這里的地質(zhì)如何演化？現(xiàn)今具有怎樣的地下結(jié)構(gòu)？新京報記者今天（9月26日）從中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所火星研究團隊獲悉，科研人員研究發(fā)現(xiàn)，著陸區(qū)火星表面數(shù)米厚的風(fēng)化層下存在兩套向上變細的沉積層序，提供了火星可能長期存在水活動的觀測證據(jù)。當(dāng)前，該區(qū)域火星表面以下0-80米未發(fā)現(xiàn)液態(tài)水存在的證據(jù)，但不排除存在鹽冰的可能。相關(guān)研究結(jié)果于北京時間9月26日晚在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。

中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員陳凌正在介紹此次研究的有關(guān)成果。任暉 攝

(資料圖)

火星烏托邦平原首次實施雷達探測，深度達80米

火星地勢南高北低，烏托邦平原位于火星北部，是火星最大的撞擊盆地，此前研究顯示，這里曾經(jīng)可能是一個古海洋，氣候溫暖濕潤，現(xiàn)今非常寒冷干燥。中科院國家空間科學(xué)中心研究員劉洋說，著陸區(qū)有很多地貌特征，比如壁壘撞擊坑、凹錐、不同尺度的多邊形等，這些都顯示過去這里是有水的。“和月球上的撞擊坑不一樣，如果火星上的撞擊坑周圍有薄餅狀的特征，就表明在撞擊時，這里曾經(jīng)有冰或者水。”

這些水是如何消失的呢？詳細的火星地下結(jié)構(gòu)和物性信息是研究火星地質(zhì)及其宜居環(huán)境演化的關(guān)鍵依據(jù)，是火星探測的重要內(nèi)容。“祝融號”火星車攜帶了六大科學(xué)載荷，其中，次表層探測雷達能夠?qū)ρ惨晠^(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)進行精細成像，深化人們對烏托邦平原演化、地下水或冰分布等關(guān)鍵科學(xué)問題的認識。

據(jù)中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員陳凌介紹，“祝融號”火星車搭載的次表層探測雷達實施了世界上首次在火星烏托邦平原的巡視器雷達探測。到目前為止，人類在地外天體上共開展了四次巡視雷達探測。其中，我國嫦娥三號和嫦娥四號分別實現(xiàn)了對月球正面和背面淺表結(jié)構(gòu)的精細探測。美國“毅力號”和我國“祝融號”火星車于2021年先后開啟了火星巡視雷達探測。“毅力號”的探測區(qū)域為杰澤羅撞擊坑邊緣，其實際最大探測深度為15米。“祝融號”火星車探測區(qū)域為烏托邦平原南部，雷達頻帶較寬，其實際最大探測深度達80米。

解譯雷達數(shù)據(jù)，獲得火星可能長期存在水活動的觀測證據(jù)

由國家航天局探月與航天工程中心發(fā)布的“天問一號”科學(xué)探測數(shù)據(jù)，為開展火星研究提供了堅實的數(shù)據(jù)保障。去年9月至11月，科研人員獲得了四批火星車雷達數(shù)據(jù)。陳凌說，其中低頻雷達通道的數(shù)據(jù)探測深度達100米左右，分辨率是米級。高頻雷達探測深度約為10米，分辨率是厘米級。

此次，科研人員對前113個火星日、探測長度達1171米的“祝融號”火星車低頻雷達數(shù)據(jù)展開了分析。“然而原始低頻雷達數(shù)據(jù)總共有2945道，肉眼可見的信號都是噪聲，需要仔細分析。”陳凌說，為了從數(shù)據(jù)中提取信息并分析，去年科研人員用了一個多月的時間商討解決思路，最終確定了雷達數(shù)據(jù)的解譯步驟，包括去背景、去噪、偏移、數(shù)值模擬驗證等，共有13步之多。

2021年10月-11月，研究團隊成員每天交流數(shù)據(jù)分析進展、提出問題，并商討解決思路。受訪者供圖

據(jù)中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員張金海介紹，航天科學(xué)探測儀器必須符合火箭運載對質(zhì)量、體積和功耗等方面的嚴格要求，但又必須滿足探測精度需求。因此，需要在地面充分分析儀器的噪聲特性，開展詳盡的地面實驗; 與此同時，須有針對性地研發(fā)信號處理新方法，從而將有效信號識別并分離出來。研究團隊根據(jù)嫦娥三號和四號任務(wù)中積累的豐富經(jīng)驗，針對火星環(huán)境的特殊性，建立了可靠的數(shù)據(jù)處理和成像流程，成功將地下深部微弱信號分離出來。

