一、木衛三概述及其探測歷史
木衛三（蓋尼米得，Ganymede）是圍繞木星運轉的一顆衛星。木衛三是太陽系中最大的衛星，是木星最大的衛星。木衛三直徑5262公裡，它的體積比水星和矮行星冥王星都大，質量約為水星的一半。木衛三被潮汐鎖定，自轉時把同一面朝向木星，木衛三的公轉周期約為7天。按距離木星從近到遠排序，在木星的所有衛星中排第七，在伽利略衛星中排第三。它與木衛二及木衛一保持著1:2:4的軌道共振關係。
木星的衛星大小對比圖（據網際網路資料）
伽利略在1610年1月發現了太陽系最大的衛星——木衛三。旅行者1號和旅行者2號於1979年飛掠過木衛三。它們精確測定了它的大小，最終證明它的體積要大於土衛六，後者曾被認為大於前者。此外，這兩艘飛船還發現了木衛三上的槽溝地形。
木衛三與太陽系其他天體（水星、土衛六、月球）大小的比較圖（據NASA）
1995年，伽利略號進入環木星軌道。在1996年至2000年間，它共6次近距離飛掠過木衛三。在最接近的一次飛掠過程中，伽利略號距離木衛三表面僅264千米。在1996年的飛掠中，發現了木衛三的磁場。後來又發現了木衛三的地下海洋，並於2001年對外公布。伽利略號傳回了大量的光譜圖像，並在木衛三表面發現了數種非冰化合物。前往近距離探測木衛三的探測器是新視野號，它於2007年在前往冥王星的途中飛掠過了木衛三，並在加速過程中拍攝了木衛三的地形圖和構成圖。
二、木衛三的地球物理特徵
木衛三的表面溫度最高122K，平均99K，最低22K。木衛三的平均密度為1.936g/cm³，表明它是由近乎等量的巖石和水構成的，後者主要以冰體形式存在，冰體的質量佔星球總質量的46-50%。另外，部分狀態的水可能以不穩定的冰體形式存在，比如說以氨的冰體存在。
它是已知太陽系中唯一擁有強磁場的衛星。木衛三擁有鐵質內核，但是其磁場仍然顯得很神秘，特別是為何其他與之大小相同的衛星都不擁有磁場。木衛三的對外熱通量很可能高於木衛四。
木衛三的磁層示意圖（據網際網路資料）
研究認為該衛星磁場，是由於其內核中富鐵流體對流運動產生的。木衛三的微弱磁場與木星磁場相互作用，產生了更加向外擴散的磁場。
三、木衛三的內部結構
2015年3月12日，美國國家航空航天局宣布，木衛三的冰蓋下有一片鹹水海洋，液態水含量超過地球。木衛三擁有一層稀薄的含氧大氣層其中含有原子氧，氧氣和臭氧，同時原子氫也是大氣的構成成分之一。
利用木衛二的總密度，推出其冰下為固體核心。木衛三主要由矽酸鹽巖石和冰體構成，星體分層明顯，擁有一個富鐵的、流動性的內核。內核半徑達到700-900千米，外層冰質外殼厚度達800-1000千米，其餘部分則為矽酸鹽質外殼。
科學家推測在木衛三表面之下200千米處存在一個被夾在兩層冰體之間的鹹水海洋，海洋深度可達1000公裡，其中太陽系中液態水含量最高。
木衛三的內部結構及物質組成示意圖（據網際網路資料）
木衛三的內部結構及物質組成示意圖（據網際網路資料）
木衛三的內部結構及物質組成示意圖（據網際網路資料）
四、木衛三的地質地貌特徵
1.地貌特徵
木衛三表面出現兩種明顯差異的主要地形類型：即又暗又冷的多隕石坑地區（相較暗的尼克爾森區）和更亮更年輕的地區(但依然十分古老)，後者以大量出現溝槽和山脊為特徵（較亮的哈帕吉亞槽溝）。其中較暗的地區，約佔星體總面積的三分之一，其間密布著撞擊坑，地質年齡估計有40億年之久；其餘地區較為明亮，縱橫交錯著大量的槽溝和山脊，其地質年齡較前者稍小。明亮地區的破碎地質構造的產生，可能是潮汐熱所導致的構造活動造成的。
木衛三圖片（USGS）
木衛三獨特的表面主要由兩種類型的地形組成：約40％的黑暗是帶有許多隕石坑的地形。而60％的顏色則是淺色的，帶有形成複雜圖案的凹槽，凹槽的高度50米左右，長度達到數千公裡，可能是由於構造活動或水從地表下釋放而形成。
