中國首次火星探測巡視器“天問一號”于2021年5月15日成功著陸于火星烏托邦平原南部。烏托邦平原形成于諾亞紀(jì)，是火星北半球最大的撞擊盆地，直徑約為3200km（圖1）。南部、西部和東部邊緣分別與伊西斯平原和埃律西昂火山地區(qū)相接，形成了廣闊平原區(qū)域。地形數(shù)據(jù)表明，火星北半球可能存在“古海洋”，烏托邦平原位于推測的古海岸線內(nèi)，剖析著陸區(qū)的地形地貌、物質(zhì)成分，對探索其地質(zhì)演化歷史、驗證火星“古海洋”假說具有重要意義。

圖1 “天問一號”著陸區(qū)地質(zhì)演化歷史示意圖

圖1 圖1“天問一號”著陸區(qū)及其周圍地質(zhì)圖，“祝融號”（五角星）位于晚西方低地單元（修改自Tanaka et al.,2014）。右下角MOLA全球高程圖指示著陸區(qū)位于烏托邦平原南部，西臨伊西斯平原，東接埃律西昂火山

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(tuán)隊綜合運用多源遙感數(shù)據(jù)對著陸區(qū)開展研究，MOLA 高程和粗糙度數(shù)據(jù)顯示烏托邦平原地形平坦且缺乏明顯撞擊坑，揭示該盆地內(nèi)部受到長期的改造和后期北方荒原（Vastitas Borealis Formation,VBF）物質(zhì)堆積。多種地貌特征指示烏托邦平原曾存在大量的水冰/揮發(fā)分，如圖2所示，脊?fàn)畹孛埠桶煎F主要分布于研究區(qū)西南部，壁壘撞擊坑、薄餅撞擊坑和被掩埋的鬼坑主要分布在中部，多邊形槽聚集在東北部。此外，薄餅狀濺射物遠(yuǎn)端部分嚴(yán)重退化，表明這些撞擊坑是在含有大量揮發(fā)分的靶體中形成的。不同地貌特征的分布與其距離烏托邦平原中心的距離，即水/揮發(fā)分的含量有關(guān)。

圖2 “天問一號”著陸區(qū)地貌填圖

通過撞擊坑定年技術(shù)，研究區(qū)的絕對模式年齡分別為～3.45Ga和～3.68Ga。該研究并未在軌道光譜數(shù)據(jù)上識別到含水礦物，這可能與光譜數(shù)據(jù)覆蓋有限、受沙塵覆蓋有關(guān)。綜合本研究和前人成果，圖3歸納了著陸區(qū)的地質(zhì)演化歷史：（A）烏托邦平原形成于諾亞紀(jì)；（B）隨后受到沉積和火山物質(zhì)的改造和填充；（C）早西方紀(jì)火山物質(zhì)填充于烏托邦平原；（D）中西方紀(jì)受構(gòu)造作用形成皺脊；（E）晚西方紀(jì)洪水涌入；（F）洪水消失后的殘余物質(zhì)形成VBF；（G）受構(gòu)造抬升或差異性的壓實作用形成大型多邊形槽溝；（H）亞馬遜紀(jì)來自埃律西昂火山的熔巖流流入烏托邦平原?！白Ｈ谔枴毖惨暺鲾y帶的光譜儀和探地雷達(dá)等多種載荷將開展就位探測，為探究著陸區(qū)的物質(zhì)成分和淺表層結(jié)構(gòu)、驗證“古海洋”假說提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。

該研究可以為“祝融號”火星車的未來探測規(guī)劃和科學(xué)數(shù)據(jù)解譯提供重要支撐，相關(guān)研究成果發(fā)表在Icarus（DOI：10.1016/j.icarus.2021.114657）上。該研究工作得到民用航天技術(shù)預(yù)先研究項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金資助。