“80米以下雷達信號很弱，表示雷達可能到達探測深度極限。”陳凌說，通過數(shù)據(jù)分析，科研人員獲得了淺表80米之上的高精度結(jié)構(gòu)分層圖像和地層物性信息，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域數(shù)米厚的火壤層之下存在兩套沉積層序。

第一套層序位于地下約10-30米，含有較多石塊，其粒徑隨深度逐漸增大。“距今大約16億年以來的短時洪水、長期風(fēng)化或重復(fù)隕石撞擊作用，可能導(dǎo)致了這一套向上變細沉積層序的形成。”她說，第二套層序位于地下約30-80米，其石塊粒徑更大，可達米級，且分布更為雜亂，反映了更古老、更大規(guī)模的火星表面改造事件。基于此前的撞擊坑統(tǒng)計定年結(jié)果推測，這次改造事件可能發(fā)生在距今35億-32億年，與烏托邦平原南部的大型洪水活動有關(guān)。

陳凌說，多層結(jié)構(gòu)反映的是一個相對復(fù)雜的演化過程。“以前的研究認為，火星從古到今是從濕變干的，我們的研究發(fā)現(xiàn)，火星并不是簡單地向著干旱的氣候環(huán)境改變。在其晚期整體干旱的背景下，可能還會有短時與水活動相關(guān)的過程，使火星表面經(jīng)歷多期次改造。”

目前“祝融號”巡視區(qū)地下0-80米未發(fā)現(xiàn)液態(tài)水

“祝融號”火星車次表層探測雷達的主要目標(biāo)之一是探測烏托邦平原南部現(xiàn)今是否存在地下水或冰。

低頻雷達成像結(jié)果顯示，0-80米深度范圍內(nèi)反射信號強度穩(wěn)定，介質(zhì)具有較低的介電常數(shù)（3-7），“這些特征不支持巡視路徑下方含有富水層的可能，因為如果存在液態(tài)水，介電常數(shù)至少要達到15”。陳凌說，另一方面，如果存在液態(tài)水，雷達信號衰減比較強，很難在七八十米的深度探測到強反射。

科研人員還計算了“祝融號”巡視區(qū)地下1-100米的年平均溫度，在220K左右，遠低于水的冰點和含有硫酸鹽、碳酸鹽等鹵水的共晶溫度。這表明，液態(tài)水、硫酸鹽或碳酸鹽鹵水難以在“祝融號”火星車著陸區(qū)地下100米之內(nèi)穩(wěn)定存在，但目前無法排除鹽冰存在的可能性。

陳凌說，目前火星車上的雷達探測深度有限，還不能探測到80米之下的地層，期待“天問一號”軌道雷達探測數(shù)據(jù)發(fā)布后，可以對更深部的結(jié)構(gòu)進行研究。“我們也希望國家將來能在火星上布設(shè)火震儀，通過天然的火震觀測研究從淺到深的地下結(jié)構(gòu)。”

她同時透露，目前團隊已經(jīng)獲得了11批雷達數(shù)據(jù)，正在處理中。目前“祝融號”火星車遇強烈沙塵天氣，進入休眠模式，休眠結(jié)束后，火星車還會繼續(xù)往南行進，屆時將得到更多的數(shù)據(jù)。

公眾對移民火星頗為好奇，火星是否會成為宜居之地？對此，劉洋認為，移民火星需要大量水資源，水也可以間接提供其他能源。目前烏托邦平原地下80米內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，但火星表面含有大量的含水礦物，這些水可以提取出來。“大家對星球的氣壓、溫度等信息非常關(guān)注，想了解未來是否可以居住。我們研究的是火星地下結(jié)構(gòu)，更像是火星考古。”張金海稱，科研人員通過研究火星歷史上的氣候變化過程，有望推測火星甚至地球未來環(huán)境和氣候的變化。