地球在沉積物運(yùn)移能力上差異不大[29]。這為通過沉積體系研究火星地表水活動提供了一個(gè)思路，也可以進(jìn)一步論證地外行星存在水的證據(jù)以及恢復(fù)其古沉積環(huán)境等[21]。河流扇的概念是在沖積扇的研究中逐漸演化和分離出來的。Schumm[30]于1977年在The Fluvial System一書中將河流作用引入具有穩(wěn)定流體供給的扇形沉積體中，是河流扇概念的基本雛形。2020年，河流扇被定義為一種發(fā)育在山口或平原地帶，內(nèi)部以河流沉積作用為主，在地質(zhì)時(shí)間尺度上形成沿上游頂點(diǎn)向下游區(qū)域發(fā)散的扇狀沉積體[31]。相較于觀測火星上的沖積扇，河流扇具有更大的面積和更穩(wěn)定的河道供給。這些特征使其比沖積扇更容易觀測。而且，沉積過程的相對穩(wěn)定也使得通過河流扇研究水活動歷史成為了可能。

通過建立地球河流扇數(shù)據(jù)集和扇體預(yù)測模型，對火星河流扇進(jìn)行識別和分析，進(jìn)而定量推測火星局部區(qū)域的地表水徑流量及其來源。該研究將為進(jìn)一步深入研究火星地表水活動提供一個(gè)新的方法。

1 地球河流扇數(shù)據(jù)集的建立

1.1 地球河流扇數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)代河流扇沉積的識別和數(shù)據(jù)采集主要利用美國谷歌公司的衛(wèi)星圖片。通過對世界范圍內(nèi)的河流扇進(jìn)行識別和全方位測量，建立包含河流扇形成和發(fā)育信息的數(shù)據(jù)集。

對全球范圍的河流扇識別，主要分三個(gè)步驟：首先，對全球河流進(jìn)行檢索，標(biāo)定山區(qū)季節(jié)性河流和常年穩(wěn)定性河流，篩選出河流扇最有可能發(fā)育的區(qū)域。其次，在篩選出的區(qū)域進(jìn)行河流扇的初次判別。判別標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）上游方向有穩(wěn)定的水道供給，在某一點(diǎn)（頂點(diǎn)）向下游方向呈放射狀展布，形成扇形沉積體；（2）海拔高度自頂點(diǎn)向河道下游方向下降；（3）從頂點(diǎn)往下游方向沒有其他支流匯入；（4）終止于陸地（鹽湖、濕地、末端干涸），終止于軸向河流，或終止于穩(wěn)定水體（湖泊、海洋）。最后，需要對識別出的扇體進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)，并根據(jù)河流扇的發(fā)育背景和沉積特點(diǎn)，把沖積扇、三角洲等相類似的沉積體排除[31]。

采集的數(shù)據(jù)主要包含平面發(fā)育要素?cái)?shù)據(jù)和控制因素?cái)?shù)據(jù)兩大類。

平面發(fā)育要素?cái)?shù)據(jù)主要包括河流扇長度、寬度、面積、內(nèi)部河道形態(tài)及末端終止類型。長度是指扇體的頂端至扇端邊緣的距離；寬度是二分之一長度處的扇體寬度中值；面積包含活動的扇體面積和廢棄部分的面積；扇體類型是根據(jù)扇體是否發(fā)育受限劃分；河道樣式是指扇體內(nèi)部的河道形態(tài)；終止類型主要是終止于陸地、軸向河流或穩(wěn)定水體。

控制因素?cái)?shù)據(jù)是指不依賴于扇體本身的各類環(huán)境參數(shù)。我們錄入了7 種控制因素?cái)?shù)據(jù)。盆地類型數(shù)據(jù)是通過美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的全球盆地分布圖確定；氣候類型數(shù)據(jù)和降雨量數(shù)據(jù)通過美國氣象局公布的全球氣候分布帶和全球降雨量分布確定；經(jīng)緯度、坡度、集水區(qū)面積和扇體至山前距離數(shù)據(jù)則是通過谷歌地圖內(nèi)的定位、測距、測高和測量面積這四個(gè)功能采集，數(shù)據(jù)類型及單位見表1。

