祝融号火星寻水记

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：张慧卿、申建勋，题图来自：视觉中国

在火星上“出野外”的祝融号

火星在地质历史上分为四阶段，分别是前诺亚纪（形成~41亿年前）、诺亚纪（41~37亿年前）、西方纪（37~30亿年前）和亚马逊纪（30亿年前至今），在地形上呈现全球二分性，南半球以地质年龄较古老、平均海拔较高的高地为主，北半球以地质年龄较年轻、平均海拔较低的低地为主。

2021年5月15日，祝融号第一次在火星印上中国的足迹，它踏上的第一块土地是乌托邦平原的南部边缘（北纬25.066°，东经109.925°），这里是火星低纬度地区，属于火星北半球的晚西方纪低地单元，根据撞击坑定年法推测后期很有可能被更为年轻的亚马逊纪层所覆盖。祝融号火星车就在这里开展了约350个火星日的“野外工作”，获得了大量宝贵的科学数据，搜寻了火星上水存在的证据。

北部低地边缘的线性地貌，着陆点与火星上可能存在的古海洋海岸线距离约282千米。图/肖龙

正如前文所言，如果大量水曾存在于火星上，远不只留下侵蚀、沉积地貌那么简单，势必会在地层中留下其他证据。祝融号火星车的“眼睛”——导航地形相机NaTeCam和多光谱相机MSCam——便在火星表面捕捉到了类似海相沉积岩的岩石影像。

“眼睛”位于火星车的前端，导航地形相机是一对镜头，像人眼那样一左一右分开排布，而多光谱相机则像二郎神的第三只眼睛那样位于一对导航地形相机的中间。导航地形相机可以像人眼捕获可见光那样拍摄一些可见光波段的彩色广角照片，记录巡视区地形地貌；多光谱相机则共有9个成像谱段，覆盖可见光到近红外波段，可以获取巡视区元素、矿物、岩石类型等信息。曾有研究提出，火星北部平原曾是一片古海洋，并认为这一区域会形成特殊的海洋沉积地质单元，即北方荒原组（VBF）。

在祝融号火星车降落至这片平原之前，这一切都是理论，未得到实地数据的证实。中国地质大学（武汉）肖龙教授及其研究团队对这一问题十分重视，于是他们仔细分析火星车传回的多光谱相机照片，发现“这些裸露的岩石发育层理构造，显著不同于火星表面常见的火山岩，也不同于风沙沉积形成的层理构造，这些层理指示的双向水流特点，与地球滨—浅海环境中的低能潮汐流一致”。

他们发现裸露在地表的岩石上具有明显的交错层理，包括槽状交错层理、上凹的交错层理和羽状交错层理。其中，羽状交错层理指示古环境时期该处的沉积受到了双向古水流的影响。而且，两个方向形成的层系厚度和粒度不同，说明两个方向的水流强度有较大差异。在地球的滨—浅海沉积中，这种层理十分常见。就像两个巨人在争抢领地，同一个位置，河流力量强时砂石就从河流向海洋扩张形成斜层理，海洋力量变强后，砂石就压住先前的斜层理形成另一个方向的斜层理，两个巨人就在不断争斗中留下了交错层理的战斗遗迹。

海洋潮汐力量的来源是卫星，相对于地球的卫星月亮（直径约为3480km）而言，火星的两颗卫星非常小（直径分别约22.2和12.6km），它们给火星表面带来的潮汐系统能量很低，所以海洋和河流的“战斗规模”小，只能形成小规模的层理构造。

这小小的交错层理，连同其它沉积构造，揭示了一个古老又庞大的故事——祝融号火星车所处的北部低地平原，在大约36亿年前的西方纪时可能是一片海洋，而这些岩石就是海水从内陆向海洋退去的过程中遗留下的证据。如今，这片岩石所代表的地质单元被命名为祝融段，这也是迄今为止首个支持火星北部平原古海洋存在的直接性原位探测证据。

祝融号巡视车观测的岩石及其沉积层理素描图。图/肖龙

“西方纪”以来有水活动

除了“眼睛”，祝融号火星车的“顺风耳”次表层探测雷达RoPeR也探明火表的风化层下存在着两套向上变细的沉积层序，说明此处可能自晚西方纪以来还发生过多期水活动。次表层探测雷达由两组发射天线和两组接收天线组成，能够探听到火星车沿途地下浅表层结构反射的电磁波信号。祝融号高频雷达频率相对较高（450~2150 MHz），能将来自浅表0~5米深度的信号“听”得更细致，而低频雷达频率相对较低（15~95 MHz），能“听”得更深，甚至能接收到来自地下80米的信号。

