張慧卿　申建勛

在火星上“出野外”的祝融號(hào)

火星的地質(zhì)歷史分4個(gè)階段，分別是前諾亞紀(jì)（火星形成—41億年前）、諾亞紀(jì)（41億—37億年前）、西方紀(jì)（37億—30億年前）和亞馬孫紀(jì)（30億年前至今）。在地形上，火星呈現(xiàn)出全球二分性：南半球以地質(zhì)年齡較古老、平均海拔較高的高地為主；北半球以地質(zhì)年齡較年輕、平均海拔較低的低地為主。

2021年5月15日，祝融號(hào)第一次在火星印上了中國(guó)的足跡，它踏上的第一塊土地是烏托邦平原的南部邊緣（北緯25.066°，東經(jīng)109.925°）。這里是火星的低緯度地區(qū)，屬于火星北半球的晚西方紀(jì)低地單元，根據(jù)撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年法推測(cè)，這里后期很有可能被更為年輕的亞馬孫紀(jì)層所覆蓋。祝融號(hào)就在這里開(kāi)展了358個(gè)火星日的“野外工作”，獲得了大量寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)，搜尋到了火星上存在水的證據(jù)。

西方紀(jì)有水活動(dòng)

如果火星上曾經(jīng)存在過(guò)大量的水，那么就遠(yuǎn)不只留下侵蝕、沉積地貌這么簡(jiǎn)單，勢(shì)必會(huì)在地層中留下其他證據(jù)。

祝融號(hào)的“眼睛”——導(dǎo)航地形相機(jī)和多光譜相機(jī)，便在火星表面捕捉到了類似海相沉積巖的巖石影像。

“眼睛”位于火星車的前端，其中，導(dǎo)航地形相機(jī)是一對(duì)鏡頭，像人的雙眼一左一右分開(kāi)排布，多光譜相機(jī)則像二郎神的第三只眼睛，位于一對(duì)導(dǎo)航地形相機(jī)鏡頭的中間。導(dǎo)航地形相機(jī)可以像人眼捕獲可見(jiàn)光那樣拍攝一些可見(jiàn)光波段的彩色廣角照片，記錄巡視區(qū)的地形地貌；多光譜相機(jī)共有9個(gè)成像譜段，覆蓋可見(jiàn)光到近紅外波段，可以獲取巡視區(qū)元素、礦物、巖石類型等信息。

有研究提出，火星北部平原曾是一片古海洋，并認(rèn)為這一區(qū)域會(huì)形成特殊的海洋沉積地質(zhì)單元，即北方荒原組（VBF）。在祝融號(hào)降落至這片平原之前，這一切都是理論，未得到實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的證實(shí)。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）肖龍教授及其研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一問(wèn)題十分重視，于是他們仔細(xì)分析祝融號(hào)傳回的多光譜相機(jī)照片，發(fā)現(xiàn)“這些裸露的巖石發(fā)育層理構(gòu)造，顯著不同于火星表面常見(jiàn)的火山巖，也不同于風(fēng)沙沉積形成的層理構(gòu)造，這些層理指示的雙向水流特點(diǎn)，與地球?yàn)I—淺海環(huán)境中的低能潮汐流一致”。

他們發(fā)現(xiàn)，裸露在地表的巖石上具有明顯的交錯(cuò)層理，包括槽狀交錯(cuò)層理、上凹的交錯(cuò)層理和羽狀交錯(cuò)層理。其中，羽狀交錯(cuò)層理指示，古環(huán)境時(shí)期該處的沉積受到了雙向古水流的影響。而且，兩個(gè)方向形成的層系厚度和粒度不同，說(shuō)明兩個(gè)方向的水流強(qiáng)度有較大差異。在地球?yàn)I—淺海沉積中，這種層理十分常見(jiàn)。它就像兩個(gè)巨人在爭(zhēng)搶領(lǐng)地：同一個(gè)位置，河流力量強(qiáng)時(shí)，沙石就從河流向海洋擴(kuò)張，形成斜層理；海洋力量變強(qiáng)后，沙石就壓住先前的斜層理，形成另一個(gè)方向的斜層理。兩個(gè)巨人就在不斷爭(zhēng)斗中留下了交錯(cuò)層理的戰(zhàn)斗遺跡。

