中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉洋研究員團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)祝融號(hào)火星車(chē)獲取的短波紅外光譜和導(dǎo)航與地形相機(jī)數(shù)據(jù)，在著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了巖化的板狀硬殼層，通過(guò)分析光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這些類(lèi)似沉積巖的板狀硬殼層富含含水硫酸鹽等礦物。研究團(tuán)隊(duì)推斷，這些富含硫酸鹽的硬殼層可能是由地下水涌溢或者毛細(xì)作用蒸發(fā)結(jié)晶出的鹽類(lèi)礦物膠結(jié)了火星土壤后經(jīng)巖化作用形成，這也標(biāo)志著祝融號(hào)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首次利用巡視器上的短波紅外光譜儀在火星原位探測(cè)到含水礦物。
祝融號(hào)火星車(chē)著陸區(qū)位于經(jīng)歷了重塑事件的年輕亞馬遜紀(jì)地層上，已有的研究認(rèn)為火星在亞馬遜紀(jì)時(shí)期氣候寒冷干燥，液態(tài)水活動(dòng)的范圍和程度極其有限。祝融號(hào)在地質(zhì)年代較為年輕的著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)水活動(dòng)的跡象表明，亞馬遜紀(jì)時(shí)期的火星水圈可能比以往認(rèn)為的更加活躍。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)理解火星的氣候環(huán)境演化歷史具有重要意義，該成果于5月11日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊 Science Advances上。
中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)搭載的祝融號(hào)火星車(chē)于2021年5月15日成功著陸于烏托邦平原南部（北緯25.066°、東經(jīng)109.925°）區(qū)域，首次在火星上留下了中國(guó)印記。截至目前，祝融號(hào)火星車(chē)已經(jīng)在火星北部低地的烏托邦平原區(qū)域行駛1年，累計(jì)行駛近2千米 ，獲得了大量寶貴的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。已有的撞擊坑定年工作顯示，著陸區(qū)位于經(jīng)過(guò)了后期重塑事件的亞馬遜紀(jì)地層，是火星地質(zhì)年代幾個(gè)主要階段（前諾亞紀(jì)、諾亞紀(jì)、西方紀(jì)和亞馬遜紀(jì)）的末期，氣候已經(jīng)從以前的暖濕變?yōu)橐院涓珊禐橹�。軌道遙感數(shù)據(jù)分析顯示，著陸點(diǎn)周?chē)植嫉亩喾N地貌特征（圖1）指示烏托邦平原曾經(jīng)可能存在大量的揮發(fā)分。但受限于空間分辨率和覆蓋率，軌道遙感數(shù)據(jù)并沒(méi)有在著陸區(qū)附近發(fā)現(xiàn)含水礦物，這為此類(lèi)地貌的形成機(jī)制和該地區(qū)水活動(dòng)的性質(zhì)帶來(lái)了諸多疑問(wèn)。
圖1.（A）“祝融號(hào)”著陸點(diǎn)地貌圖。（B）“祝融號(hào)”巡視路線圖。（Liu et al., 2022, Science Advances）
劉洋研究員和合作者通過(guò)對(duì)祝融號(hào)火星表面成分探測(cè)器（MarSCoDe）獲取的短波紅外光譜和導(dǎo)航與地形相機(jī)（NaTeCam）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一種形貌上類(lèi)似沉積巖的巖石類(lèi)型——板狀的亮色巖石。這些板狀巖石通常部分被灰塵和土壤覆蓋，顯示出剝落的表面，表明受到熱應(yīng)力和風(fēng)成作用的物理風(fēng)化。研究人員利用短波紅外光譜在這些亮色板狀巖石中探測(cè)到了之前軌道數(shù)據(jù)在該區(qū)域沒(méi)有識(shí)別到的含水礦物，這些光譜具有~1.9μm和~2.2μm吸收特征，推測(cè)其為含水硅或含水硫酸鹽（圖2）。
