中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點實驗室劉洋研究員團隊利用我國首次火星探測任務(wù)天問一號祝融號火星車獲取的短波紅外光譜和導(dǎo)航與地形相機數(shù)據(jù)，在著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了巖化的板狀硬殼層，通過分析光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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是由地下水涌溢或者毛細作用蒸發(fā)結(jié)晶出的鹽類礦物膠結(jié)了火星土壤后經(jīng)巖化作用形成，這也標志著祝融號實現(xiàn)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(qū)位于經(jīng)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(tài)水活動的范圍和程度極其有限。祝融號在地質(zhì)年代較為年輕的著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)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。這一發(fā)現(xiàn)對理解火星的氣候環(huán)境演化歷史具有重要意義，該成果于5月11日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊 Science Advances上。

中國首次火星探測任務(wù)天問一號搭載的祝融號火星車于2021年5月15日成功著陸于烏托邦平原南部（北緯25.066°、東經(jīng)109.925°）區(qū)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(jīng)在火星北部低地的烏托邦平原區(qū)域行駛1年，累計行駛近2千米 ，獲得了大量寶貴的科學(xué)探測數(shù)據(jù)。已有的撞擊坑定年工作顯示，著陸區(qū)位于經(jīng)過了后期重塑事件的亞馬遜紀地層，是火星地質(zhì)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，氣候已經(jīng)從以前的暖濕變?yōu)橐院�冷干旱為主。軌道遙感數(shù)據(jù)分析顯示，著陸點周圍分布的多種地貌特征（圖1）指示烏托邦平原曾經(jīng)可能存在大量的揮發(fā)分。但受限于空間分辨率和覆蓋率，軌道遙感數(shù)據(jù)并沒有在著陸區(qū)附近發(fā)現(xiàn)含水礦物，這為此類地貌的形成機制和該地區(qū)水活動的性質(zhì)帶來了諸多疑問。

圖1.（A）“祝融號”著陸點地貌圖。（B）“祝融號”巡視路線圖。（Liu et al., 2022, Science Advances）

劉洋研究員和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(dǎo)航與地形相機（NaTeCam）數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)了一種形貌上類似沉積巖的巖石類型——板狀的亮色巖石。這些板狀巖石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(yīng)力和風(fēng)成作用的物理風(fēng)化。研究人員利用短波紅外光譜在這些亮色板狀巖石中探測到了之前軌道數(shù)據(jù)在該區(qū)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）。

圖2.導(dǎo)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）。（Liu et al., 2022, Science Advances）

研究團隊認為，這些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(fā)育的硬殼（duricrust）。但海盜一號著陸區(qū)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(jié)形成。祝融號著陸點的硬殼似乎更耐侵蝕，并在周圍松散的土壤中形成厚層（圖3），這需要大量的液態(tài)水，而單靠大氣中的水蒸氣無法形成。同時研究發(fā)現(xiàn)著陸區(qū)不存在明顯的地表徑流或河道留下的痕跡，而且巡視路線周圍并未發(fā)現(xiàn)由水體蒸發(fā)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(guī)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(fēng)化層在富含鹽類的地下水上升或滲透期間經(jīng)歷了膠結(jié)和巖化作用，形成了觀察到的板狀巖石。鹽類膠結(jié)物從毛細孔隙或靠近潛水面的地下水中沉淀，發(fā)生活躍的蒸發(fā)和聚集。地下水位的間歇性波動可能會使硬殼進一步增厚，并形成層狀結(jié)構(gòu)。隨后覆蓋在硬殼上的表土受到侵蝕作用流失，使得抗侵蝕的硬殼層暴露了出來（圖3）。

圖3.祝融著陸區(qū)富含硫酸鹽的巖化硬殼形成過程示意圖。第1階段：蒸發(fā)發(fā)生在地下水位附近和毛細邊緣地帶，鹽膠結(jié)物在該區(qū)域沉淀析出。沉積期前風(fēng)化層通過膠結(jié)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。（Liu et al., 2022, Science Advances）

祝融號火星車的發(fā)現(xiàn)表明，火星在亞馬遜紀時期的水活動可能比以前認為的更加活躍。祝融號著陸區(qū)（以及火星北部平原的廣泛區(qū)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。

上述研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上，論文的第一作者和通訊作者是中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心劉洋研究員。該研究得到中國科學(xué)院行星科學(xué)B類先導(dǎo)專項（XDB41000000）、民用航空航天技術(shù)預(yù)研項目（D020102 和D020101）、國家自然科學(xué)基金（42072337）和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心“攀登計劃”等的支持。

論文信息：Yang Liu*, Xing Wu, Yuyan Zhao, Lu Pan, Chi Wang, Jia Liu, Zhenxing Zhao, Xiang Zhou, Chaolin Zhang, Yuchun Wu, Wenhui Wan, Yongliao Zou (2022), Zhurong reveals recent aqueous activities in Utopia Planitia, Mars. Science Advances, 8(19), eabn8555, https://doi: 10.1126/sciadv.abn8555.

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8555