海洋潮汐力量的來(lái)源是衛(wèi)星。相對(duì)地球的衛(wèi)星月亮（直徑約3480千米）而言，火星的兩顆衛(wèi)星都非常小（直徑分別約22.2千米和12.6千米），它們給火星表面帶來(lái)的潮汐系統(tǒng)能量很低，所以海洋和河流的“戰(zhàn)斗規(guī)?！毙?，只能形成這種小規(guī)模的層理構(gòu)造。

這小小的交錯(cuò)層理，連同其他沉積構(gòu)造，揭示了一個(gè)古老又龐大的故事——祝融號(hào)所處的北部低地平原，在大約36億年前的西方紀(jì)時(shí)，可能是一片海洋，而這些巖石就是海水退去時(shí)遺留下的證據(jù)。

如今，這片巖石代表的地質(zhì)單元被命名為“祝融段”，這也是迄今為止首個(gè)支持火星北部平原古海洋存在的直接性原位探測(cè)證據(jù)。

西方紀(jì)以來(lái)有水活動(dòng)

除了“眼睛”，祝融號(hào)的“順風(fēng)耳”次表層探測(cè)雷達(dá)也探明，火星表面的風(fēng)化層下存在著兩套向上變細(xì)的沉積層序，說(shuō)明此處可能自晚西方紀(jì)以來(lái)還發(fā)生過(guò)多期水活動(dòng)。

次表層探測(cè)雷達(dá)由兩組發(fā)射天線和兩組接收天線組成，能夠探聽(tīng)到火星車沿途地下淺表層結(jié)構(gòu)反射的電磁波信號(hào)。祝融號(hào)的高頻雷達(dá)（450～2150兆赫），能將來(lái)自火星淺表0～5米深度的信號(hào)“聽(tīng)”得更清楚，而低頻雷達(dá)（15～95 兆赫）能“聽(tīng)”得更深，甚至能接收到來(lái)自地下80米的信號(hào)。

祝融號(hào)一邊向前走，一邊用次表層探測(cè)雷達(dá)“探聽(tīng)”地下構(gòu)造，在登陸后的前113個(gè)火星日，它記錄了長(zhǎng)達(dá)1171米路徑上的雷達(dá)數(shù)據(jù)。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所陳凌研究員及其合作團(tuán)隊(duì)，在深入分析該數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)火星表面之下80米主要分為3層：最上層的10米是火壤層，由松散物質(zhì)堆積而成，平均介電常數(shù)為3～4；第二層是地下10～30米，平均介電常數(shù)為4～6，反射能量隨深度逐漸增強(qiáng)，反映該層有較多的石塊，且其粒徑隨著深度增加而逐漸變大；第三層是地下30～80米，平均介電常數(shù)為6～7，反射強(qiáng)度也隨著深度的增加而逐漸增強(qiáng)，更高的平均介電常數(shù)反映出更大的石塊粒徑（可達(dá)米級(jí)）。

沿著粒序沉積的順序，火星上自西方紀(jì)以來(lái)水活動(dòng)的故事，一層層揭開(kāi)神秘的面紗。

在約35億年前的西方紀(jì)時(shí)期，祝融號(hào)走過(guò)的北部低地平原遭遇了大型洪水事件，洪水憑其強(qiáng)悍的搬運(yùn)能力，將大小不一的石塊從源頭搬運(yùn)到這里。在沉積過(guò)程中，由于重力分選作用，重的大石塊在下面、輕的小石塊在上面，形成了向上變細(xì)的沉積層序。

在亞馬孫紀(jì)，這里可能經(jīng)歷了短時(shí)間的洪水、持續(xù)的風(fēng)化作用以及多次隕石撞擊，形成了由小石塊堆疊構(gòu)成的向上變細(xì)的沉積層序。直到近代，火星的液態(tài)水進(jìn)一步流失到高緯度地區(qū)，這里的表面只留下了風(fēng)成沉積和侵蝕作用改造后的干燥火壤層。