祝融号火星车一边向前走，一边用次表层探测雷达“探听”地下构造，在前113个火星日，它记录了长达1171米路径上的雷达数据。中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员及其合作团队，深入分析该数据后发现研究区火表之下80米主要分为三层：最上层的10米内是火壤层，由松散物质堆积而成，平均介电常数在3~4之间；第二层是地下10~30米，平均介电常数为4~6，反射能量随着深度逐渐增强，反映该层有较多的石块且其粒径随着深度增加逐渐变大；第三层是地下30~80米，平均介电常数为6~7，反射强度也随深度逐渐增强，更高的平均介电常数反映出更大的石块粒径（可达米级）。

沿着粒序沉积的顺序，自西方纪以来水活动的故事一层层浮出水面。在约35亿年前的西方纪时期，祝融号火星车所走过的北部低地平原遭遇了大型洪水事件，洪水凭其强悍的搬运能力将大小不一的石块从源头搬运到这里。在沉积过程中，由于重力分选作用，重的大石块在下面、轻的小石块在上面，形成了向上变细的沉积层序。

在亚马逊纪，这里可能经历了短时间的洪水、持续的风化作用以及多次陨石撞击，形成了由小石块堆叠构成的向上变细的沉积层序。直到近代，火星的液态水进一步流失到高纬度地区，这里表面只留下了风成沉积和侵蚀作用改造后的干燥火壤层。

值得一提的是，次表层探测雷达没有在这80米的范围内发现富水层，但无法排除盐冰存在的可能性，那么有没有其他手段来验证亚马逊纪的水活动呢？

祝融号观测的岩石和沉积层理素描图，岩石编号Sol43-07。图/肖龙

“亚马逊纪”有水活动

一直以来，火星被认为在亚马逊纪时期气候寒冷干燥，鲜有液态水存在。尽管轨道数据显示乌托邦平原的许多地貌指示其曾经存在大量挥发分物质，但可能由于轨道遥感数据分辨率和覆盖率不够，没有发现该地区存在含水矿物，所以亚马逊纪的气候环境究竟如何仍然不得而知。

好在祝融号火星车从地球出发，奔波了近10个月并成功登陆火星。它为此次“出野外”任务做好了万全准备，在自己左前方配置了集元素、矿物和岩石分析为一体的便携式“工具包”——火星表面成分探测仪MarSCoDe。这个“工具包”中配备了三台仪器，分别是激光诱导击穿光谱仪（LIBS）、短波红外光谱仪（SWIR）和微成像相机。

激光诱导击穿光谱仪可以将激光聚焦于样品表面，激发样品产生等离子体，样品中的元素在成为等离子体后会发出特征谱线，分析该发射光谱便可以确定样品的元素组成。成都理工大学赵宇鴳研究员团队利用祝融号巡视器搭载的激光诱导击穿光谱仪对着陆区的火成岩、板状岩石、胶结硬壳、土壤和沙丘进行分析，获得氢含量（可用以推算水含量）及硅、钛、铝、铁、镁、钙、钠、钾八种元素含量，并通过比较板状岩石和火成岩数据发现二者的元素含量不同且前者含有更多水分，说明着陆区所在的亚马逊纪很可能存在过地下水活动。

短波红外光谱仪可以在含水矿物的识别和分析方面大展身手。当频率连续变化的红外光照射到待测矿物上时，分子会吸收某些特定频率的辐射，使分子的振动和转动能级从基态跃迁到激发态，导致这些吸收区域的透射光强度减弱，在光谱图上出现“吸收峰”。于是，根据吸收峰的位置、强度和形态可以判断矿物所携带的化学键，进而确定矿物种类。

中国科学院国家空间科学中心刘洋研究员及其团队利用导航地形相机在着陆区发现了一种类似沉积岩的亮色板状岩石，它们的短波红外光谱具有1.9μm附近和2.2μm附近处的吸收特征波段，前者是含水矿物结构水的常见吸收峰，后者是非晶型二氧化硅、黏土矿物、含水硫酸盐中羟基的伸缩振动峰，说明该矿物可能为含水二氧化硅或含水硫酸盐。

