为什么火星上的山可以那么高，而地球上的山峰最高也无法超过9000米？ 第1页

因为火星上没水。要是地球上也没水的话，高度就要从马里亚纳海沟算起了，也有2万米。

是什么决定了山的高度？（文章近万字，臭且长，非战斗人员可以撤离战场）

这不免涉及到物理、地球物理、构造地质、气候、外动力地质、岩石流变、岩石圈动力学等诸多领域（ps：还有行星地质）。

这个问题也一直困扰着我，本人的研究方向一直是造山带构造变形，

每当思接亿载，试图从现有的地质现象中，剥离出内动力和外动力地质记录，去挖掘从山脉建立—垮塌—重建—再破坏的过程时，这个问题总会浮现于脑海。

研究造山带构造变形，往往不会纠结于山到底能隆升到多高，我们更多地在分析其几何学、运动学、动力学和年代学。

“什么决定了山的高度”，这是构造地貌学者更多考虑的问题，这一直以来是地学界争议较大的关键科学问题。

在地球科学领域，山的高度是由内动力地质作用和外动力地质作用共同控制的。

简要来说是“构造”和“气候”共同控制的，这二者对于山脉高程的关系被认为是“鸡”“蛋”的关系。

大家都能理解，内动力（如地壳运动，火山作用）可以成山，而外动力（如河流、冰川、风化剥蚀等）可以削减山的高度，这就是《九阴真经》中的口诀：“天之道，损有余而补不足”（其实是来自《道德经》啦）。

