2021年5月15日，祝融號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。如今，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所火星高頻雷達研究團隊，聯(lián)合中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心及中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，通過搭載的高頻四極化探地雷達，它穿透火星地表，捕捉到厘米級精細地下結(jié)構(gòu)，證實火星在約 7.5 億年前（中 — 晚亞馬遜紀）仍存在顯著水體活動。這一發(fā)現(xiàn)將火星 “含水歷史的終點” 向后推延數(shù)億年，為重新解讀火星氣候演化、地質(zhì)過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。厘清火星何時失去其濕潤的環(huán)境，是理解其長期演化過程的關(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，水活動由持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)為階段性、突發(fā)性過程，并常與火山和構(gòu)造活動相關(guān)，氣候逐漸由濕潤轉(zhuǎn)向干旱。30億年前至今，火星整體進入寒冷干旱環(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。亞馬遜中晚期水與氣候活動與未來人類探索火星，選擇著陸點以及持續(xù)支持人類活動具有重要意義。
目前對火星水活動的認識主要依賴軌道探測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，不同深度對應(yīng)不同時期的水活動歷史。環(huán)繞火星的軌道雷達可提供大尺度的地下結(jié)構(gòu)信息，但由于其在太空中運行，距離火星表面較遠，難以精細刻畫淺地表特征。而淺地表往往對應(yīng)著更年輕的火星地質(zhì)與氣候活動，對于了解火星水活動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)生在地下的過程提供了關(guān)鍵線索。相比之下，由火星車搭載的探地雷達能夠原位獲取淺地表精細結(jié)構(gòu)和巖性特征。
祝融號火星車位置與行進路線示意圖
祝融號著陸區(qū)的精細地下結(jié)構(gòu)與巖性特征
祝融號搭載的高頻四極化雷達，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，彌補了以往火星車任務(wù)在地下探測方面的不足。
高頻雷達探測顯示，祝融號著陸區(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、分米級與厘米級層理。在米級尺度上可識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，中層則顯示為強反射界面。
沿祝融號行駛路徑，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。
高頻雷達數(shù)據(jù)的HV成像剖面
亞馬遜紀中晚期的水活動歷史
祝融號著陸區(qū)廣泛覆蓋著約4米厚、地表形態(tài)相對均勻的沉積層，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)性的形成機制。地下隕石坑的掩埋深度與規(guī)模進一步指示，該區(qū)域在沉積時期處于淺水環(huán)境。高頻雷達識別出的深度小于10米、向北傾斜的界面結(jié)構(gòu)，與祝融號低頻雷達在10–30米深度揭示的古海岸線特征具有良好對應(yīng)。
與毅力號所在的杰澤羅區(qū)相比，祝融號著陸區(qū)介質(zhì)損耗角正切遠小于毅力號所在的火山熔巖覆蓋區(qū)，進一步表明該區(qū)域?qū)儆诔练e環(huán)境。祝融號搭載的火星表面成分分析儀在地表識別出多處板狀巖石和海濱交錯層理的片狀巖石，并檢測到含水礦物。相應(yīng)地，高頻雷達成像揭示了掩埋于中部地層的厘米級薄層沉積結(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)境沉積過程。盡管火星表面成分分析儀未直接在地表探測到黏土礦物，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，進一步暗示了歷史上水活動的參與。然而，介電常數(shù)與各向異性參數(shù)并未同時提供祝融號淺表層存在現(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石坑計數(shù)的研究對地下物質(zhì)年齡的約束，底層沉積物形成時間約為7.5億年前（中–晚亞馬遜紀）。此外，低頻雷達數(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–晚亞馬遜紀期間，祝融號著陸區(qū)經(jīng)歷了一次顯著的地表重塑過程（原地表被覆蓋），并且該時期火星仍存在持續(xù)性的水活動。
祝融號著陸區(qū)近地表沉積地層演化示意圖
