2021年5月15日，祝融號(hào)火星車成功著陸火星烏托邦平原南部，首次在火星表面部署了高頻四極化地面雷達(dá)。如今，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所火星高頻雷達(dá)研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心及中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，通過(guò)搭載的高頻四極化探地雷達(dá)，它穿透火星地表，捕捉到厘米級(jí)精細(xì)地下結(jié)構(gòu)，證實(shí)火星在約 7.5 億年前（中 — 晚亞馬遜紀(jì)）仍存在顯著水體活動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)將火星 “含水歷史的終點(diǎn)” 向后推延數(shù)億年，為重新解讀火星氣候演化、地質(zhì)過(guò)程及潛在生命宜居性提供了關(guān)鍵證據(jù)。

火星今天是一顆寒冷干燥的星球，但它并非一直如此。厘清火星何時(shí)失去其濕潤(rùn)的環(huán)境，是理解其長(zhǎng)期演化過(guò)程的關(guān)鍵之一。已有研究表明，火星在距今約40–37億年前，曾廣泛發(fā)育河流、湖泊乃至海洋。約37–30億年前，水活動(dòng)由持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)為階段性、突發(fā)性過(guò)程，并常與火山和構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)，氣候逐漸由濕潤(rùn)轉(zhuǎn)向干旱。30億年前至今，火星整體進(jìn)入寒冷干旱環(huán)境，僅保留冰、鹵鹽沉積、地下水上涌、地表冰融化及局部洪水等有限水活動(dòng)。亞馬遜中晚期水與氣候活動(dòng)與未來(lái)人類探索火星，選擇著陸點(diǎn)以及持續(xù)支持人類活動(dòng)具有重要意義。

目前對(duì)火星水活動(dòng)的認(rèn)識(shí)主要依賴軌道探測(cè)器拍攝的地貌照片與遙感數(shù)據(jù)。與地表地貌特征相比，地下結(jié)構(gòu)保存了更完整的地質(zhì)與氣候記錄，不同深度對(duì)應(yīng)不同時(shí)期的水活動(dòng)歷史。環(huán)繞火星的軌道雷達(dá)可提供大尺度的地下結(jié)構(gòu)信息，但由于其在太空中運(yùn)行，距離火星表面較遠(yuǎn)，難以精細(xì)刻畫淺地表特征。而淺地表往往對(duì)應(yīng)著更年輕的火星地質(zhì)與氣候活動(dòng)，對(duì)于了解火星水活動(dòng)如何從早期的廣泛分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥诰植?、短暫且更多發(fā)生在地下的過(guò)程提供了關(guān)鍵線索。相比之下，由火星車搭載的探地雷達(dá)能夠原位獲取淺地表精細(xì)結(jié)構(gòu)和巖性特征。

祝融號(hào)火星車位置與行進(jìn)路線示意圖

祝融號(hào)著陸區(qū)的精細(xì)地下結(jié)構(gòu)與巖性特征

祝融號(hào)搭載的高頻四極化雷達(dá)，首次獲取了烏托邦平原著陸區(qū)地下介質(zhì)的各向異性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究揭示了著陸區(qū)地下的分層結(jié)構(gòu)、斷層、裂隙及掩埋撞擊坑等地質(zhì)構(gòu)造與巖性特征，彌補(bǔ)了以往火星車任務(wù)在地下探測(cè)方面的不足。

高頻雷達(dá)探測(cè)顯示，祝融號(hào)著陸區(qū)約7米深度范圍內(nèi)發(fā)育多尺度沉積結(jié)構(gòu)，包括米級(jí)、分米級(jí)與厘米級(jí)層理。在米級(jí)尺度上可識(shí)別出三套反射特性明顯不同的層序：上層與下層呈弱反射特征，中層則顯示為強(qiáng)反射界面。

沿祝融號(hào)行駛路徑，多處地下掩埋隕石坑被清晰成像。例如部分隕石坑深約2.1米，上覆約4米厚的晚期沉積物。中層與下層普遍發(fā)育傾角約8°–15°、整體向北傾斜的坡面及裂縫構(gòu)造，并從頂層至下層識(shí)別出一條向南傾斜的鏟形斷層，該斷層在下層逐漸變緩并消失。

高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)的HV成像剖面

亞馬遜紀(jì)中晚期的水活動(dòng)歷史

祝融號(hào)著陸區(qū)廣泛覆蓋著約4米厚、地表形態(tài)相對(duì)均勻的沉積層，覆蓋于隕石坑及其周邊區(qū)域。在排除火山熔巖、變質(zhì)巖、風(fēng)成沉積等成因后，水沉積成為唯一能合理解釋該沉積層厚度與連續(xù)性的形成機(jī)制。地下隕石坑的掩埋深度與規(guī)模進(jìn)一步指示，該區(qū)域在沉積時(shí)期處于淺水環(huán)境。高頻雷達(dá)識(shí)別出的深度小于10米、向北傾斜的界面結(jié)構(gòu)，與祝融號(hào)低頻雷達(dá)在10–30米深度揭示的古海岸線特征具有良好對(duì)應(yīng)。

與毅力號(hào)所在的杰澤羅區(qū)相比，祝融號(hào)著陸區(qū)介質(zhì)損耗角正切遠(yuǎn)小于毅力號(hào)所在的火山熔巖覆蓋區(qū)，進(jìn)一步表明該區(qū)域?qū)儆诔练e環(huán)境。祝融號(hào)搭載的火星表面成分分析儀在地表識(shí)別出多處板狀巖石和海濱交錯(cuò)層理的片狀巖石，并檢測(cè)到含水礦物。相應(yīng)地，高頻雷達(dá)成像揭示了掩埋于中部地層的厘米級(jí)薄層沉積結(jié)構(gòu)，其形態(tài)與地表沉積巖石層理高度相似，表明其形成于水環(huán)境沉積過(guò)程。盡管火星表面成分分析儀未直接在地表探測(cè)到黏土礦物，但下層反演獲得的介電常數(shù)約6.5，與富鹽或富黏土沉積層的典型數(shù)值一致。底層各向異性參數(shù)介于-5%至5%之間，呈弱各向異性，指示富鹽沉積物的存在，進(jìn)一步暗示了歷史上水活動(dòng)的參與。然而，介電常數(shù)與各向異性參數(shù)并未同時(shí)提供祝融號(hào)淺表層存在現(xiàn)代水或冰的直接證據(jù)。

向南傾斜的鏟形斷層結(jié)構(gòu)表明，下層巖石相較于上覆地層更具塑性變形特征，暗示其可能富含石膏或巖鹽等鹽類礦物，此類地層通常與水下沉積環(huán)境密切相關(guān)?；谝延须E石坑計(jì)數(shù)的研究對(duì)地下物質(zhì)年齡的約束，底層沉積物形成時(shí)間約為7.5億年前（中–晚亞馬遜紀(jì)）。此外，低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)在約30米深度揭示了一次更早的洪水事件，其年代約為16億年前。綜合分析表明，在中–晚亞馬遜紀(jì)期間，祝融號(hào)著陸區(qū)經(jīng)歷了一次顯著的地表重塑過(guò)程（原地表被覆蓋），并且該時(shí)期火星仍存在持續(xù)性的水活動(dòng)。

祝融號(hào)著陸區(qū)近地表沉積地層演化示意圖