但是，很多人可能不知道的是，气候变化也能导致山脉的隆升。

什么？气候变化能导致山脉隆升？

这并非是随便说说，而是几十年来地学界一直争论不休且无果的热点问题。

对此问题的重要推动性研究，是Nature、Science、PNAS等顶尖杂志的常客。

但是，就像前文说的，这个问题据不仅仅是考虑“构造”和“气候”两个因素就能解答的。

此问题将类地行星比较分析是一个很好的视角。

高赞的答者们来自不同领域，且已经给出了许多很好的回答和思路。

因此，纵有珠玉在前，我也想与大家分享一下自己一直以来的思考。

本回答尽量多从地质学角度，但难免也会有些重复或谬误。

答案本身或许不是最重要的，由问题激起的思考和对比较行星地质学等方面的启发更为可贵。

物理学站在更高的视角，给定特定行星山脉的高程极限，

地球科学回到行星演化本身，分析具体影响山脉高度的因素，二者缺一不可。

山的理论极限，或许可以由岩石力学及物理学相关理论建立简单模型而推导出来。

但是在现实世界复杂的，要抛开物理学给定的前提是“在理想情况下”。

而抛开理想情况，正是地球科学努力探索的。

因此，本文先简要引述从岩石力学及物理学角度对山高的限制，再回到本人地质学专业本身进一步谈论山脉高度的影响因素。当然中间难免会出现穿插叙述。

主要内容包括五个部分：

1.重力加速度——理想化模型

2.地壳均衡作用与行星圈层结构

3.岩石介质的非均质性

4.山体成因差异——有无板块构造

5.气候对于山脉高度的影响

内容较长，结论先行：

在组成山峰岩石的理想力学强度相似的前提下，火星较小的重力加速度是导致其与地球上山峰极限高度差异的本质原因。

火星的刚性岩石圈较厚，没有地球相对敏感的地壳均衡作用；

火星岩石组成相对单一，加之相对稳定的构造环境对岩石本身力学强度的影响比地球小。

火星不存在板块构造作用，底辟至地表的岩浆可以长时间不断地进行原地堆积，加高山体，较低的重力加速度也有利于岩浆早期的堆积作用；

最后，火星特殊的气候，导致其具有较为低效的风化侵蚀作用，对山脉的高程影响较小。

1. 重力加速度——理想化模型

回到问题本身，问的是：火星和地球上山峰最高峰高度差异的影响因素

中国科学技术大学地球和空间科学学院的陈出新教授写过类似文章。

在此将部分内容转引如下，感兴趣的朋友可以自行查阅（文献索引见文末）。

作者建立了一个山峰的应力模型，发现影响山峰高度的主要因素是重力加速度。

地球上岩石组成的山峰存在高低起伏，相对静止矗立几百万年，而水却相对水平，构成海平面。

这是由岩石和水的强度决定的，准确说叫流变学强度，主要是抗剪切能力的强度。

从力学的角度，水的抗剪切强度几乎可以忽略，

水的起伏产生的重力差异，没有其他力可以抵抗，

故而水受重力影响表现为极易流动的特性。

然而，岩石的抗剪切能力较强，需要施加较大的力，岩石才能被剪切破坏。

因此，高山由于重力产生的形变可由岩石的剪切应力来抗衡。

如果山峰的边缘是竖直的，类似于将山峰假设为圆柱模型：

那么从山顶下降一定高度之后，岩石的剪切应力不足以抗衡重力引起的形变，因为边缘处的应力为零（假设大气压可忽略）。

然而当山体有一倾斜边缘时，情形就大不相同

重力引起的形变是可以被剪切应力抗衡的

自然界的山峰也多是近似锥状的模型，或是纵切面为三角形的长条。

为了直接明了，选择直角坐标系建立模型，假设山脉是纵切面为等腰三角形的长条形状

垂直方向为X1，山脉走向为X3，垂直山脉走向为X2，山高为H，峰顶在底面投影

可建立对山体有力平衡方程：

（1）；

其中， 为应力张量， 为体力，在X1方向： ，因此（1）在X1的分量为：

（2）；

由于A点对称性，故在X1轴上 ，因此：

（3）；

沿X1方向对（3）积分可得, ，进而可得： (4);

各向同性介质胡克定律:

（5）；

（6）；

其中 为应变张量， 和 为拉梅系数， ；

且由不可压条件 ，可得 ，进而可得 ；

力平衡方程在X2方向的分量为：

（7）；

将 代入上式，可得：

（8）；

随X2线性减小，在边界上为0。对于均匀介质，可将 记作常数k。

沿X2方向对（8）积分，可得点A处的正应力 ，其中X为山峰底部的半宽度，结合（4），可得：

当H太大时，底部的Ａ点由于过大的压力不能保持固态，剪切应力不再存在。

k是由构成山峰的岩石力学性质决定的，

在火星和地球岩石力学性质差异不太大，因此k应该变化不大。

火星和地球地壳密度ρ相近，底部半宽度X的上限也相近。

此时，g和H成反比，因此，限制高度的主要参数是重力加速度。

火星上最高峰奥林比斯山的高度与地球上最高峰的珠穆朗玛峰的高度的比为2.4，倒数为0.417，二者的重力加速度的比值为0.379，这两个值相近。

可见，重力加速度是类地行星理论极限高度差异的主要控制因素。

注意，这里是理论极限高度，

而对于地球上山峰的理论极限高度估算，可参考（牛文元，1995）转引（Weskov，1985）的研究，具体可见 @中科院物理所 的回答。

认为地球上山峰的理论极限高度约为21.7km。

这种估算是从岩石的力能学角度，认为山体崩塌的是由于岩石从固体转化为塑性流体。

即组成岩石的晶格结构是由电磁力维系的，想要毁灭性的破坏晶格结构，需要满足该外加的能量大于或等于基座岩石分子达到塑性流动时的液化能。

Weskov 估算的21.7km的极限值是基于海平面以上的，而这个值和上中地壳的厚度相似。

如图，石英的流变域位于0-20km深度。

地壳自上而下的变形机制：脆性变形，脆-韧性变形，和韧性变形。脆-韧性变形的转换带位于10-15km深，这个深度之下，岩石大多转变为韧性变形。

其实，山底的岩石无需达到塑性流动状态，山体就可以垮，

只需要山体自身的重力足以使岩石发生剪切破裂。

自然界的山体也并非自海平面开始就是一个圆柱、或是锥形。

往往是底部一个较大的几公里高的高原平台，上面分布由诸多数千米的高峰，

或是像火星奥林匹斯山那样的盾状火山，山根非常宽阔：

宽约600km，占地面积约30万平方公里。

这些自然界中的山，并非简单的模型就行估计。

因为自然界是无比复杂的。

2. 地壳均衡作用与行星圈层结构

一般的模型，

都是把山峰作为一个孤立的个体，至于海平面（地表）之上。

其实当山体累积到一定重量时，岩石圈会发生凹陷、下沉。

因为地球是个圈层结构，

深部地球物理探测表明刚性的岩石圈下为流动性和密度都较高的软流圈，

当岩石圈上覆荷载过大，岩石圈会发生弯曲，下部的密度较大的软流圈会侧向流动，

补偿两侧没有荷载的岩石圈，以达到整体的平衡，

这个过程被称作地壳均衡作用。

目前有三个地壳均衡模型被使用：

① 艾里模型：

认为不同的地形高度是由地壳厚度变化造成，地壳密度固定。

② 普拉特模型：

认为不同的地形高度是因为密度的侧向变化造成，岩石密度会改变。

③韦宁·迈内兹或弯曲模型：

认为岩石圈是个弹性板，其固有的刚性分布会因为弯曲造成的大范围负载而在特定区域有变化。

艾里和普拉特模型是浮力的应用，

而弯曲模型则是浮力将有限弹性强度的板弯曲，被更为广泛地接受。

总之，岩石圈可以通过自身弯曲增厚来调节整体的力学平衡。

其实，不仅仅是山峰岩石的重量可以导致地壳均衡作用，

大陆冰川的增长与消退同样可以证明地壳的均衡作用。

如下图所示：

所以，地壳均衡作用是控制山峰高度的关键因素。

当地表山体重量增加，岩石圈会通过向下弯曲、下沉的方式调节平衡，导致山峰整体下沉变矮；反之，山体重量减少，岩石圈会发生均衡反弹，导致山峰整体增长，这一点也是下文将要讲述的气候对山脉高度反作用的基本原理。

地壳均衡作用与行星本身的圈层结构和岩石圈组成有关。

火星的内部结构与地球相似，都有壳、幔和核，但是具体差异比较大。

地球的地壳分为洋壳和陆壳，洋壳厚度约为5-15km，陆壳厚度约为30-50km，

火星地壳的主要为玄武岩地壳，类似于地球的洋壳，但是其厚度约为24-72km。

火星的南北半球差别很大。火星北半球的大部分区域是地势低洼的平原，那里的地壳只有30公里厚。然而，火星南半球的高地上遍布着许多死火山，那里的地壳厚度可高达99公里。

可见火星的地壳组成与地球不同，且厚度比地球大。

最主要的是火星的固体岩石圈400至600公里，这与地球约100公里厚的岩石圈形成对比。

火星上巨厚、刚性的岩石圈决定了其本身构造活动弱，而且尚无证据表明火星存在软流圈。

因此，火星应该很难发生像地球一样的地壳均衡作用。

3.岩石介质的非均质性

理论模型只能将山体假设为相同成分、均匀介质的物体，但是自然界中，山体的岩石组成极其复杂。

首先，一个山体的组成可以包含不同成因和变质程度的花岗岩、基性岩、片麻岩、灰岩、砾岩、砂岩、泥岩、脉状的各种侵入体等等，不同粒度、结构、构造的岩石岩石强度差异较大。

