火星因其表面富含铁元素而被称为“红色行星”。来自火星陨石和地球物理观测的证据给出，铁元素不只在火星的表面富集，火幔中的铁含量是地幔中铁含量的2-3倍。高温高压试验研究表明，橄榄石中的铁含量升高不仅会显著降低橄榄岩的粘度，还会降低橄榄岩的热导率。基于此预测的火幔粘度会比相同条件下的地幔低1-2个数量级，热导率下降约20%。然而，前人在研究火星的热-流变结构时，普遍直接采用地幔橄榄岩的流动定律和热导率进行计算，忽略了由铁含量不同引起的地幔与火幔之间的物性差异。火幔的富铁特性如何影响火星岩石圈的热-流变结构及其热演化尚不清楚。

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室博士生司润港，在导师陈林研究员、陈凌研究员和潘永信院士的指导下，基于富铁橄榄石的高温高压试验结果和火星深部结构的最新认识，定量分析了不同铁含量对火星岩石圈有效弹性厚度、热岩石圈厚度和脆-韧性转换深度的影响，并在此基础上讨论了火慢富铁特性对火星热演化和构造体制的控制作用。

该研究首先基于稳态热传导方程，结合最新的火星地表热流、生热率、热导率及地壳厚度模型，计算得到火星岩石圈的温度结构。接下来将温度结构输入到实验约束的岩石流动定律（包括最新的富铁橄榄岩流动定律），最终获取岩石圈的流变结构，计算流程如图1所示。通过测试橄榄岩不同的铁含量，对比相应的计算结果，研究发现火幔铁含量对火星全球热-流变结构具有重要影响：

1）相比于低铁含量下的结果，高铁含量会导致200公里深度处的温度平均升高100至200 K，南部高地的岩石圈地幔总强度降低约 15%，乌托邦平原降低约 30%（图2）。

2）火星有效弹性厚度的分布呈现明显的南北二分性，铁的弱化效应在岩石圈较厚的北部平原区域影响更为明显，导致火星岩石圈有效弹性厚度平均减少约30—35 km（图3）。

图1 火星岩石圈的温度和流变模型, 左侧表示火星典型的分层结构，中间代表可能的温度曲线，其中蓝色线代表地幔的绝热温度。右侧表示对应温度的屈服强度包络及可能的变形机制

图2 南部高地和乌托邦平原的温度曲线和屈服强度包络（YSE）随铁含量的变化，其中（a）和（b）分别代表南部高地和乌托邦平原对应的温度曲线。灰色实线代表绝热温度。（c）和（d）分别代表了铁含量对南部高地和乌托邦平原YSE的影响

图3 在不同铁含量下计算出的火星全球岩石圈有效弹性厚度。其中（a-c）分别代表在 Fa10、Fa20 和 Fa30 的铁含量下计算的有效弹性厚度；（d）火星上有效弹性厚度值的分布。计算假设地幔含水量为 150 ppm，应变率为 。蓝色虚线代表火星地形二分法的边界

图4 火星热-流变结构随时间的演化。（a）三种热导率曲线模型。假设地表温度为220 K，莫霍深度为50 km，kc = 2.5 W/m/K。虚线代表 km = 4 W/m/K（模型 1），虚线代表 km = km（T、P、Fa10）（模型 2），实线代表 km = km（T、P、Fa30）（模型 3）；（b）0.5、2.5和4.5 Ga处的温度-深度剖面；（c）地幔温度Tm随时间演化；（d）岩石圈厚度Dl演化；（e）相应的粘度-深度剖面和相应的屈服强度包络线

在此基础上，研究团队采用一维参数化热对流模型，进一步探讨了火幔富铁特性对火星长期热演化历史的影响。结果显示：高铁含量导致地幔粘度降低、对流增强以及岩石圈厚度减小，从而促进岩石圈与剧烈对流地幔之间的力学解耦，可能致使火星长期处于停滞盖体制（图4）。

该研究利用适用于火星的富铁橄榄岩流动定律、最新的地壳结构和热导率模型，系统探究了高铁含量对火星岩石圈热-流变结构的综合影响，提出火幔高铁含量可能是导致火星长期处于停滞盖构造体制的新认识，同时指出后续火星岩石圈研究须将铁的弱化效应纳入考量。

研究成果发表于国际学术期刊JGR-Planets（司润港，陈林^*，陈凌，潘永信. Thermo-Rheological Structure of the Martian Lithosphere: Effects of Mantle’s Iron Content[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130(7): e2024JE008672. DOI:10.1029/2024JE008672.）。研究受国家重点研发计划项目（2022YFF0503203）和中国科学院地质与地球物理研究所自主部署项目（IGGCAS-202401）资助。

司润港（博士生）