“祝融号”揭秘火星浅表结构:未有液态水直接证据,不排除盐冰

“祝融号”揭秘火星浅表结构:未有液态水直接证据,不排除盐冰

距离地球5500万公里到4亿公里的火星可能长期存在水活动?火星地下的地层结构什么样?

祝融号、凤凰号、洞察号、好奇号、毅力号和海盗号等人类六台火星车在不同的时间登陆火星,探测这个遥远的星球。

9月26日23时,国际学术期刊《自然》在线发表论文公布了中国“祝融号”火星车的新雷达图像,这是世界上首次在火星乌托邦平原实施的巡视器雷达探测,也是45年来该区域的首份新探测数据,为乌托邦平原的盆地表面结构提供了见解。

1976年,美国海盗2号探测器在乌托邦平原北部登陆并首次实施了着陆探测,但未能探明地下结构。

火星高空轨道雷达虽然可以探测火星全球范围内的浅表结构,但其分辨率较低,特别是对于浅表百米以内几乎没有分辨能力。

2021年,中国首次火星任务中的“天问一号”携带的“祝融号”火星车成功着陆,此后在火星乌托邦平原上穿行。“祝融号”火星车次表层探测雷达能够有效对巡视区地下浅层结构成像,深化我们对乌托邦平原演化、地下水/冰分布等关键科学问题的认识。

祝融着陆区地质地貌图。(a)祝融号、凤凰号、洞察号、好奇号、毅力号和海盗号着陆点位置及古海岸线位置;(b)祝融号着陆点附近的简化地质图,比例尺为200千米;(c)祝融号着陆点附近的地形地貌图,比例尺为15千米;(d)祝融号行驶路径图,比例尺为100米

中国科学院地质与地球物理研究所发布消息称,该研究基于我国祝融火星车低频雷达数据,通过精细分析和成像,首次获得了着陆区浅表(<80米)结构与物性信息,提供了火星可能长期存在水活动的观测证据,为深入认识火星地质演化和环境、气候变迁提供了重要依据。

中国科学院地质与地球物理研究所研究员陈凌是该论文的通讯作者。她和同事基于祝融号从着陆地点行进约1117米收集到的探地雷达数据,展示了乌托邦平原南部地表图像,揭示出地下多个亚层结构,提示来自数百万年前偶发洪水之后的沉积物,或能增进我们对行星地质和水文历史的理解。

乌托邦平原是火星最大的撞击盆地,曾经可能是一个巨大的古海洋,预示着火星早期可能存在过宜居环境。乌托邦平原被北方荒原组沉积(Vastitas Borealis Formation,VBF)广泛覆盖,该地层可能代表了洪水相关的外流河道冲积形成的沉积或古海洋蒸发后残留的沉积物质。此外,乌托邦平原拥有众多典型地貌(图1c),如巨型多边形、凹锥、壁垒撞击坑等,都表明火星过去存在过大量的水/冰。然而,目前该区域地下是否仍然存在水/冰尚未可知,这限制了我们对火星水体演化的认识。

到目前为止,人类在地外天体上共开展了四次巡视雷达探测。其中,我国嫦娥三号和嫦娥四号首次实现了对月球正面和背面浅表结构的精细探测。美国毅力号和我国祝融号巡视器于2021年开启了火星雷达巡视探测的新纪元。毅力号的探测区域为杰泽罗撞击坑边缘,受限于雷达主频(150-1200 MHz),其实际最大探测深度仅为15米。与毅力号雷达相比,祝融号高频雷达的频率更高(450-2150 MHz),低频雷达的频率更低(15-95 MHz),这使得高频雷达对约0-5米深度的浅表目标能够看得更“细致”,低频雷达对地下目标看得更“深入”,实际最大探测深度达80米。

中国科学院地质与地球物理研究所行星与月球内部结构研究团队,联合国家空间科学中心和北京大学等科研人员,对祝融火星车前113个火星日采集的长度约1171米的低频雷达数据展开了深入分析,获得了80米之上的高精度结构分层图像和地层物性信息。