其次，即使同一种岩石，其本身也是非均质的，

岩石是由多种造岩矿物组成，如石英、长石、角闪石、云母、辉石、橄榄石、方解石等。

不同矿物、矿物组合的力学性质存在较大差异，存在强相支撑和弱相支撑等问题，

多矿物支撑的结构对于应力的响应产生较大的不确定性，

对于符合多矿物岩石的广义混合律等岩石流变学理论研究还不成熟，目前无法提出根本解决的模型。

第三，后天的缺陷也会对岩石的力学性质带来毁灭性的破坏，

例如岩石的节理、断裂、强弱岩石的接触面等，会造成应力传播不均匀，降低岩石本身的力学性质。

火星和地球上组成山体的岩石，虽然岩石力学强度相似，

但是其均一性存在较大差异，

火星上的山峰目前以火山和冲击反弹成因为主，岩石多以玄武岩、安山岩为主，

而且整体处于相对稳定的构造环境，节理和断层相对较少。

地球上的山峰岩石组成极其复杂，且地球构造活动复杂、活跃，

同一造山带将几十亿年间产生的不同类型岩石叠覆到一起的情况极其普遍。

因此，自然界岩石组成和流变学性质复杂性使得各种模型只能处于极为理想化的层次。

火星和地球本身的构造差异，使得火星更有利于接近模型的预设，而地球太过复杂，

这些是由于有无板块构造运动导致的。

4.山体成因差异——有无板块构造

已知的类地行星中，目前只有地球发育板块构造。

板块构造运动的存在，使得地球和火星山脉形成不尽相同，

一般认为，山的形成主要有以下几种：

板块汇聚造山（包括陆陆碰撞造山、洋俯冲弧造山等），

火山（大陆火成岩省，洋底高原和热点等）

此外，还有外动力成及冲击成因成山等，可参考我此前的回答

不同的原因形成的山峰，其结构是不同的。

火星上的主要高山都是火山作用作用形成的，

其实地球上夏威夷的冒纳凯阿火山是与火星奥林匹斯山非常相似。

形式上，二者都是盾状火山；

岩石组成上，二者都是以玄武岩为主；

此外，二者的底座都是硅镁质岩石圈。

海拔上，前者是海拔4205m（从海底山脚算起10203m），后者海拔21229m。

由于缺少横向的板块运动，

火星上深部的岩浆不断喷发，可以在原地持续喷发和堆积，

最终形成规模巨大的火星高原。

而地球由于板块的不停运动，导致形成一串串火山岛链，类似夏威夷的皇帝海山，

其规模远不如火星。地球穿过陆壳岩石圈的岩浆底辟形成的火山，规模会更小。

此外，火星的重力加速度只有地球的三分之一，

同样黏度的岩浆，受重力作用导致的流动性更弱，更易于堆积。

火星以奥林匹斯山为代表的板内盾状火山，和地球以喜马拉雅山为代表的板缘碰撞造山带

最后，不成因的山体力学结构不同：

火山的板内盾状火山，维持山峰高度的主要因素是山体自身的重力和岩石的抗剪强度；

板缘碰撞造山带是板块水平构造运动的产物，除山体自身的重力和岩石的抗剪强度外，俯冲带两侧上下盘的挤压构造作用起到关键作用，即侧向支撑力控制山脉生长以及维持高度。

当卸去这个水平推力时，山脉往往会发生造山带垮塌。

5.气候对于山脉高度的影响

气候决定了地球的冰川、河流以及风化剥蚀作用。

气候对于山脉高度的影响，主要体现在两个方面

一是外动力作用的削高补低，即《道德经》所说的“天之道，损有余而补不足”

这一点很好理解，例如到了冰川的侵蚀作用，会限制山峰的高度，被称为“冰川锯”；

河流切割作用带走了大量的山体，使两岸山峰变陡，促进山体的崩塌；

气候变化可以加速风化作用，也能限制山峰高度。

火星上现已被证明存在风力、流水等外动力地质作用

但程度比地球弱，对山峰高度的削弱作用也弱。

当上述气候作用到达一定程度的时候，地形会用一个反馈作用，

表现为在固定宽度造山带系统中的地壳均衡作用。

岩石将垂直上升恢复均衡，以平衡构造活动和其他因素导致的侵蚀作用的物质损失。

使得损失大量山体的地壳抬升，来保持这种岩石圈尺度的平衡，

即上文所说的地壳均衡作用。

因构造作用抬升的山脉，因河流等地表径流将山体物质大量带到相对低势的平原地带，

山体变得沟壑纵横，由于整体重量的降低，地壳均衡作用会导致山脉抬升。

类似于一艘满载货物的货轮，由于重量大，吃水线比较高。

当卸下几排集装箱（类似河流将山体的部分物质带走，造成沟壑纵横的山脉）

轮船变轻上浮少许，吃水线降低，轮船的整体海拔变高。

这只是气候对山体高程反作用的一个方面。

第二、侵蚀作用通过改变山脉临界锥形楔，以驱动的岩石抬升和卸载的响应。

第三、气候驱动构造在热造山活动中可能表现得更强烈，引发下地壳管道流以快速折返或局部隆起的形式到达地表。

如果侵蚀率足够高并且作用于足够宽的区域，侵蚀可以为这种高压韧性岩石提供一条逃逸路线，有效地将低粘度岩石引上地表。

这方面的研究最早开始于喜马拉雅山。

后两个方面三言两语难以解释清楚，但非常有意思，有机会我再另撰文阐述。

总之，地球多样、丰富、强烈的气候变化，造成高效的风化作用，对山脉的高度影响较大；而火星以严寒、干燥为主，风化作用较之地球较弱，对山高的影响较小。

结论：

在组成山峰岩石的理想力学强度相似的前提下，火星较小的重力加速度是导致其与地球上山峰极限高度差异的本质原因。

火星的刚性岩石圈较厚，没有地球相对敏感的地壳均衡作用；

火星岩石组成相对单一，相对稳定的构造环境对岩石本身力学强度的影响比地球小。

火星不存在板块构造作用，底辟至地表的岩浆可以长时间不断地进行原地堆积，加高山体，较低的重力加速度也有利于岩浆早期的堆积作用；

最后，火星特殊的气候，导致其具有较为低效的风化侵蚀作用，对山脉的高程影响较小。

贻笑大方

以上

此外，对火星感兴趣的朋友，推荐阅读 @星球研究所 的科普长文：

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因为计算方法不同啊，火星上没有海平面啊。地球上的山高度都是从海平面算起，火星上的山高度是从火星表面算起。如果按照火星的标准，地球上一大堆山峰海拔都过万米了。