在排除了地表径流和水体蒸发两种成因后，研究团队认为这些岩石是在地下水位附近沉淀析出的盐类物质经胶结和岩化作用后形成的硬壳层，它们随着地下水位的波动而增厚，直到松散沉积物被侵蚀后，抗侵蚀的硬壳层便从地下暴露出来了。这是国际上首次巡视器短波红外光谱仪原位探测到含水矿物，它们证明火星在亚马逊纪的水活动比想象中频繁。

祝融号拍摄的火星上的亮沙与暗沙。图/Science Advances

现代火星有水活动

祝融号火星车用交错层理、粒序层理和含水矿物证明了火星从几十亿年前的晚西方纪到亚马逊纪都存在水活动，不禁让人好奇，它有没有在现代火星上发现水呢？

现代火星是否存在液态水，既对我们理解火星的演化历史至关重要，又对未来改造火星、星际移民的宏大愿景有重要影响。横向风成脊（TAR）是火星表面一类特殊的、较为年轻的风成地貌，其表面的多边形裂隙可以指示现代火星的水活动。

中国地质大学（武汉）肖龙教授及其团队通过“祝融号”导航与地形相机首次在火星横向风成脊表面识别出小型多边形裂隙，其原位光谱数据表明裂隙分布区表面可能存在石膏等含水硫酸盐矿物。该团队认为这些多边形裂隙的产生与地下水或者大气中的水有关，前者可通过毛细作用被运送到表面并在水分蒸发后引起表面收缩成多边形状，后者可以与地表进行水汽交换导致表面形成硬化的砂质壳层并在壳层破裂后形成多边形裂隙，这种机制与当前火星条件更为相符。这些多边形裂隙形成于横向风成脊的演化后期，可能指示火星近期的地表-大气水交换过程，为揭示现代火星水循环过程提供线索。

与此同时，中国科学院地质与地球物理研究所秦小光研究员与合作者查看着陆区最有代表性的沙丘地貌的照片，发现这些沙丘有“亮沙”有“暗沙”，前者表面是结壳、龟裂等与水相关的特征，后者则常见团粒化结构，除此之外还发现了多边形脊、带状痕迹等形态特征。这些团粒是由沙砾凝结在一起形成的，而沙砾之间的胶结物最可能是含水硫酸盐、蛋白石（含水二氧化硅）或含水氧化铁，这些含水矿物在水的参与下才能成为凝结剂。

参与其中的水可能来源于地下水、降雨、降霜与降雪，结合其它数据，研究团队确定了与降霜和降雪相关的沙丘演化模型。现代火星温度降低到霜点后会出现降霜或降雪，这些霜雪在回温后会与含盐物质混合融化成含盐液态水，这些盐水在温度继续升高时失水干燥形成上述含水矿物并将周围的沙砾胶结成团粒甚至形成结壳。结壳如果继续干燥会形成龟裂，如果再次经历降霜降雪便会形成多边形脊和带状水痕。同时，“暗沙”是覆盖在“亮沙”上形成的，因为“亮沙”是液态盐水干燥后形成的结壳，沙砾无法移动，后来的风沙将“亮沙”覆盖便形成“暗沙”，等待降霜降雪的又一次轮回。

尽管曾有研究表明火星高纬度等地区可以短暂出现液态水，但“祝融号”火星车的发现是人类第一次在气温更高的火星低纬度地区获得液态水的地面观测证据，这说明现代火星可能存在比预想中更潮湿的环境。这也暗示着，如果自西方纪以来，在更加温和的火星低纬度地区的表面和次表层一直存在液态水活动，那“火星生命”存在的可能性是否不再是天方夜谭？

祝融号着陆点全景图。图/国家航天局

致谢：本文撰写过程得到陈凌研究员、肖龙教授、秦小光研究员和刘洋研究员的帮助，一并谢忱。

作者简介：

张慧卿，中国科学院大学地球与行星科学学院硕士生，研究方向为天体生物学。

申建勋，中国科学院地质与地球物理研究所博士后，研究方向为类火星环境中生命信号的探测以及前生命化学体系中分子特征的分析。

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：张慧卿、申建勋