祝融號發現火星近期水活動跡象

中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員劉洋團隊利用我國首次火星探測任務天問一號祝融號火星車獲取的短波紅外光譜和導航與地形相機數據，在著陸區發現了巖化的板狀硬殼層，通過分析光譜數據發現，這些類似沉積巖的板狀硬殼層富含含水硫酸鹽等礦物。研究團隊推斷，這些富含硫酸鹽的硬殼層可能由地下水涌溢或毛細作用蒸發結晶出的鹽類礦物膠結了火星土壤后經巖化作用形成。該研究標志著祝融號實現了國際上首次利用巡視器上的短波紅外光譜儀在火星原位探測到含水礦物。

　　祝融號火星車著陸區位于經歷了重塑事件的年輕亞馬遜紀地層上，已有的研究認為火星在亞馬遜紀時期氣候寒冷干燥，液態水活動的范圍和程度十分有限。祝融號在地質年代較為年輕的著陸區發現水活動的跡象表明，亞馬遜紀時期的火星水圈可能比以往認為的更加活躍。該發現對理解火星的氣候環境演化歷史具有重要意義。

　　中國首次火星探測任務天問一號搭載的祝融號火星車于2021年5月15日著陸于烏托邦平原南部（北緯25.066°、東經109.925°）區域，首次在火星上留下了中國印記。截至目前，祝融號火星車已經在火星北部低地的烏托邦平原區域行駛1年，累計行駛近2千米，獲得了大量科學探測數據。已有的撞擊坑定年工作顯示，著陸區位于經歷了后期重塑事件的亞馬遜紀地層，是火星地質年代幾個主要階段（前諾亞紀、諾亞紀、西方紀和亞馬遜紀）的末期，氣候已從之前的暖濕變為以寒冷干旱為主。軌道遙感數據分析顯示，著陸點周圍分布的多種地貌特征（圖1）指示烏托邦平原可能曾經存在大量揮發分，但受限于空間分辨率和覆蓋率，軌道遙感數據并沒有在著陸區附近發現含水礦物，這為此類地貌的形成機制和該地區水活動的性質帶來了諸多疑問。

　　劉洋及其合作者通過對祝融號火星表面成分探測器（MarSCoDe）獲取的短波紅外光譜和導航與地形相機（NaTeCam）數據進行分析，發現了一種形貌上類似沉積巖的巖石類型——板狀的亮色巖石，其通常部分被灰塵和土壤覆蓋，顯示出剝落的表面，表明受到熱應力和風成作用的物理風化。研究人員利用短波紅外光譜在亮色板狀巖石中探測到之前軌道數據在該區域沒有識別到的含水礦物，這些光譜具有~1.9μm和~2.2μm吸收特征，推測其為含水硅或含水硫酸鹽（圖2）。

　　研究團隊認為，上述亮色巖石與海盜一號火星著陸器原位觀察到的破碎巖石在形貌上相似，是一層本地發育的硬殼（duricrust）。但海盜一號著陸區的硬殼層相對脆薄，可能是由大氣中的水汽長期和火星表面土壤相互作用膠結形成。祝融號著陸點的硬殼可能更耐侵蝕，并在周圍松散的土壤中形成厚層（圖3），這需要大量的液態水，僅靠大氣中的水蒸氣無法形成。研究還發現，著陸區不存在地表徑流或河道留下的明顯痕跡，并且巡視路線周圍未發現由水體蒸發形成的蓬松松脆的表面和鹽霜殘留物，從而排除了表面大規模水體活動的可能。研究團隊提出一種形成機制是，沉積期前的土壤風化層在富含鹽類的地下水上升或滲透期間經歷了膠結和巖化作用，形成了觀察到的板狀巖石。鹽類膠結物從毛細孔隙或靠近潛水面的地下水中沉淀，發生活躍的蒸發和聚集。地下水位的間歇性波動可能使硬殼進一步增厚，并形成層狀結構。隨后，覆蓋在硬殼上的表土受到侵蝕作用流失，導致抗侵蝕的硬殼層暴露出來（圖3）。

　　該發現表明，火星在亞馬遜紀時期的水活動可能比以往認知的更活躍。祝融號著陸區（以及火星北部平原的廣泛區域）可能含有大量以含水礦物形式存在的可利用水，可供未來載人火星探測的原位資源利用。

　　相關研究成果于5月11日發表在Science Advances上。該研究工作得到中科院重點部署項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、民用航空航天技術預研項目、國家自然科學基金和空間中心“攀登計劃”等的支持。

　　論文鏈接 

圖1.（A）“祝融號”著陸點地貌圖。（B）“祝融號”巡視路線圖。

　　圖2.導航相機全景圖（A）sol 32、（B）sol 43和（C）sol 45。白色箭頭指示短波紅外光譜觀測目標巖石的位置。（D）光譜測量巖石的放大圖像。（E）短波紅外光譜與實驗室光譜的比較。上圖顯示平滑的短波紅外光譜（粗實線）疊加在原始光譜（細實線）。

　　圖3.祝融著陸區富含硫酸鹽的巖化硬殼形成過程示意圖。第1階段：蒸發發生在地下水位附近和毛細邊緣地帶，鹽膠結物在該區域沉淀析出。沉積期前風化層通過膠結和巖化作用形成了一層薄薄的硬殼層。第2階段：地下水位波動增厚硬殼層。第3階段：松散沉積物被侵蝕暴露出抗侵蝕的硬殼層。