入“坑”后，他们发现火星7.5亿年前存在水活动

发布时间: 来源：中国科学报

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距今约7.5亿年，火星乌托邦平原南部浅表层仍存在显著水体活动。这是《国家科学评论》2025年12月刊发的一篇论文的结论。该结论意味着火星上的水活动比过去认为的要晚数亿年，为重新认识火星气候演化、地质过程及探索潜在宜居生命提供了新的重要证据。

这一发现过程并非坦途。“一开始觉得还挺简单的，深入研究才发现，真是入了个‘大坑’！”回忆研究历程，论文第一兼通讯作者、中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）研究员刘伊克曾这么对时任所长、中国科学院院士吴福元说。

“‘大坑’好啊！如果‘坑’不大，别人就都做出来了。”吴福元笑着回答。

入“坑”：读雷达信号

今天，距离地球最远4亿公里的火星是一颗寒冷干燥的星球，但它并非一直如此。科学家发现，这颗红色星球在约40亿至37亿年前，曾广泛发育河流、湖泊乃至海洋；约37亿至30亿年前，气候逐渐由湿润转向干旱；30亿年前至今，整体进入寒冷干旱环境，仅保留冰、卤盐沉积、地下水上涌、地表冰融化及局部洪水等有限水活动。

“了解火星水与气候活动，对未来人类探索火星、选择着陆点及持续支持人类活动具有重要意义。”刘伊克说，这正是科学界执着于探究这一目标的重要原因。

2021年5月15日，祝融号火星车在乌托邦平原南部成功着陆。其携带的六大科学装备中，次表层探测雷达是全车唯一能够探测地表以下数十米的设备。该雷达有低频、高频两种。

低频雷达能够探测地下几十米深的地层。地质地球所利用相关数据的研究已经表明，该区域曾经历两期洪水沉积事件——35亿年前至32亿年前曾发生大型洪水活动，16亿年前仍有小型洪水事件发生。这些发现将火星水活动时间延长了近14亿年。

但低频雷达对火星浅表10米的地层结构探索“无能为力”。“若能在火星浅层地表发现水冰，将具有更重大的现实意义。”刘伊克说。高频雷达正好能够弥补低频的“缺憾”。“祝融号高频雷达有4个极化方向，信息量多，成像分辨率高，对10米内浅表的探测精度可以达到厘米级。”

“伊克，你来分析雷达高频信号吧。”刘伊克还记得，吴福元最初把这项任务分给自己时，他为能够参与这一重要分析而喜不自胜。“高频数据分析和我的专业比较近——我一直在做地震方面的研究，主要是油气和应用地球物理领域，因此比较适合做这项分析。”他回忆说。

与用地震波给地下结构“做CT”一样，雷达会向地下发射电磁波信号，反射的信号被接收器接收，可以用这些信号“推测”火星地下的结构，从而对巡视区地下浅层结构进行精细成像。

不过，刘伊克没有想到的是，高频数据的处理难度远超预期。“数据噪声特别大。就像你发出一连串的声音，收到无数个回声，噪声与原声反复叠加，很难分辨原来的声音。”这让他一时感觉“真是跳进了一个‘大坑’”。

好在他们在地球上作业的经验丰富。刘伊克因在地震多次波成像与压制理论和方法方面的创新性研究，成为首位获得国际勘探地球物理学家学会雷吉诺德·范信达奖的中国学者。他带领团队利用这一方法压制雷达多次散射噪声，终于还原出浅层地表清晰的原始信号。

他们还将地震学研究中常用的测井分析、各向异性等方法，迁移到雷达信号解读中，解析火星地层，绘制出着陆区7米深的浅层地表“高清照片”——垂向分辨率高达5厘米，能清晰分辨薄层沉积。

陷“坑”：推理火星演化史

雷达数据成像与介电常数分析显示，祝融号着陆区7米深的浅层地表存在上、中、下三层反射面，上、下层为弱反射面，中层为强反射面；中、下层普遍存在整体向北倾斜的坡面和裂缝构造，存在一处向南倾斜的铲形断层，并呈现“碗形”特征——它们是两个已被掩埋的陨石坑。

怎么根据这些信息判断祝融号着陆区是否存在水呢？这是另一个让刘伊克挠头的问题。

为了作出科学合理的判断，刘伊克团队拉来了全所不同领域的专家“把脉”。“岩石学、构造学、沉积学、地质学、遥感学……不同方向的人都加进来了，我们花了很大的功夫，一块儿讨论问题。”他对《中国科学报》说，“所以论文的作者有27人之多。”

刘伊克记得，在吴福元和中国科学院院士、天问一号火星探测首席科学家潘永信的牵头下，在地质地球所召开了近10次讨论会，展开“头脑风暴”。大家经常争论得面红耳赤。有人提出假设，有人将其推翻，如此反复。

以沉积层形成为例，其形成原因主要分为4类，即火山熔岩沉积、变质岩沉积、风沙沉积、水沉积。团队利用“排除法”，逐一排除了前3个成因。多项证据都指向“水沉积”的形成机制：火星表面成分分析仪在地表识别出多处板状岩石和海滨交错层理的片状岩石，并检测到含水矿物；高频雷达成像揭示了掩埋于中部地层的厘米级薄层沉积结构，形态与地表沉积岩石层理高度相似，表明其形成于水环境沉积过程；向南倾斜的铲形断层结构表明，下层岩石相较于上覆地层更具塑性变形特征，暗示其可能富含石膏或岩盐等盐类矿物，此类地层通常与水下沉积环境密切相关。

此外，与美国毅力号所在的杰泽罗区相比，祝融号着陆区介质损耗角正切远小于毅力号所在的火山熔岩覆盖区，进一步表明该区域属于沉积环境。尽管火星表面成分分析仪未直接在地表探测到黏土矿物，但下层反演获得的介电常数约6.5，与富盐或富黏土沉积层的典型数值一致。底层各向异性参数也指示富盐沉积物的存在，进一步暗示了历史上水活动的参与。

“这些都说明，水沉积是唯一的合理解释。”刘伊克说。

根据陨石坑计年法，团队发现，底层沉积物形成时间约为7.5亿年前。陨石坑掩埋深度与规模进一步指示，该区域在沉积时期处于浅水环境。与祝融号低频雷达在10至30米深度揭示的古海岸线特征形成良好对应。

综合多重线索，团队逐渐“拼出”火星祝融号着陆区7.5亿年以来的演化图景：最初处于液态水环境；此后，局部湖泊或地下水上升，带来沉积物沉积、碎屑堆积、坡面；随着时间推移，逐渐形成以含水沉积为特征，经风化、沉积改造的浅地表结构。

出“坑”：有成就感

《国家科学评论》审稿人认为，这是一项“高质量的研究”，“创造性地将地震成像方法应用于探地雷达数据……揭示了新的地质学信息和解释依据”。

至此，刘伊克终于出“坑”。不过，当被问及未来是否还会开展行星科学探测相关研究，他直言：“会。”

刘伊克表示，行星科学正成为地球科学的新生长点。地质地球所是国内最早进行这一领域布局和研究的机构，早在2003年就开始布局这一学科，2017年在中国科学院大学设立地球与行星科学专业。

“这几年，从月球到火星，我们在行星科学探测方面做得‘轰轰烈烈’。”他笑言，“这方面的研究有挑战，也有成就感。”