值得一提的是，次表層探測(cè)雷達(dá)沒(méi)有在這80米的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)富水層，但無(wú)法排除鹽冰存在的可能性。那么，還有沒(méi)有其他手段可以來(lái)驗(yàn)證亞馬孫紀(jì)的水活動(dòng)呢？

亞馬孫紀(jì)有水活動(dòng)

一直以來(lái)，科學(xué)家認(rèn)為，火星在亞馬孫紀(jì)時(shí)期氣候寒冷干燥，鮮有液態(tài)水存在。盡管軌道數(shù)據(jù)顯示，烏托邦平原的許多地貌指示其曾經(jīng)存在大量揮發(fā)物質(zhì)，但可能由于軌道遙感數(shù)據(jù)分辨率和覆蓋率不夠，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該地區(qū)存在含水礦物。所以，亞馬孫紀(jì)的氣候環(huán)境究竟如何，仍然不得而知。

好在祝融號(hào)從地球出發(fā)，奔波了近10個(gè)月并成功登陸火星。它為此次“野外”任務(wù)做好了萬(wàn)全準(zhǔn)備，在自己左前方配置了集元素、礦物和巖石分析為一體的便攜式“工具包”——火星表面成分探測(cè)儀。這個(gè)“工具包”中配備了3臺(tái)儀器，分別是激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀、短波紅外光譜儀和微成像相機(jī)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀可以將激光聚焦于樣品表面，激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，樣品中的元素在成為等離子體后會(huì)發(fā)出特征譜線，分析該發(fā)射光譜，便可以確定樣品的元素組成。

成都理工大學(xué)趙宇鴳研究員團(tuán)隊(duì)，利用祝融號(hào)巡視器搭載的激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀對(duì)著陸區(qū)的火成巖、板狀巖石、膠結(jié)硬殼、土壤和沙丘進(jìn)行分析，獲得氫含量（可用以推算水含量）及硅、鈦、鋁、鐵、鎂、鈣、鈉、鉀8種元素含量，并通過(guò)比較板狀巖石和火成巖數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者的元素含量不同且前者含有更多水分，說(shuō)明在亞馬孫紀(jì)，著陸區(qū)很可能存在過(guò)地下水活動(dòng)。

短波紅外光譜儀可以在含水礦物的識(shí)別和分析方面大展身手。當(dāng)頻率連續(xù)變化的紅外光照射到待測(cè)礦物上時(shí)，分子會(huì)吸收某些特定頻率的輻射，使分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，導(dǎo)致這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱，在光譜圖上出現(xiàn)“吸收峰”。于是，根據(jù)吸收峰的位置、強(qiáng)度和形態(tài)，可以判斷礦物攜帶的化學(xué)鍵，進(jìn)而確定礦物種類。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心劉洋研究員及其團(tuán)隊(duì)利用導(dǎo)航地形相機(jī)，在著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了一種類似沉積巖的亮色板狀巖石，它們的短波紅外光譜具有1.9微米附近和2.2微米附近處的吸收特征波段。前者是含水礦物結(jié)構(gòu)水的常見(jiàn)吸收峰，后者是非晶型二氧化硅、黏土礦物、含水硫酸鹽中羥基的伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明該礦物可能為含水二氧化硅或含水硫酸鹽。

在排除了地表徑流和水體蒸發(fā)兩種成因后，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些巖石是在地下水位附近沉淀析出的鹽類物質(zhì)經(jīng)膠結(jié)和巖化作用后形成的硬殼層。它們隨著地下水位的波動(dòng)而增厚，直到松散的沉積物被侵蝕后，抗侵蝕的硬殼層便從地下暴露出來(lái)了。

巡視器短波紅外光譜儀在火星上原位探測(cè)到含水礦物，這在國(guó)際上是首次，它們證明，火星在亞馬孫紀(jì)的水活動(dòng)比想象中頻繁。

現(xiàn)代火星有水活動(dòng)

祝融號(hào)用交錯(cuò)層理、粒序?qū)永砗秃V物證明，火星從幾十億年前的晚西方紀(jì)到亞馬孫紀(jì)，都存在水活動(dòng)。這不禁讓人好奇，它有沒(méi)有在現(xiàn)代火星上發(fā)現(xiàn)水呢？