表1 河流扇數(shù)據(jù)類型采集表Table 1 Fluvial fan types

1.2 地球河流扇的分布和特征

通過采集到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全球河流扇分布具有明顯的緯度分帶特征。大多數(shù)扇體發(fā)育在中緯度地區(qū)。在北半球，河流扇集中在30°～50° N 緯度帶（49.5%），在南半球集中在15°～35° S 緯度帶（21.9%），這兩個(gè)緯度帶發(fā)育了全球（71.4%）的河流扇（圖1）。

圖1 河流扇全球分布情況條形圖為各緯度河流扇的發(fā)現(xiàn)數(shù)量，紅框?yàn)?個(gè)主要發(fā)育區(qū)Fig.1 Global distribution of fluvial fans the bar chart shows the number of fluvial fans found in different latitudes,the red box shows four main development areas

此外，河流扇在不同的氣候、盆地類型下的分布也存在明顯差異。河流扇主要分布在半干旱和干旱氣候條件下，分別占統(tǒng)計(jì)樣本總量的68.4% 和14.4%。熱帶季風(fēng)氣候下也較為常見，為8.4%，其他氣候下發(fā)育的河流扇相對較少（圖2a）。如圖2b 所示，河流扇主要發(fā)育在前陸盆地內(nèi)，占統(tǒng)計(jì)樣本總量的50.9%，克拉通盆地和大陸裂谷盆地占比分別為23.3%和12.3%。河流扇在被動陸緣盆地、弧前盆地、弧后盆地發(fā)育較少，在走滑盆地中河流扇發(fā)育最少，僅為1.3%。通過對河流扇形成和發(fā)育的控制因素分析，發(fā)現(xiàn)干旱和半干旱氣候下的前陸、克拉通和大陸裂谷盆地都有利于河流扇發(fā)育。其中，氣候條件具有明顯的規(guī)律性，三種有利的盆地構(gòu)造類型分別屬于擠壓性、拉張性和穩(wěn)定性的克拉通等盆地。這說明相對于構(gòu)造條件，氣候是河流扇形成的關(guān)鍵條件。

圖2 河流扇在不同氣候和盆地類型下的發(fā)育情況（a）不同氣候下的河流扇發(fā)育情況；（b）不同盆地類型下的河流扇發(fā)育情況Fig.2 Development of fluvial fans in different climates and basin types(a) development of fluvial fans in different climates;(b) development of fluvial fans in different basin types

河流扇形狀大多為自頂點(diǎn)向下游發(fā)散的扇體，其中部分扇體受附近地形地貌的影響，向兩側(cè)發(fā)散受限，最終發(fā)育成狹長的帶狀扇體。據(jù)此，將河流扇分為限制型河流扇和非限制型河流扇。非限制型扇體是指不受周圍地形明顯限制，扇體形態(tài)完整，圓心角大于90°。限制型扇體是指受到高山或峽谷影響，呈條帶狀，圓心角通常小于90°。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，限制型河流扇占比為46%，非限制型河流扇占比為54%（圖3a）。限制型扇體長寬比的最大值為6.98，最小值為0.54，平均值為2.07；而非限制型扇體的長寬比的最大值為5.12，最小值為0.37，平均值為1.60（圖3b）。總體上，發(fā)育狹長的限制型河流扇，長寬比相對較大。

圖3 河流扇外部形態(tài)比例（a）外部形態(tài)比例；（b）外部形態(tài)與長寬比關(guān)系Fig.3 Proportion of fluvial fan shapes(a) external morphological proportion;(b) relationship between external morphology and aspect ratio

2 地球河流扇發(fā)育面積預(yù)測模型

2.1 河流扇形成和發(fā)育面積的控制因素

基于數(shù)據(jù)集，我們發(fā)現(xiàn)構(gòu)造、氣候是控制河流扇發(fā)育的兩大環(huán)境因素。在此基礎(chǔ)上，分析了影響河流扇發(fā)育面積可量化的直接因素，包括緯度、區(qū)域年平均徑流量、集水區(qū)面積、距山前距離等。

河流扇面積主要集中在100～10 000 km2，其中100～1 000 km2占 比41.4%，1 000～10 000 km2占 比35.1%（圖4a）。通過對河流扇發(fā)育面積與各類控制因素作相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，河流扇發(fā)育面積與緯度、地形坡度、集水區(qū)面積、距山前距離、年平均徑流量都有正相關(guān)關(guān)系。

