距離地球5500萬公里到4億公里的火星可能長期存在水活動？火星地下的地層結構什麼樣？祝融號、鳳凰號、洞察號、好奇號、毅力號和海盜號等人類六台火星車在不同的時間登陸火星，探測這個遙遠的星球。

9月26日23時，國際學術期刊《自然》在線發表論文公佈了中國“祝融號”火星車的新雷達圖像，這是世界上首次在火星烏托邦平原實施的巡視器雷達探測，也是45年來該區域的首份新探測數據，為烏托邦平原的盆地表面結構提供了見解。

1976年，美國海盜2號探測器在烏托邦平原北部登陸並首次實施了著陸探測，但未能探明地下結構。

火星高空軌道雷達雖然可以探測火星全球範圍內的淺表結構，但其分辨率較低，特別是對於淺表百米以內幾乎沒有分辨能力。

2021年，中國首次火星任務中的“天問一號”攜帶的“祝融號”火星車成功著陸，此後在火星烏托邦平原上穿行。“祝融號”火星車次表層探測雷達能夠有效對巡視區地下淺層結構成像，深化我們對烏托邦平原演化、地下水/冰分佈等關鍵科學問題的認識。

祝融著陸區地質地貌圖。（a）祝融號、鳳凰號、洞察號、好奇號、毅力號和海盜號著陸點位置及古海岸線位置；（b）祝融號著陸點附近的簡化地質圖，比例尺為200千米；（c）祝融號著陸點附近的地形地貌圖，比例尺為15千米；（d）祝融號行駛路徑圖，比例尺為100米

中國科學院地質與地球物理研究所發布消息稱，該研究基於我國祝融火星車低頻雷達數據，通過精細分析和成像，首次獲得了著陸區淺表（<80米）結構與物性信息，提供了火星可能長期存在水活動的觀測證據，為深入認識火星地質演化和環境、氣候變遷提供了重要依據。

中國科學院地質與地球物理研究所研究員陳凌是該論文的通訊作者。她和同事基於祝融號從著陸地點行進約1117米收集到的探地雷達數據，展示了烏托邦平原南部地表圖像，揭示出地下多個亞層結構，提示來自數百萬年前偶發洪水之後的沉積物，或能增進我們對行星地質和水文歷史的理解。

烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，曾經可能是一個巨大的古海洋，預示著火星早期可能存在過宜居環境。烏托邦平原被北方荒原組沉積（Vastitas Borealis Formation，VBF）廣泛覆蓋，該地層可能代表了洪水相關的外流河道沖積形成的沉積或古海洋蒸發後殘留的沉積物質。此外，烏托邦平原擁有眾多典型地貌（圖1c），如巨型多邊形、凹錐、壁壘撞擊坑等，都表明火星過去存在過大量的水/冰。然而，目前該區域地下是否仍然存在水/冰尚未可知，這限制了我們對火星水體演化的認識。

到目前為止，人類在地外天體上共開展了四次巡視雷達探測。其中，我國嫦娥三號和嫦娥四號首次實現了對月球正面和背面淺表結構的精細探測。美國毅力號和我國祝融號巡視器於2021年開啟了火星雷達巡視探測的新紀元。毅力號的探測區域為傑澤羅撞擊坑邊緣，受限於雷達主頻（150-1200 MHz），其實際最大探測深度僅為15米。與毅力號雷達相比，祝融號高頻雷達的頻率更高（450-2150 MHz），低頻雷達的頻率更低（15-95 MHz），這使得高頻雷達對約0-5米深度的淺表目標能夠看得更“細緻”，低頻雷達對地下目標看得更“深入”，實際最大探測深度達80米。

中國科學院地質與地球物理研究所行星與月球內部結構研究團隊，聯合國家空間科學中心和北京大學等科研人員，對祝融火星車前113個火星日採集的長度約1171米的低頻雷達數據展開了深入分析，獲得了80米之上的高精度結構分層圖像和地層物性信息。