木衛三表面地質特徵（http://photojournal.jpl.nasa.govc）
（圖幅範圍的大小約為89×26km）
下圖中木衛三的圖片由NASA的伽利略號於2000年5月20日拍攝。古老的尼克爾森區暗色地形（左側）顯示許多的大型撞擊坑和平行明暗地形區之間邊界的斷裂帶。而哈帕吉亞槽溝淺色區（右側）則不發育撞擊坑，較平滑和年輕。
木衛三較暗的尼克爾森區和較亮的哈帕吉亞槽溝之間涇渭分明
木衛三上部分地區有著45億年的歷史。還有很多年輕的地方，有著看起來像是充滿了裂縫的凹槽，這種地形可能是木衛三表面緩慢移動的冰塊的結果，或者它們可能是潮汐力引起的地震移動，類似於地球上的構造板塊。當有間隙或裂縫出現時，凍結的泥漿會上升並填滿裂縫，形成一個相對平滑的溝槽，可以延伸數百英裡。
木衛三表面構造特徵
木衛三圖片（旅行者1號1979年3月5日下午從250,000km高處拍攝）
（圖片中心為北緯60度和經度318度，圖片底邊的長度約1000km）
以上圖片中最小的可分辨尺度為5km大小。圖片中可以識別出撞擊坑，大多顯示由撞擊拋射冰物質組成的輻射紋，特別是在明暗界線附近可以觀察到奇異的S形山脊和溝槽，它們可能為厚層冰凍殼構造變形的產物。木衛三表面地圖展示了較大的隕石坑地區。它逐漸被侵蝕的表面以及奇特的溝槽和裂縫，是使科學家發現其地下海洋的原因。
2.地質特徵
美國地質調查局（2014）公布木衛三的第一張完整地質圖，從技術上闡述了木衛三表面各種各樣的地質特徵。地質圖表明，木衛三表現出古老和最近形成的地質特徵。除了地質多樣性，它還增加了歷史多樣性。這幅地質圖詳細闡述了木衛三形成和在太陽系大部分歷史中演變的地質特徵。這些地質特徵記錄下木衛三內部演變、木衛三動力學和其他伽利略衛星間相互作用以及撞擊木衛三表面小天體演變的證據。木衛三表面的部分區域和太陽系一樣古老，有45億年的歷史。
木衛三的第一張完整地質圖（USGS，2014）
右邊拼圖是繪製左邊木衛三地質圖的工作底圖
木衛三地質圖集成了對其地質認識的成果（Collins et al.,2013）。該地圖顯示了木衛三表面的各種地質特徵，地質製圖綜合美國國家航空航天局(NASA)旅行者1號(Voyager 1)和旅行者2號探測器(1979年)，以及伽利略號軌道探測器(Galileo orbiter)(1995年至2003年)在執行近天體探測飛行使命期間，所獲得的最佳圖像，現已由美國地質調查局作為完整地圖發布。
這張新的地質圖是研究人員比較其他冰冷衛星地質特徵的重要工具，因為在其他冰冷衛星上發現的任何特徵類型都和木衛三某個地方的特徵相似。木衛三表面是地球所有陸地面積的一半以上。木衛三表面地圖展示了較大的隕石坑地區。
木衛三地質圖（Collins et al.,2013）
木衛三可以識別出兩種基本的物質單元：淺色和暗色物質。兩者的區別依據基於地形邊界上相對反射率的明顯差異，由於其他類型的表面改造過程（如撞擊坑放射紋、極地冰蓋）改變了這些地形類型的絕對反射率。暗色物質覆蓋了木衛三表面積的35%，其餘部分幾乎全部為淺色物質。
木衛三地質圖（USGS，2013）
A.暗色物質
暗色物質為強烈撞擊的產物，但不及木衛四表面那樣強烈撞擊坑發育的程度,表明暗色物質不是原始的行星表面。在高解析度下，暗色物質主要出現撞擊坑內以及山脊和山丘的斜坡上鬆散暗色表土（regolith）向坡下運動。暗色物質被緩慢發展的暗色薄層表土覆蓋，後者由下方富含冰質地殼升華所形成。暗色物質通常顯示同心狀的彎曲構造，稱為溝紋（furrows）。這些溝槽為古老多環狀的撞擊盆地殘餘物（Collins et al.,2013）。
B.淺色物質
