摘要：詳細的火星地下結(jié)構(gòu)和物性信息是研究火星地質(zhì)及其宜居環(huán)境演化的關(guān)鍵依據(jù)，是火星探測的重要內(nèi)容之一。2021年5月15日，我國“天問一號”攜帶的祝融號火星車在烏托邦平原南部成功著陸�；谧Ｈ诨鹦擒囆羞M約四個月采集的低頻雷達數(shù)據(jù)，通過精細分析和成像，首次獲得了火星北方低地最大撞擊盆地——烏托邦平原南部長約1171米剖面的高精度地下（<80米）結(jié)構(gòu)分層圖像，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域火表數(shù)米厚的風(fēng)化層下約10-30米和30-80米深度存在兩套向上變細的沉積層序。進一步通過介電常數(shù)反演提取了地層物性信息，揭示烏托邦平原南部自晚西方紀（35-32億年）以來經(jīng)歷了多期次火表改造事件，至中晚亞馬遜紀（大約16億年以來）仍可能發(fā)育水活動相關(guān)的地質(zhì)過程；現(xiàn)今該區(qū)域淺表80米之上未發(fā)現(xiàn)液態(tài)水存在的證據(jù)，但不排除存在鹽冰的可能性。本研究為深入認識火星地質(zhì)演化和環(huán)境、氣候變遷提供了重要觀測基礎(chǔ)。
2021年5月15日，我國天問一號攜帶的祝融火星車在烏托邦平原南部成功著陸（圖1a、圖1b）。烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，曾經(jīng)可能是一個巨大的古海洋，預(yù)示著火星早期可能存在過宜居環(huán)境。烏托邦平原被北方荒原組沉積（Vastitas Borealis Formation，VBF）廣泛覆蓋，該地層可能代表了洪水相關(guān)的外流河道沖積形成的沉積或古海洋蒸發(fā)后殘留的沉積物質(zhì)。但目前對VBF的結(jié)構(gòu)、物性、起源、演化等都缺乏觀測約束。此外，烏托邦平原擁有眾多典型地貌（圖1c），如巨型多邊形、凹錐、壁壘撞擊坑等，都表明火星過去存在過大量的水/冰。然而，目前該區(qū)域地下是否仍然存在水/冰尚未可知，這限制了我們對火星水體演化的認識。
1976年，美國海盜2號探測器在烏托邦平原北部登陸并首次實施了著陸探測，但未能探明地下結(jié)構(gòu)。火星高空軌道雷達雖然可以探測火星全球范圍內(nèi)的淺表結(jié)構(gòu)，但其分辨率較低，特別是對于淺表百米以內(nèi)幾乎沒有分辨能力。我國“天問一號”攜帶的祝融火星車次表層探測雷達能夠有效對巡視區(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)成像，深化我們對烏托邦平原演化、地下水/冰分布等關(guān)鍵科學(xué)問題的認識。
圖1 祝融著陸區(qū)地質(zhì)地貌圖。（a）祝融號、鳳凰號、洞察號、好奇號、毅力號和海盜號著陸點位置及古海岸線位置；（b）祝融號著陸點附近的簡化地質(zhì)圖，比例尺為200千米；（c）祝融號著陸點附近的地形地貌圖，比例尺為15千米；（d）祝融號行駛路徑圖，比例尺為100米
祝融火星車次表層探測雷達
祝融火星車搭載的次表層探測雷達（Rover Penetrating Radar，RoPeR）是世界上首次在烏托邦平原實施的巡視器雷達探測。到目前為止，人類在地外天體上共開展了四次巡視雷達探測。其中，我國嫦娥三號和嫦娥四號首次實現(xiàn)了對月球正面和背面淺表結(jié)構(gòu)的精細探測。美國毅力號和我國祝融號巡視器于2021年開啟了火星雷達巡視探測的新紀元。毅力號的探測區(qū)域為杰澤羅撞擊坑邊緣，受限于雷達主頻（150-1200 MHz），其實際最大探測深度僅為15米。與毅力號雷達相比，祝融號高頻雷達的頻率更高（450-2150 MHz），低頻雷達的頻率更低（15-95 MHz），這使得高頻雷達對約0-5米深度的淺表目標能夠看得更“細致”，低頻雷達對地下目標看得更“深入”，實際最大探測深度達80米。
祝融火星車巡視路徑地下分層結(jié)構(gòu)及地質(zhì)解譯
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星與月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究團隊，聯(lián)合國家空間科學(xué)中心和北京大學(xué)等科研人員，對祝融火星車前113個火星日采集的長度約1171米的低頻雷達數(shù)據(jù)展開了深入分析，獲得了80米之上的高精度結(jié)構(gòu)分層圖像和地層物性信息（圖2）。
圖2 低頻雷達數(shù)據(jù)成像結(jié)果及解譯。（a）低頻雷達剖面；（b）巖性地層；（c）平均介電常數(shù)隨深度的變化。白色實線為地層分界，虛線為層間反射模式變化的大致分界