低频雷达数据成像结果及解译。(a)低频雷达剖面;(b)岩性地层;(c)平均介电常数随深度的变化。白色实线为地层分界,虚线为层间反射模式变化的大致分界

根据反射模式特征和估计的介电常数,可以将地下结构分为四层。第一层厚度小于10米,平均介电常数在3-4之间。第二层的深度约为10-30米,该层中反射能量随深度逐渐增强,但未出现清晰连续的反射界面,平均介电常数为4-6。数值模拟表明,这些反射特征代表该层含有较多石块,其粒径随深度逐渐增大。第三层的深度约为30-80米,与第二层类似,该层同样具有反射随深度由弱增强的模式变化特征,但反射相对更强、平均介电常数更高(6-7),这表明第三层中的石块粒径更大(可达米级)且分布更为杂乱。此外,未观测到清晰的第三层底界面,这或是因为该层底部不存在介电常数对比明显的介质物性变化,或是雷达反射能量在约80米的深度已经非常微弱,达到探测极限。

将雷达图像与着陆区地质、地貌和撞击坑挖掘深度及年龄约束相结合,获得如下认识:

(1)深度小于10米的最上层为火壤层。

(2)深度在10-30米的第二层沉积序列,可能是着陆区中晚亚马逊纪火表改造事件的结果。短时洪水、长期风化或重复陨石撞击作用可能形成了这一层中向上变细的沉积层序。

(3)深度范围在30-80米的第三层沉积序列,可能反映着陆区更古老、更大规模的火表改造事件。基于撞击坑定年结果,估计这次改造事件可能发生在35-32亿年前的晚西方纪到早亚马逊纪,可能与乌托邦平原南部的大型洪水活动有关。

除了分层特征之外,雷达剖面的另一个重要结构特征是各层之间的平滑过渡。这表明,在祝融着陆区下方80米深度范围内,来自埃律西昂火山喷发或某些晚期火山作用产生的原始玄武岩层可能缺失或太薄,以至无法在随后的火表改造事件中保留下来。

祝融火星车次表层探测雷达的主要目标之一是探测乌托邦平原南部现今是否存在地下水/冰。如果存在富水层,雷达信号会被强烈衰减,降低探测深度。低频雷达成像结果显示,0-80米深度范围内信号强度稳定,不存在富水层。此外,本研究反演约束的介质介电常数较低(不超过9),不同于含水物质通常具有的高介电常数(大于15),因此排除了巡视路径下方含有富水层的可能性。热模拟结果也进一步表明,液态水、硫酸盐或碳酸盐卤水难以在祝融号着陆区浅表100米之上稳定存在。但由于硫酸盐或碳酸盐盐冰的介电常数(2.5-8)与岩性材料相当,目前无法排除浅层存在盐冰的可能性。

乌托邦平原南部火表改造模型图。(a)晚西方纪至早亚马逊纪发生了大型洪水事件,随着洪水消退,形成了向上变细的砾岩沉积序列,比例尺为20米;(b)亚马逊纪短时洪水、长期风化或重复撞击作用改造了火表,形成了由小石块堆叠构成的向上变细的沉积层序;(c)近代火星高倾角自转导致液态水流失到高纬地区,形成现今干燥的火壤层,火表以风成沉积和侵蚀过程为主

相关图像展示出乌托邦盆地地下约70米厚的多层结构,被覆盖在不足10米厚的风化层之下。地表风化层由松散的岩石和尘土组成。

研究人员指出,层状结构或说明,这一盆地在晚赫斯伯利亚纪(Late Hesperian)至亚马逊纪(Amazonian)间经历了偶发的洪水。

研究人员强调,尽管目前仅有祝融号的雷达数据无法提供在乌托邦盆地80米底层中存在液态水的直接证据,但还不能排除含盐冰的存在。

稍早前,2022年9月19日晚,国际学术期刊《自然-地球科学》在线发表的论文称,美国国家航空航天局(NASA)“洞察号”(InSight)着陆器探测到了火星上由流星体撞击事件引起的地震波,并由NASA的火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter)将其源头追溯到相关的、新形成的撞击坑。该研究首次探测到另一个星球上由撞击产生的地震波和声波,且发现了相关的源撞击坑。

2021年5月15日,“天问一号”探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得成功。火星车建立了对地通信。

2021年5月17日,环绕器实施第四次近火制动,进入中继通信轨道,为火星车建立稳定的中继通信链路,陆续传回图像数据。

2021年5月22日,“祝融号”火星车已安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。

2021年6月7日,国家航天局发布天问一号任务着陆区域高分影像图,图像中天问一号着陆平台、“祝融号”火星车及周边区域情况清晰可见。

2021年6月11日,国家航天局公布了“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。首批科学影像图的发布标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。至此,我国首次火星探测任务一次性完成了“绕、着、巡”三步。

论文DOI: 10.1038/s41586-022-05147-5