圖4 河流扇面積分布及控制因素（a）河流扇面積分布；（b）面積與緯度（北緯）；（c）面積與年徑流量；（d）面積與坡度；（e）面積與集水區(qū)面積；（f）面積與山前距離Fig.4 Distribution of fluvial fan area and controlling factors(a) fluvial fan area distribution;(b) area and latitude (north latitude);(c) area and annual runoff;(d) area and slope;(e) area and catchment area;(f) area and piedmont distance

首先，河流扇的面積與所在緯度有一定關(guān)系，在北半球，扇體的面積隨著緯度的增加而減?。▓D4b）。緯度與氣溫直接相關(guān)，這反映了溫度對扇體面積的強(qiáng)烈作用。在中低緯度地區(qū)，溫度較高，且由于地勢平坦，河流扇內(nèi)部河道的流向受地形的限制小，更容易發(fā)散，從而形成面積更大的河流扇體。由于南半球陸地面積小，河流扇發(fā)育主要集中在澳大利亞的干旱地區(qū)（圖1），扇體的面積和緯度之間并無明顯規(guī)律。

其次，河流扇的面積與坡度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，扇體的面積隨著坡度的增加而減?。▓D4c）。面積大于1 000 km2的扇體坡度普遍小于1°。面積大于10 000 km2的扇體坡度普遍小于0.1°。

扇體面積和山前距離也具有很好的線性關(guān)系（圖4d），河流扇距離山口越遠(yuǎn)，形成的河流扇面積越大，反映了地形地貌對扇體面積的強(qiáng)烈控制作用。河流扇距離山口遠(yuǎn)，坡度降低，同時(shí)也表明河流扇上游河道的輸移能力較強(qiáng)，更容易形成面積較大的河流扇。

最后，河流扇面積和集水區(qū)面積呈明顯的正相關(guān)（圖4e），相關(guān)系數(shù)達(dá)0.445。集水區(qū)面積越大，形成的河流扇面積越大。同時(shí)，河流扇面積與集水區(qū)年徑流量也具有一定的線性關(guān)系（圖4f），反映了物源供給對扇體面積的控制作用。集水區(qū)年徑流量大的河流扇，其物源供給更加充分，更易形成面積更大的河流扇。

2.2 河流扇發(fā)育面積的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

為了保證預(yù)測模型的有效性，預(yù)測模型的參數(shù)應(yīng)與河流扇體發(fā)育的控制因素有關(guān)，且易于獲取。基于控制因素分析，氣候、構(gòu)造、物源條件是河流扇形成的主要控制因素。從河流扇數(shù)據(jù)集分析結(jié)果來看，扇體面積與緯度、降雨量、坡度、集水區(qū)面積和山前距離關(guān)系最密切（圖5a）。研究采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立扇體的非線性預(yù)測模型。通過對345 個(gè)河流扇樣本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并對5%的獨(dú)立樣本進(jìn)行檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)河流扇的面積與年徑流量、緯度、距離山口距離、地形坡度及集水區(qū)面積具有很好的相關(guān)性。訓(xùn)練樣本的擬合相關(guān)性達(dá)0.889（圖5b），測試樣本的擬合相關(guān)性達(dá)0.912（圖5c）。

圖5 地球上河流扇面積的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測（a）河流扇面積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練示意圖；（b）訓(xùn)練樣本預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比；（c）測試樣本預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比；（d）非限制型訓(xùn)練樣本預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比；（e）非限制型測試樣本預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Fig.5 Neural network prediction of the areas of fluvial fans on Earth(a) schematic diagram of fluvial area neural network training;(b) comparison between training sample prediction results and measured results;(c) comparison between the predicted results of test samples and the measured results;(d) comparison between the predicted results of unrestricted training samples and the measured results;(e) comparison between the predicted results of unrestricted test samples and the measured results

由于河流扇可以根據(jù)外部形態(tài)分為限制型和非限制型兩種類型。這兩種類型由于受控制因素的影響不同，其預(yù)測模型也必然不同。相比較而言，非限制型扇體由于扇體形態(tài)的發(fā)育受限制比較小，和控制因素之間的相關(guān)性更高?；谏鲜龇治?，通過對186個(gè)非限制型河流扇樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，并隨機(jī)抽取10個(gè)獨(dú)立樣本進(jìn)行檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)非限制型河流扇的面積與年徑流量、緯度、距離山口距離、地形坡度及集水區(qū)面積具有更好的相關(guān)性。訓(xùn)練樣本的擬合相關(guān)性達(dá)0.998（圖5d），測試樣本的擬合相關(guān)性達(dá)0.949（圖5e）。