現(xiàn)代火星是否存在液態(tài)水，既對(duì)我們理解火星的演化歷史至關(guān)重要，又對(duì)未來(lái)改造火星、星際移民的宏大愿景有重要影響。

橫向風(fēng)成脊是火星表面一類特殊的、較為年輕的風(fēng)成地貌，其表面的多邊形裂隙，可以指示現(xiàn)代火星的水活動(dòng)。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）肖龍教授及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)祝融號(hào)導(dǎo)航地形相機(jī)，首次在火星橫向風(fēng)成脊表面識(shí)別出小型多邊形裂隙，其原位光譜數(shù)據(jù)表明，裂隙分布區(qū)表面可能存在石膏等含水硫酸鹽礦物。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些多邊形裂隙的產(chǎn)生與地下水或者大氣中的水有關(guān)，前者可通過(guò)毛細(xì)作用被運(yùn)送到地表，并在水分蒸發(fā)后引起表面收縮成多邊形狀；后者可以與地表進(jìn)行水汽交換，導(dǎo)致表面形成硬化的沙質(zhì)殼層，并在殼層破裂后形成多邊形裂隙，這種機(jī)制與當(dāng)前火星的條件更為相符。這些多邊形裂隙形成于橫向風(fēng)成脊的演化后期，可能指示火星近期的地表—大氣水交換過(guò)程，為揭示現(xiàn)代火星水循環(huán)過(guò)程提供線索。

與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所秦小光研究員與合作者，查看了著陸區(qū)最有代表性的沙丘地貌的照片，發(fā)現(xiàn)這些沙丘有“亮沙”、有“暗沙”，前者表面有結(jié)殼、龜裂等與水相關(guān)的特征，后者則有常見(jiàn)的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。除此之外，還發(fā)現(xiàn)了多邊形脊、帶狀痕跡等形態(tài)特征。這些團(tuán)粒是由沙礫凝結(jié)在一起形成的，而沙礫之間的膠結(jié)物最可能是含水硫酸鹽、蛋白石（含水二氧化硅）或含水氧化鐵。這些含水礦物在水的參與下才能成為凝結(jié)劑。

參與其中的水可能源于地下水、降雨、降霜與降雪，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)確定了與降霜和降雪相關(guān)的沙丘演化模型：

現(xiàn)代火星溫度降低到霜點(diǎn)后會(huì)出現(xiàn)降霜或降雪，這些霜雪在回溫后會(huì)與含鹽物質(zhì)混合融化成含鹽液態(tài)水。這些鹽水在溫度繼續(xù)升高時(shí)失水、干燥，形成上述含水礦物，并將周圍的沙礫膠結(jié)成團(tuán)粒，甚至形成結(jié)殼。結(jié)殼如果繼續(xù)干燥會(huì)形成龜裂，如果再次經(jīng)歷降霜、降雪，便會(huì)形成多邊形脊和帶狀水痕。同時(shí)，“暗沙”是覆蓋在“亮沙”上形成的，因?yàn)椤傲辽场笔且簯B(tài)鹽水干燥后形成的結(jié)殼，沙礫無(wú)法移動(dòng)，后來(lái)的風(fēng)沙將“亮沙”覆蓋便形成“暗沙”，等待降霜、降雪的又一次輪回。

盡管有研究表明火星高緯度等地區(qū)可以短暫出現(xiàn)液態(tài)水，但祝融號(hào)的發(fā)現(xiàn)是人類第一次在氣溫更高的火星低緯度地區(qū)獲得液態(tài)水的地面觀測(cè)證據(jù)。這說(shuō)明，現(xiàn)代火星可能存在比預(yù)想中更潮濕的環(huán)境。這也暗示著，如果自西方紀(jì)以來(lái)，在更加溫和的火星低緯度地區(qū)的表面和次表層一直存在液態(tài)水活動(dòng)，那么火星生命存在的可能性是否不再是天方夜譚？

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“中國(guó)國(guó)家天文”