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[转载]祝融号首次揭示火星乌托邦平原地下分层结构 The Innovation Focus
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2021年5月15日，我国“天问一号”携带“祝融号”火星车成功着陆在火星北部的乌托邦平原。火星车上的探地雷达随即对着陆区域的地下结构展开探测。中国科学院地质与地球物理研究所联合国家空间科学中心和北京大学等科研团队对“祝融号”火星车前113个火星日的低频雷达数据开展研究，揭示了地下两套“沉积颗粒向下逐渐变粗”的沉积层序，表明着陆区古代可能发生了多期次的洪水沉积事件；在80 m深度范围内没有发现岩浆活动和液态水、卤水存在的证据，但不排除盐冰存在的可能性。相关成果发表在Nature上[1]。
图1 雷达探测图像显示地下多层序列
祝融巡视区地下多层结构
祝融号正在巡视的乌托邦平原主要被火星北部荒原物质（Vastitas Borealis Formation，VBF）所覆盖。该物质来源假说之一和火星古海洋有关，但其起源和沉积历史都缺乏观测约束。通过撞击坑统计定年法发现巡视区的表面年龄在16亿年左右，说明巡视区在亚马逊纪（约30亿年前至今）可能经历了火表改造事件，但目前对后期的地质活动历史了解十分有限。 祝融号火星车搭载的次表层探测雷达（Rover Penetrating Radar，RoPeR）首次在乌托邦平原实施地下结构原位探测。低频雷达数据展示了10-80 m深度范围内的高精度地下反射剖面（图1），存在分层结构：第一层厚度小于10 m，平均介电常数在3-4之间，被解译为火星土壤层。第二层的深度为10-30 m，通过雷达信号数值模拟验证，该层的反射特征来源于大量石块，其尺寸随深度逐渐增大。反射能量随深度逐渐增强，平均介电常数为4-6。第三层的深度为30-80 m，同样具有由弱到强的反射模式变化特征，但具有更强的反射和更高的平均介电常数值（6-7），这表明第三层的石块尺寸更大且分布更杂乱。因此作者根据雷达信号特征和反演的介电常数进行地质解译（图2），认为巡视区在晚西方纪至早亚马逊纪可能发生了灾难性洪水事件，形成了向上变细的沉积序列（第三层）；之后在亚马逊纪经历了短暂洪水、长期风化或重复撞击作用导致的火表改造事件，产生了由小石块堆叠构成的向上变细的地层序列（第二层）。此外，雷达图中各层之间的平滑过渡和估算的地下介电常数表明，在祝融着陆区地下80 m内未发现玄武岩厚层。
图2 乌托邦平原南部古代火表改造事件概念模型图
祝融巡视区地下有水吗？
祝融巡视区附近有很多和水冰相关的地貌特征，如巨型多边形、凹锥、壁垒撞击坑等。之前中国科学院国家空间科学中心研究团队对“祝融号”的短波红外光谱数据进行分析，发现了含水矿物，认为该区域在亚马逊纪时期仍然存在液态水活动[2]。那么该区域目前是否仍然存在地下水/冰？这也是“祝融号”火星车次表层探测雷达的主要目标之一。 “祝融号”低频雷达未在探测深度以内观测到地下含水层返回的强反射信号。基于雷达数据估算的介电常数值（<9）低于含水物质的介电常数（>15），进一步排除了巡视路径下方含有富水层的可能性。温度模拟结果（图3）显示巡视区地下温度远低于纯水的凝固点，也低于典型硫酸盐和碳酸盐溶液的共晶温度。这表明了水或卤水难以在祝融号着陆区浅表稳定存在，但不排除存在盐冰的可能。
图3 祝融号和凤凰号着陆区的热模拟结果显示，水或卤水不能在祝融巡视区浅表层稳定存在
总结与展望
祝融号火星车次表层探测雷达首次揭示了乌托邦平原南部地下80 m以内的精细结构，多层结构显示该地区曾经可能发生了多期次的洪水沉积事件。雷达未能在探测深度以内发现水和卤水的痕迹，但不排除水存在更深处的可能性。祝融巡视区内还分布了其他未知来源的特殊地貌。随着祝融号的行进，探地雷达会继续收集数据，为揭开火星地下结构和物质特征的谜团提供更多约束。
参考文献
[1] Li, C. et al. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar. Nature. (2022), doi: 10.1038/s41586-022-05147-5. [2] Liu, Y. et al. Zhurong reveals recent aqueous activities in Utopia Planitia, Mars. Sci. Adv. 8, eabn8555 (2022), doi :10.1126/sciadv.abn8555.
作者简介
徐 懿，澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室副教授，主要从事嫦娥三号，嫦娥四号探月雷达和天问一号火星雷达数据的处理与解译以及火星地貌类比研究等领域的研究工作。已发表SCI论文五十余篇，获批国际专利十项，获得澳门自然科学奖二等奖等。
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