3 火星河流扇的識別和及對比

3.1 火星河流扇的識別

在火星南部高地廣泛分布著形成于諾亞紀(jì)和西方紀(jì)時(shí)期的網(wǎng)狀河谷和沖溝[25,32-33]。網(wǎng)狀河谷單個(gè)寬度一般小于5 km，長度可達(dá)數(shù)百至數(shù)千千米。其中，大量的網(wǎng)狀河谷屬于沖積扇，也有部分網(wǎng)狀河谷從特征上判斷屬于河流扇。隨著火星表面遙感影像的分辨率提高，部分河流扇可以被準(zhǔn)確地識別出來。如圖6a是位于火星南部霍爾頓（Holden）隕石坑（26°S，34° W）東北方向一個(gè)河流扇發(fā)育點(diǎn)（24.3° S，33.5° W），衛(wèi)星照片（1.4～6.0 米/像素）由美國航空航天局的火星軌道飛行器攝像機(jī)（MOC）拍攝。以下簡稱為霍爾頓河流扇。Malinet al.[34]把這個(gè)網(wǎng)狀沉積體籠統(tǒng)地解釋為扇形沉積體，并以此推測了火星上地表水的持續(xù)流動。根據(jù)最新的沉積學(xué)研究[31-32]，該扇體上游具有穩(wěn)定的河道供給，自頂點(diǎn)向下游發(fā)散，更符合河流扇沉積的特點(diǎn)。

圖6 火星霍爾頓河流扇識別示意圖（a）火星霍爾頓河流扇的位置及集水區(qū)范圍；（b）地球安德胡伊河流扇的扇體形態(tài)和期次；（c）火星霍爾頓河流扇的扇體形態(tài)和期次Fig.6 Schematic diagram of fluvial fan in the Holden crater on Mars(a) location and catchment area of Holden fluvial fan in Mars;(b) fan shape and stage of Andkhoy fluvial fan on Earth;(c) fan shape and stage of Holden fluvial fan on Mars

根據(jù)地球河流扇數(shù)據(jù)集，阿富汗的安德胡伊（Andkhoy）河流扇（65.09° E，35.88° N）與火星的霍爾頓河流扇非常類似。安德胡伊河流扇（圖6b）屬于非限制型河流扇，面積為491.35 km2，長31.22 km，寬25.5 km，坡度0.101°，其山前距離為43.2 km，集水區(qū)面積為6 316.8 km2。而霍爾頓河流扇（圖6c）面積為84.35 km2，長10.19 km，寬13.43 km，坡度為1.174°，距山前距離2.68 km。該河流扇上游存在兩級分水嶺，分別對應(yīng)兩級集水區(qū)，其中二級集水區(qū)面積為698.4 km2，一級集水區(qū)面積為5 262.3 km2。

地球和火星上的兩個(gè)河流扇形態(tài)類似，扇體發(fā)育受側(cè)向限制較小，形態(tài)發(fā)育完整，各自發(fā)育了三期扇體，屬于非限制型河流扇。唯一顯著的不同在于霍爾頓河流扇存在倒轉(zhuǎn)地形。即古河道在水流作用下發(fā)生膠結(jié)、壓實(shí)等成巖作用，從而形成抗侵蝕表面。在環(huán)境變得干旱且剝蝕作用強(qiáng)烈時(shí)，該侵蝕面使河道沉積不易被侵蝕，形成了脊?fàn)钔蛊餥35-36]。

3.2 火星河流扇的發(fā)育參數(shù)分析

火星霍爾頓河流扇按照地球河流扇的分類，屬于非限制型河流扇。基于地球河流扇數(shù)據(jù)集，緯度、坡度、年徑流量、集水區(qū)面積、距山前距離被認(rèn)為直接影響著河流扇的發(fā)育面積。上述提到的五個(gè)控制因素中，除了年徑流量，其他四個(gè)參數(shù)都可以通過衛(wèi)星圖片進(jìn)行測量得到。