淺色物質交切暗色物質，並具有較低的撞擊坑分布密度，表明其形成時代較晚。淺色物質可以進一步劃分為錯綜複雜的線狀交切拼圖式的溝槽和較平滑地形。更高解析度下，大多數淺色物質以伸展斷層作用為主。即使在低解析度下是平滑的淺色物質，在高解析度下也是平行的線狀構造特徵（Collins et al.,2013）。木衛三明顯的溝槽地形，主要由不同尺度上近平行的嶺脊和凹槽組成，常被解釋為構造活動的產物，通過斷層活動來調節表殼的伸展作用（Sims et al.,2014）。
木衛三淺色溝槽區的半地塹系統（正向運動）的斜向模式視圖（上圖）
推測的木衛三斷層幾何平面圖（下圖）（Sims et al.,2014）
可以識別出兩個尺度的斷塊構造，包括位移較大和出露跡線較長的大尺度斷塊邊界斷層（白色箭頭指示），以及大型斷塊邊界之間較小尺度的斷層系（空心圓），伸展模式伸展率約為20%（Sims et al.,2014）
對淺色物質成因質疑：淺色地形由暗色地形上冰火山噴溢形成，或者先前表面特徵被構造破壞沿著斷層崖出露淺色物質，很可能以上兩種地質過程對其形成均起作用。並非木衛三上所有構造活動都能形成淺色物質，一些暗色物質被伸展斷層切割，但並未顯示反射率的明顯變化，而這些網狀物質被兩組線狀構造切割，反射率介於明暗物質之間（Collins et al.,2013）。
木衛三上發現的其他物質由幾種撞擊特徵構成，包括撞擊坑到粘滯性鬆弛的撞擊特徵（palimpsests），以及南半球的Gilgamesh大型撞擊盆地(Patterson et al., 2010)。
五、木衛三的形成和演化
木衛三的冰凍表面經歷了隕石撞擊、構造活動以及冰火山作用過程的改造。研究顯示木衛三地表下存在海洋，受到木星強大潮汐力的影響，木衛三表面地形變得非常複雜，密布的撞擊坑，大型山脊可能與潮汐力作用有關。軌道共振引發的潮汐力，曾使太陽系這顆最大衛星的表面，發生構造破壞。
木衛三的地質歷史可以劃分為3個不同的階段：1）早期隕石撞擊作用和冰凍地殼內非冰物質成分的混合作用。2）構造活動劇變階段。3）熱流逐漸降低的晚期平靜期和後續的隕石撞擊作用。
儘管木衛三和木衛四相比，這兩顆衛星的大小和構成很相近，但木衛三卻是一個擁有自身磁場的嚴格意義上的衛星，而木衛四則是一顆由冰和巖石構成的冷冰冰的天體。科學家一直在探索，是什麼過程在木衛三中產生了足夠的熱量，卻沒有在木衛四中出現，從而迫使其發生了不同地質演化。新的研究表明，應當考慮到太陽系晚期大規模撞擊事件（LHB）產生的影響，大約在39億年前，大量的彗星和（太陽系內部的）小行星曾對太陽系進行過一次狂轟濫炸（LHB）。
對木衛三和木衛四遭受的LHB影響進行模擬研究表明（Barr etal.,2010），木星巨大的引力會使靠近的彗星加速，同時將它們吸向行星。與木衛四相比，距離木星更近的木衛三將比前者遭受兩倍多的撞擊，並且對其進行撞擊的彗星的運行速度也更快。因此與木衛四相比，木衛三將多接受3.5倍的能量。有足夠多的熱量用來融化木衛三初始冰巖混合物中的冰。解凍使得衛星的巖石向著逐漸「泥濘」的內部沉降。隨後這些下沉的巖石便會以熱的形式釋放它們的重力能，從而加速木衛三的分層過程。最終，來自放射性衰變的足夠熱量將分離出巖石中的鐵，進而形成一個熔化的內核，同時產生磁場，並有可能形成木衛三理想的地表地質學特徵。由於衝擊能匱乏，木衛四在分離過程中卻未進行充分融化——進而完成「核子反應堆系統」的加熱過程，最終變成沒有內核的冰冷星球。
木衛三伽利略暗色區的地質簡圖（a）
及不同區的地層柱狀圖（b）
(依據伽利略號探測器獲得的高分辨資料地質解譯)
（Prockteret al.,2010）
本文據（李江海，2020，《世界地質學》（講義））修改補充）