圖2.導(dǎo)航相機(jī)全景圖（A）sol 32、（B）sol 43和（C）sol 45。白色箭頭指示短波紅外光譜觀測(cè)目標(biāo)巖石的位置。（D）光譜測(cè)量巖石的放大圖像。（E）短波紅外光譜與實(shí)驗(yàn)室光譜的比較。上圖顯示平滑的短波紅外光譜（粗實(shí)線）疊加在原始光譜（細(xì)實(shí)線）。（Liu et al., 2022, Science Advances）
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些亮色巖石與海盜一號(hào)火星著陸器原位觀察到的破碎巖石在形貌上相似，是一層本地發(fā)育的硬殼（duricrust）。但海盜一號(hào)著陸區(qū)的硬殼層相對(duì)脆薄，可能是由大氣中的水汽長(zhǎng)期和火星表面土壤相互作用膠結(jié)形成。祝融號(hào)著陸點(diǎn)的硬殼似乎更耐侵蝕，并在周?chē)缮⒌耐寥乐行纬珊駥樱▓D3），這需要大量的液態(tài)水，而單靠大氣中的水蒸氣無(wú)法形成。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)著陸區(qū)不存在明顯的地表徑流或河道留下的痕跡，而且巡視路線周?chē)⑽窗l(fā)現(xiàn)由水體蒸發(fā)形成的蓬松松脆的表面和鹽霜?dú)埩粑�，從而排除了表面大�?guī)模水體活動(dòng)的可能。研究團(tuán)隊(duì)提出一種形成機(jī)制是，沉積期前的土壤風(fēng)化層在富含鹽類(lèi)的地下水上升或滲透期間經(jīng)歷了膠結(jié)和巖化作用，形成了觀察到的板狀巖石。鹽類(lèi)膠結(jié)物從毛細(xì)孔隙或靠近潛水面的地下水中沉淀，發(fā)生活躍的蒸發(fā)和聚集。地下水位的間歇性波動(dòng)可能會(huì)使硬殼進(jìn)一步增厚，并形成層狀結(jié)構(gòu)。隨后覆蓋在硬殼上的表土受到侵蝕作用流失，使得抗侵蝕的硬殼層暴露了出來(lái)（圖3）。
圖3.祝融著陸區(qū)富含硫酸鹽的巖化硬殼形成過(guò)程示意圖。第1階段：蒸發(fā)發(fā)生在地下水位附近和毛細(xì)邊緣地帶，鹽膠結(jié)物在該區(qū)域沉淀析出。沉積期前風(fēng)化層通過(guò)膠結(jié)和巖化作用形成了一層薄薄的硬殼層。第2階段：地下水位波動(dòng)增厚硬殼層。第3階段：松散沉積物被侵蝕暴露出抗侵蝕的硬殼層。（Liu et al., 2022, Science Advances）
祝融號(hào)火星車(chē)的發(fā)現(xiàn)表明，火星在亞馬遜紀(jì)時(shí)期的水活動(dòng)可能比以前認(rèn)為的更加活躍。祝融號(hào)著陸區(qū)（以及火星北部平原的廣泛區(qū)域）可能含有大量以含水礦物形式存在的可利用水，可供未來(lái)載人火星探測(cè)的原位資源利用。
上述研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上，論文的第一作者和通訊作者是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心劉洋研究員。該研究得到中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（XDB41000000）、民用航空航天技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目（D020102 和D020101）、國(guó)家自然科學(xué)基金（42072337）和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心“攀登計(jì)劃”等的支持。
論文信息：Yang Liu*, Xing Wu, Yuyan Zhao, Lu Pan, Chi Wang, Jia Liu, Zhenxing Zhao, Xiang Zhou, Chaolin Zhang, Yuchun Wu, Wenhui Wan, Yongliao Zou (2022), Zhurong reveals recent aqueous activities in Utopia Planitia, Mars. Science Advances, 8(19), eabn8555, https://doi: 10.1126/sciadv.abn8555.
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8555
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