祝融號火星尋水記

張慧卿　申建勛

在火星上“出野外”的祝融號

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

2021年5月15日，祝融號第一次在火星印上了中國的足跡，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低地單元，根據撞擊坑統(tǒng)計定年法推測，這里后期很有可能被更為年輕的亞馬孫紀層所覆蓋。祝融號就在這里開展了358個火星日的“野外工作”，獲得了大量寶貴的科學數據，搜尋到了火星上存在水的證據。

西方紀有水活動

如果火星上曾經存在過大量的水，那么就遠不只留下侵蝕、沉積地貌這么簡單，勢必會在地層中留下其他證據。

祝融號的“眼睛”——導航地形相機和多光譜相機，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，導航地形相機是一對鏡頭，像人的雙眼一左一右分開排布，多光譜相機則像二郎神的第三只眼睛，位于一對導航地形相機鏡頭的中間。導航地形相機可以像人眼捕獲可見光那樣拍攝一些可見光波段的彩色廣角照片，記錄巡視區(qū)的地形地貌；多光譜相機共有9個成像譜段，覆蓋可見光到近紅外波段，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，并認為這一區(qū)域會形成特殊的海洋沉積地質單元，即北方荒原組（VBF）。在祝融號降落至這片平原之前，這一切都是理論，未得到實地數據的證實。

中國地質大學（武漢）肖龍教授及其研究團隊對這一問題十分重視，于是他們仔細分析祝融號傳回的多光譜相機照片，發(fā)現“這些裸露的巖石發(fā)育層理構造，顯著不同于火星表面常見的火山巖，也不同于風沙沉積形成的層理構造，這些層理指示的雙向水流特點，與地球濱—淺海環(huán)境中的低能潮汐流一致”。

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

海洋潮汐力量的來源是衛(wèi)星。相對地球的衛(wèi)星月亮（直徑約3480千米）而言，火星的兩顆衛(wèi)星都非常?。ㄖ睆椒謩e約22.2千米和12.6千米），它們給火星表面帶來的潮汐系統(tǒng)能量很低，所以海洋和河流的“戰(zhàn)斗規(guī)模”小，只能形成這種小規(guī)模的層理構造。

這小小的交錯層理，連同其他沉積構造，揭示了一個古老又龐大的故事——祝融號所處的北部低地平原，在大約36億年前的西方紀時，可能是一片海洋，而這些巖石就是海水退去時遺留下的證據。

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

西方紀以來有水活動

除了“眼睛”，祝融號的“順風耳”次表層探測雷達也探明，火星表面的風化層下存在著兩套向上變細的沉積層序，說明此處可能自晚西方紀以來還發(fā)生過多期水活動。

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

祝融號一邊向前走，一邊用次表層探測雷達“探聽”地下構造，在登陸后的前113個火星日，它記錄了長達1171米路徑上的雷達數據。

中國科學院地質與地球物理研究所陳凌研究員及其合作團隊，在深入分析該數據后發(fā)現，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，由松散物質堆積而成，平均介電常數為3～4；第二層是地下10～30米，平均介電常數為4～6，反射能量隨深度逐漸增強，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，平均介電常數為6～7，反射強度也隨著深度的增加而逐漸增強，更高的平均介電常數反映出更大的石塊粒徑（可達米級）。

沿著粒序沉積的順序，火星上自西方紀以來水活動的故事，一層層揭開神秘的面紗。

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

在亞馬孫紀，這里可能經歷了短時間的洪水、持續(xù)的風化作用以及多次隕石撞擊，形成了由小石塊堆疊構成的向上變細的沉積層序。直到近代，火星的液態(tài)水進一步流失到高緯度地區(qū)，這里的表面只留下了風成沉積和侵蝕作用改造后的干燥火壤層。

值得一提的是，次表層探測雷達沒有在這80米的范圍內發(fā)現富水層，但無法排除鹽冰存在的可能性。那么，還有沒有其他手段可以來驗證亞馬孫紀的水活動呢？

亞馬孫紀有水活動

一直以來，科學家認為，火星在亞馬孫紀時期氣候寒冷干燥，鮮有液態(tài)水存在。盡管軌道數據顯示，烏托邦平原的許多地貌指示其曾經存在大量揮發(fā)物質，但可能由于軌道遙感數據分辨率和覆蓋率不夠，沒有發(fā)現該地區(qū)存在含水礦物。所以，亞馬孫紀的氣候環(huán)境究竟如何，仍然不得而知。