通過將火星霍爾頓扇體發(fā)育面積與四個(gè)參數(shù)的相關(guān)性投影到地球非限制型扇體的參數(shù)關(guān)系圖上，大部分參數(shù)點(diǎn)都位于正常區(qū)間。這表明火星霍爾頓河流扇各參數(shù)與面積的關(guān)系與地球河流扇大致相同。其中緯度（圖7a）、坡度（圖7c）、山前距離（圖7d）與面積的關(guān)系與地球河流扇幾乎一致，反映了其控制機(jī)理與地球河流扇完全相同。二級集水區(qū)面積與扇體面積的關(guān)系與地球河流扇也幾乎相同，但一級集水區(qū)面積與扇體面積關(guān)系顯然超出了地球河流扇的范圍（圖7b）。因此，可以推測火星霍爾頓河流扇主要受二級集水區(qū)控制。也就是說，在一級集水區(qū)內(nèi)部存在沉積物卸載區(qū)，這與衛(wèi)星圖的顯示相吻合。值得注意的是，與地球相比，雖然緯度對面積控制未超出地球河流扇的范圍，但相同緯度上火星霍爾頓河流扇的面積更小。

圖7 火星霍爾頓河流扇參數(shù)關(guān)系與地球非限制型河流扇參數(shù)關(guān)系對比（a）非限制型河流扇面積與緯度關(guān)系；（b）非限制型河流扇面積與集水區(qū)面積；（c）非限制型河流扇面積與坡度；（d）非限制型河流扇面積與山前距離。紅色點(diǎn)為火星，藍(lán)色點(diǎn)為地球Fig.7 Interrelationship of parameters for the Holden crater fluvial fan on Mars and for unrestricted fluvial fans(a) relationship between the area of unrestricted fluvial fan and latitude;(b) area of unrestricted fluvial fan and catchment area;(c) area and slope of unrestricted fluvial fan;(d) area of unrestricted fluvial fan and piedmont distance

4 火星河流扇發(fā)育期的地表水徑流量預(yù)測

4.1 徑流量預(yù)測

在西方紀(jì)晚期的火星峽谷中可能出現(xiàn)了湖泊等大規(guī)模水體，且持續(xù)地流向鄰近洼地，與外流通道相融合[37-38]。水的出現(xiàn)可能是西方紀(jì)氣候變暖導(dǎo)致的降雨結(jié)果，或者是行星傾角改變時(shí)期氣候的改變導(dǎo)致冰雪融化的結(jié)果[39-40]?；鹦堑乇碓诮?jīng)歷了后期水流和風(fēng)等外界環(huán)境的不斷侵蝕和改造，逐漸形成了現(xiàn)有的復(fù)雜地貌[41-43]。同時(shí)，地表徑流會促使沉積物在地表的輸移和沉積，從而形成沖積扇、河流扇、河流、三角洲等沉積體系[44-46]。這些沉積體系都受地表水徑流的影響，均可以用來分析地表徑流量。要實(shí)現(xiàn)對徑流量的定量分析，需要滿足兩個(gè)條件，一是流域和集水區(qū)要相對集中，便于分析和計(jì)算。二是要盡量選擇水活動穩(wěn)定，受突發(fā)的事件性沉積影響小的穩(wěn)定沉積體。沖積扇和河流扇的流域和集水區(qū)相對集中，更容易用來預(yù)測局部的徑流量。同時(shí)，在火星的南部高地確實(shí)發(fā)現(xiàn)了大量類似沖積扇和河流扇的網(wǎng)狀沉積體系。相比較而言，沖積扇受突發(fā)性洪水和重力流沉積影響大，而河流扇相對比較穩(wěn)定，受地表徑流作用時(shí)間長，可以更好地反映地表徑流的影響。

采用上文建立的地球非限制型河流扇面積的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，將火星上霍爾頓河流扇的面積及其他要素輸入，即可反向求取火星河流扇的區(qū)域年徑流量。霍爾頓河流扇的面積、坡度、緯度、山前距離等參數(shù)可以比較準(zhǔn)確地獲取。但集水區(qū)面積存在一定的不確定性，從圖6a可以看出，霍爾頓河流扇的集水區(qū)存在著兩級分水嶺。如果在一級分水嶺控制的集水區(qū)內(nèi)部不存在沉積物卸載區(qū)，如湖泊或小型扇體，則一級分水嶺對應(yīng)的集水區(qū)為霍爾頓河流扇的集水區(qū)。反之，則應(yīng)采用二級分水嶺控制的集水區(qū)面積。雖然現(xiàn)有的圖像分辨率難以確定一級分水嶺的集水區(qū)內(nèi)部是否存在扇體或湖泊，但通過前文參數(shù)分析，傾向于二級分水嶺和二級集水區(qū)控制。最終，求得形成霍爾頓河流扇所需的地表水年徑流量為1.882 8×106m3。