根據(jù)反射模式特征和估計的介電常數(shù)，可以將地下結(jié)構(gòu)分為四層（圖2）。第一層厚度小于10米，平均介電常數(shù)在3-4之間。第二層的深度約為10-30米，該層中反射能量隨深度逐漸增強，但未出現(xiàn)清晰連續(xù)的反射界面，平均介電常數(shù)為4-6。數(shù)值模擬表明，這些反射特征代表該層含有較多石塊，其粒徑隨深度逐漸增大。第三層的深度約為30-80米，與第二層類似，該層同樣具有反射隨深度由弱增強的模式變化特征，但反射相對更強、平均介電常數(shù)更高（6-7），這表明第三層中的石塊粒徑更大（可達米級）且分布更為雜亂。此外，未觀測到清晰的第三層底界面，這或是因為該層底部不存在介電常數(shù)對比明顯的介質(zhì)物性變化，或是雷達反射能量在約80米的深度已經(jīng)非常微弱，達到探測極限。
將雷達圖像與著陸區(qū)地質(zhì)、地貌和撞擊坑挖掘深度及年齡約束相結(jié)合，獲得如下認識：
（1）深度小于10米的最上層為火壤層；
（2）深度在10-30米的第二層沉積序列，可能是著陸區(qū)中晚亞馬遜紀火表改造事件的結(jié)果。短時洪水、長期風(fēng)化或重復(fù)隕石撞擊作用可能形成了這一層中向上變細的沉積層序（圖3b）。
（3）深度范圍在30-80米的第三層沉積序列，可能反映著陸區(qū)更古老、更大規(guī)模的火表改造事件�；谧矒艨佣杲Y(jié)果，估計這次改造事件可能發(fā)生在35-32億年前的晚西方紀到早亞馬遜紀，可能與烏托邦平原南部的大型洪水活動有關(guān)（圖3a）。
除了分層特征之外，雷達剖面的另一個重要結(jié)構(gòu)特征是各層之間的平滑過渡（圖2a）。這表明，在祝融著陸區(qū)下方80米深度范圍內(nèi)，來自埃律西昂火山噴發(fā)或某些晚期火山作用產(chǎn)生的原始玄武巖層可能缺失或太薄，以至無法在隨后的火表改造事件中保留下來。否則，由于玄武巖與沉積巖介電常數(shù)存在顯著差異，雷達剖面上將出現(xiàn)強反射界面。這一解釋也得到介電常數(shù)估算結(jié)果（圖2c）的支持。著陸區(qū)～3-7的介電常數(shù)值明顯低于亞馬遜紀埃律西昂火山單元的淺表介電常數(shù)（約為9），但與火星地下和電離層探測高級雷達（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS）估計的類似深度范圍內(nèi)VBF的介電常數(shù)值（約為5）一致。
圖3 烏托邦平原南部火表改造模型圖。（a）晚西方紀至早亞馬遜紀發(fā)生了大型洪水事件，隨著洪水消退，形成了向上變細的礫巖沉積序列，比例尺為20米；（b）亞馬遜紀短時洪水、長期風(fēng)化或重復(fù)撞擊作用改造了火表，形成了由小石塊堆疊構(gòu)成的向上變細的沉積層序；（c）近代火星高傾角自轉(zhuǎn)導(dǎo)致液態(tài)水流失到高緯地區(qū)，形成現(xiàn)今干燥的火壤層，火表以風(fēng)成沉積和侵蝕過程為主
火表80米之內(nèi)無液態(tài)水，但可能存在鹽冰
祝融火星車次表層探測雷達的主要目標之一是探測烏托邦平原南部現(xiàn)今是否存在地下水/冰。如果存在富水層，雷達信號會被強烈衰減，降低探測深度。低頻雷達成像結(jié)果顯示，0-80米深度范圍內(nèi)信號強度穩(wěn)定，不存在富水層。此外，本研究反演約束的介質(zhì)介電常數(shù)較低（不超過9），不同于含水物質(zhì)通常具有的高介電常數(shù)（大于15），因此排除了巡視路徑下方含有富水層的可能性。熱模擬結(jié)果也進一步表明，液態(tài)水、硫酸鹽或碳酸鹽鹵水難以在祝融號著陸區(qū)淺表100米之上穩(wěn)定存在。但由于硫酸鹽或碳酸鹽鹽冰的介電常數(shù)（2.5-8）與巖性材料相當(dāng)，目前無法排除淺層存在鹽冰的可能性。
綜上，該研究基于我國祝融火星車低頻雷達數(shù)據(jù)，通過精細分析和成像，首次獲得了著陸區(qū)淺表（<80米）結(jié)構(gòu)與物性信息，提供了火星可能長期存在水活動的觀測證據(jù)，為深入認識火星地質(zhì)演化和環(huán)境、氣候變遷提供了重要依據(jù)。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature（李超#，鄭憶康#，王新#，張金海#，王一博，陳凌*，張磊，趙盼，劉伊克，呂文敏，劉洋，趙旭，郝金來，孫偉家，劉曉峰，賈博鈞，李娟，蘭海強，法文哲，潘永信，吳福元. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar [J]. Nature, 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05147-5）（原文鏈接）。該研究受中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-202102）、中科院重點部署項目（ZDBS-SSW-TLC001）和國家自然科學(xué)基金（42288201和41941002）共同資助。