好在祝融號從地球出發(fā)，奔波了近10個月并成功登陸火星。它為此次“野外”任務做好了萬全準備，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”——火星表面成分探測儀。這個“工具包”中配備了3臺儀器，分別是激光誘導擊穿光譜儀、短波紅外光譜儀和微成像相機。

激光誘導擊穿光譜儀可以將激光聚焦于樣品表面，激發(fā)樣品產生等離子體，樣品中的元素在成為等離子體后會發(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。

成都理工大學趙宇鴳研究員團隊，利用祝融號巡視器搭載的激光誘導擊穿光譜儀對著陸區(qū)的火成巖、板狀巖石、膠結硬殼、土壤和沙丘進行分析，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，并通過比較板狀巖石和火成巖數據發(fā)現，二者的元素含量不同且前者含有更多水分，說明在亞馬孫紀，著陸區(qū)很可能存在過地下水活動。

短波紅外光譜儀可以在含水礦物的識別和分析方面大展身手。當頻率連續(xù)變化的紅外光照射到待測礦物上時，分子會吸收某些特定頻率的輻射，使分子的振動和轉動能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，導致這些吸收區(qū)域的透射光強度減弱，在光譜圖上出現“吸收峰”。于是，根據吸收峰的位置、強度和形態(tài)，可以判斷礦物攜帶的化學鍵，進而確定礦物種類。

中國科學院國家空間科學中心劉洋研究員及其團隊利用導航地形相機，在著陸區(qū)發(fā)現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。前者是含水礦物結構水的常見吸收峰，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峰，說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，研究團隊認為，這些巖石是在地下水位附近沉淀析出的鹽類物質經膠結和巖化作用后形成的硬殼層。它們隨著地下水位的波動而增厚，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了。

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

現代火星有水活動

祝融號用交錯層理、粒序層理和含水礦物證明，火星從幾十億年前的晚西方紀到亞馬孫紀，都存在水活動。這不禁讓人好奇，它有沒有在現代火星上發(fā)現水呢？

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

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

中國地質大學（武漢）肖龍教授及其團隊通過祝融號導航地形相機，首次在火星橫向風成脊表面識別出小型多邊形裂隙，其原位光譜數據表明，裂隙分布區(qū)表面可能存在石膏等含水硫酸鹽礦物。該團隊認為，這些多邊形裂隙的產生與地下水或者大氣中的水有關，前者可通過毛細作用被運送到地表，并在水分蒸發(fā)后引起表面收縮成多邊形狀；后者可以與地表進行水汽交換，導致表面形成硬化的沙質殼層，并在殼層破裂后形成多邊形裂隙，這種機制與當前火星的條件更為相符。這些多邊形裂隙形成于橫向風成脊的演化后期，可能指示火星近期的地表—大氣水交換過程，為揭示現代火星水循環(huán)過程提供線索。

與此同時，中國科學院地質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)現這些沙丘有“亮沙”、有“暗沙”，前者表面有結殼、龜裂等與水相關的特征，后者則有常見的團粒結構。除此之外，還發(fā)現了多邊形脊、帶狀痕跡等形態(tài)特征。這些團粒是由沙礫凝結在一起形成的，而沙礫之間的膠結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劑。

參與其中的水可能源于地下水、降雨、降霜與降雪，結合其他數據，研究團隊確定了與降霜和降雪相關的沙丘演化模型：

現代火星溫度降低到霜點后會出現降霜或降雪，這些霜雪在回溫后會與含鹽物質混合融化成含鹽液態(tài)水。這些鹽水在溫度繼續(xù)升高時失水、干燥，形成上述含水礦物，并將周圍的沙礫膠結成團粒，甚至形成結殼。結殼如果繼續(xù)干燥會形成龜裂，如果再次經歷降霜、降雪，便會形成多邊形脊和帶狀水痕。同時，“暗沙”是覆蓋在“亮沙”上形成的，因為“亮沙”是液態(tài)鹽水干燥后形成的結殼，沙礫無法移動，后來的風沙將“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)可以短暫出現液態(tài)水，但祝融號的發(fā)現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)水的地面觀測證據。這說明，現代火星可能存在比預想中更潮濕的環(huán)境。這也暗示著，如果自西方紀以來，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，那么火星生命存在的可能性是否不再是天方夜譚？

本文轉自微信公眾號“中國國家天文”