如果徑流量完全為降水構(gòu)成，則該地區(qū)的年平均降水量可達(dá)2 695.8 mm。而地球只有赤道地區(qū)年平均降雨量才能達(dá)到2 000 mm。而火星霍爾頓河流扇處于南緯23°，所以，參考地球情況，火星上該地區(qū)降水難以達(dá)到如此豐度。參考諾亞紀(jì)和西方紀(jì)的氣候變遷，推測該地表徑流應(yīng)該由雪山（冰川）融水和降水兩部分構(gòu)成。

據(jù)此，推測在火星的諾亞紀(jì)晚期至西方紀(jì)早期，由于氣候的短暫變暖，產(chǎn)生了火星大氣水和地表水循環(huán)[33]。在南部高地許多山前地帶，降水和雪山（冰川）融水產(chǎn)生的地表徑流攜帶著侵蝕的沉積物由局部高地進(jìn)入了鄰近洼地。由于地勢的突然平緩，河道由頂點(diǎn)向下游發(fā)散，大量沉積物開始卸載，促使了火星河流扇沉積的形成（圖8）。

圖8 火星南部中緯度地區(qū)河流扇沉積示意圖[35]Fig.8 Schematic diagram of fluvial fan deposition in the mid-latitude area of southern Mars[35]

4.2 研究的局限性和展望

火星表面的扇形沉積體一般被認(rèn)為是火星表面液態(tài)水對地表進(jìn)行侵蝕與改造而形成，但也有人認(rèn)為是冰川作用等其他作用形成，對于液態(tài)水在火星表面是長期還是短期穩(wěn)定存在的問題也具有爭議[21,26-27]。通過與地球上的河流扇作對比，推斷火星上的霍爾頓河流扇是地表液態(tài)水徑流持續(xù)作用的產(chǎn)物。由于火星與地球在壓力、溫度、重力等方面的差異，火星上液態(tài)水存在的狀態(tài)可能與地球存在差異，必然使對比研究存在不可避免的誤差。這種誤差只有對火星液態(tài)水存在的性質(zhì)和狀態(tài)進(jìn)行深入研究后才能消除。同時(shí)，推測了形成霍爾頓河流扇的地表水徑流量，并指出其地表徑流不可能由單一降水構(gòu)成。其液態(tài)水可能為降雨、降雪、雪山（冰川）融水、地下水等多種來源。但是，也不能排除火星出現(xiàn)極端氣候條件的情況，這些只能在采集火星土壤和巖石樣品并分析研究后才能得到準(zhǔn)確答案。

5 結(jié)論

基于地球河流扇沉積的數(shù)據(jù)集，對火星上的霍爾頓河流扇進(jìn)行了識別和分析，并對其形成區(qū)域的地表水徑流量及其來源進(jìn)行了預(yù)測，取得了如下認(rèn)識。

（1）地球河流扇在世界范圍內(nèi)不均勻分布，呈現(xiàn)地域分區(qū)，緯度分帶特征。亞洲中部及中國西部是河流扇的主要發(fā)育區(qū)。30° N～50° N 是河流扇的主要發(fā)育帶。

（2）地球河流扇的外部形態(tài)主要受控于氣候以及局部地形地貌。影響河流扇發(fā)育面積的直接控制因素有緯度、坡度、集水區(qū)面積、區(qū)域年徑流量、山前距離等。

（3）通過對比分析，火星上的霍爾頓河流扇屬于非限制河流扇，預(yù)測扇體形成所需的地表水徑流量為1.882 8×106m3。

（4）火星霍爾頓地區(qū)的大氣降水難以提供該河流扇形成所需的足夠徑流量，由此推測該區(qū)域地表水為多種來源，如雪山（冰川）融水和大氣降水混合來源。

（5）火星上河流扇與地球河流扇對比分析將推動行星際沉積學(xué)研究，并為火星水活動歷史研究提供新的方法和思路。

致謝 該研究是在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)研究院開展完成的。研究中所用的數(shù)據(jù)可從通信作者處獲得。由于保密方面的限制，部分底層數(shù)據(jù)無法公開。