火星地下结构和物性信息揭示乌托邦平原南部自晚西方纪

摘要：火星地下结构和物理性质的详细信息是研究火星地​​质及其宜居环境演化的关键基础地球的结构，是火星探测的重要内容之一。2021年5月15日，我国“天问一号”搭载的祝融火星车在乌托邦平原南部成功着陆。基于祝融火星车历时约4个月采集的低频雷达数据，通过精细分析成像，在南乌托邦平原形成了一个长约1171米的高精度地下（米）结构层，是此次撞击最大的火星北部低地盆地，首次获得。图像显示，在火面数米厚的风化层下，深度约10-30米和30-80米处有两组向上变薄的沉积层序。进一步，通过介电常数反演提取地层物性信息，揭示乌托邦平原南部自西部晚期（3.5-32亿年），到亚马逊中晚期（约1.6亿年）。)可能仍会发展与水活动有关的地质过程；在地表以上80米区域的地表之上没有发现存在液态水的证据，但不能排除存在盐冰的可能性。

2021年5月15日，我国天问一号搭载的祝融火星车在乌托邦平原南部成功着陆（图1a、图1b）。乌托邦平原是火星上最大的撞击盆地，它可能曾经是一片巨大的古老海洋，这表明火星上早期可能存在宜居环境。乌托邦平原被北部荒地组（ ，VBF）的沉积物广泛覆盖，这可能代表与洪水有关的流出通道冲积沉积物或古海洋蒸发后的残留沉积物。然而，目前缺乏对 VBF 的结构、物理性质、起源和演化的观测约束。此外，乌托邦平原还有许多典型的地貌（图1c），如巨大的多边形、凹锥、壁坑等，这都表明火星过去有大量的水/冰。然而，目前尚不清楚该地区地下是否还存在水/冰，这限制了我们对火星水体演化的理解。

1976年，美国海盗2号探测器登陆乌托邦平原北部，进行了首次登陆探测，但未能探测到地下结构。火星高空轨道雷达虽然可以在全球范围内探测火星的表层结构，但其分辨率较低，尤其是对100米以下的表层表面。我国“天问一号”搭载的祝融火星车地下探测雷达能够有效地对考察区地下结构进行成像，加深了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。

图1 祝融登陆区地质地貌图。(a) 祝融、凤凰、洞察号、好奇号、毅力号和维京号的登陆点和古海岸线位置；(b) 祝融登陆点附近的简化地质图，比例尺为 200 公里；(c) 祝融登陆点附近的地形图，比例尺为15公里；(d) 祝融旅游路线图，比例尺为100米

祝融火星车地下探测雷达

祝融火星车搭载的地下探测雷达（Rover Radar，RoPeR）是世界上第一台在乌托邦平原进行探测的火星车雷达。迄今为止，人类已经对地外天体进行了四次巡逻雷达探测。其中，我国嫦娥三号和嫦娥四号首次实现了对月球前后表面结构的精细探测。美国毅力号和我国的祝融号火星车将在2021年开启火星雷达探测探测的新纪元。毅力号的探测区域是陨石坑的边缘，受雷达主频（150-）的限制，而它的实际最大探测深度仅为15米。与恒心雷达相比，祝融高频雷达频率更高（450-），而低频雷达的频率较低（15-95MHz），这使得高频雷达可以达到0-5米左右的浅水深度。地表目标可以看得更“详细”，低频雷达可以更“深”地看到地下目标，实际最大探测深度为80米。

祝融火星车巡视路径的地下层状结构及地质解释

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的研究人员，对低频雷达数据进行了深入研究。火星前 113 天，祝融车采集到的长度约为 1171 米。经过分析，获得了80米以上的高精度构造层状图像和地层物性信息（图2）.

图2 低频雷达数据成像结果及解释。(a) 低频雷达剖面；(b) 岩性地层学；(c) 作为深度函数的平均介电常数。白实线为地层边界，虚线为层间反射模式变化的近似边界

但反射相对较强。平均介电常数较高（6-7），这表明第三层的石头尺寸更大（可达米）并且更杂乱。此外，没有观察到清晰的第三层底部界面要么因为层底介电常数的介电特性没有明显变化，或者雷达反射能量在80米左右的深度很微弱，达到了探测极限。

将雷达图像与着陆区的地质、地形、撞击坑开挖深度和年龄限制相结合，得到以下见解：

（1）深度小于10米的最上层为火土层；

（2）10-30m深度的第二层沉积层序可能是登陆区中后期亚马逊火面改造事件的结果。短期泛滥，长期风化，或重复的陨石撞击可能形成了这种层层向上逐渐变细的沉积序列（图3b）。

（3）深度30-80米的第三层沉积层序可能反映登陆区较老、规模较大的火面转变事件。根据撞击坑测年结果，估计这一转变事件可能发生在3.5-32亿年前的西部晚期至亚马逊早期，可能与乌托邦平原南部的大规模洪水活动有关（图3a）。

除了分层特征外，雷达剖面的另一个重要结构特征是层间的平滑过渡（图 2a）。这表明，来自极乐火山喷发或一些晚期火山作用的原始玄武岩层可能缺失或太薄，无法在祝融登陆区下方80米深处的后续火面改造事件中幸存下来。否则，由于玄武岩和沉积岩之间介电常数的显着差异，雷达剖面上会出现强反射界面。这种解释也得到了介电常数估计结果的支持（图 2c）。着陆区~3-7的介电常数值明显低于亚马逊火山单元的浅层介电常数（约9），但可与用于地下和电离层探测的火星雷达相媲美）。对于 和 ,) 估计的 VBF 在相似深度范围内的介电常数值（大约 5） 是一致的。

图 3 乌托邦平原南部火台重建模型图。(a) 西部晚期至亚马逊早期发生大洪水事件，随着洪水退去，形成向上渐细的砾岩沉积层序，比例尺为20 m；(b) 亚马孙短期洪水、长期风化或重复 撞击使火面发生变化，形成由小岩堆组成的向上变薄的沉积层序；(c) 现代火星的高倾角自转导致液态水流失到高纬度地区，形成了今天的干火土层。地表以风成沉积和侵蚀过程为主

火台80米范围内没有液态水，但可能有盐冰

祝融火星车的地下雷达的主要目标之一是探测乌托邦平原南部是否存在地下水/冰。如果有富水层，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，无富水层。此外，本研究中反演约束介质的介电常数较低（不超过 9），与水性物质通常具有的高介电常数（大于 15））不同，因此不包括存在富水层的可能性。热模拟结果也进一步表明，液态水很难地球的结构，硫酸盐或碳酸盐盐水稳定存在于祝融登陆区100米表面以上。电常数（2.5-8）与岩性材料相当，目前不能排除浅层有盐冰的可能性。

综上所述，本研究以我国祝融火星车低频雷达数据为基础，通过精细分析和成像，首次获得了着陆区表面（米）结构和物理性质的信息，为观测提供了依据。火星上可能长期存在水活动的证据。它为火星地质演化和环境气候变化提供了重要依据。

研究成果发表于国际学术刊物（李超#、郑义康#、王欣#、张金海#、王一博、陈玲*、张磊、赵攀、刘亦科、吕文敏、刘洋、赵旭, 郝金来, 孙维佳, 刘晓峰, 贾伯君, 李娟, 蓝海强, 法国文哲, 潘永新, 吴福源. 火星盆地探测雷达[J]. , 2022. DOI: 1< @0.1038/-022-05147 -5）（原文链接）本研究由中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（-）共同资助，中国科学院部署计划（ZDBS-SSW-）和国家自然科学基金（和）。