低頻雷達數據成像結果及解譯。（a）低頻雷達剖面；（b）岩性地層；（c）平均介電常數隨深度的變化。白色實線為地層分界，虛線為層間反射模式變化的大致分界

根據反射模式特徵和估計的介電常數，可以將地下結構分為四層。第一層厚度小於10米，平均介電常數在3-4之間。第二層的深度約為10-30米，該層中反射能量隨深度逐漸增強，但未出現清晰連續的反射界面，平均介電常數為4-6。數值模擬表明，這些反射特征代表該層含有較多石塊，其粒徑隨深度逐漸增大。第三層的深度約為30-80米，與第二層類似，該層同樣具有反射隨深度由弱增強的模式變化特徵，但反射相對更強、平均介電常數更高（6-7），這表明第三層中的石塊粒徑更大（可達米級）且分佈更為雜亂。此外，未觀測到清晰的第三層底界面，這或是因為該層底部不存在介電常數對比明顯的介質物性變化，或是雷達反射能量在約80米的深度已經非常微弱，達到探測極限。

將雷達圖像與著陸區地質、地貌和撞擊坑挖掘深度及年齡約束相結合，獲得如下認識：

（1）深度小於10米的最上層為火壤層。

（2）深度在10-30米的第二層沉積序列，可能是著陸區中晚亞馬遜紀火表改造事件的結果。短時洪水、長期風化或重複隕石撞擊作用可能形成了這一層中向上變細的沉積層序。

（3）深度範圍在30-80米的第三層沉積序列，可能反映著陸區更古老、更大規模的火表改造事件。基於撞擊坑定年結果，估計這次改造事件可能發生在35-32億年前的晚西方紀到早亞馬遜紀，可能與烏托邦平原南部的大型洪水活動有關。

除了分層特徵之外，雷達剖面的另一個重要結構特徵是各層之間的平滑過渡。這表明，在祝融著陸區下方80米深度範圍內，來自埃律西昂火山噴發或某些晚期火山作用產生的原始玄武岩層可能缺失或太薄，以至無法在隨後的火表改造事件中保留下來。

祝融火星車次表層探測雷達的主要目標之一是探測烏托邦平原南部現今是否存在地下水/冰。如果存在富水層，雷達信號會被強烈衰減，降低探測深度。低頻雷達成像結果顯示，0-80米深度範圍內信號強度穩定，不存在富水層。此外，本研究反演約束的介質介電常數較低（不超過9），不同於含水物質通常具有的高介電常數（大於15），因此排除了巡視路徑下方含有富水層的可能性。熱模擬結果也進一步表明，液態水、硫酸鹽或碳酸鹽滷水難以在祝融號著陸區淺表100米之上穩定存在。但由於硫酸鹽或碳酸鹽鹽冰的介電常數（2.5-8）與岩性材料相當，目前無法排除淺層存在鹽冰的可能性。

烏托邦平原南部火表改造模型圖。（a）晚西方紀至早亞馬遜紀發生了大型洪水事件，隨著洪水消退，形成了向上變細的礫岩沉積序列，比例尺為20米；（b）亞馬遜紀短時洪水、長期風化或重複撞擊作用改造了火表，形成了由小石塊堆疊構成的向上變細的沉積層序；（c）近代火星高傾角自轉導致液態水流失到高緯地區，形成現今乾燥的火壤層，火表以風成沉積和侵蝕過程為主

相關圖像展示出烏托邦盆地地下約70米厚的多層結構，被覆蓋在不足10米厚的風化層之下。地表風化層由鬆散的岩石和塵土組成。

研究人員指出，層狀結構或說明，這一盆地在晚赫斯伯利亞紀（Late Hesperian）至亞馬遜紀（Amazonian）間經歷了偶發的洪水。

研究人員強調，儘管目前僅有祝融號的雷達數據無法提供在烏托邦盆地80米底層中存在液態水的直接證據，但還不能排除含鹽冰的存在。

稍早前，2022年9月19日晚，國際學術期刊《自然-地球科學》在線發表的論文稱，美國國家航空航天局（NASA）“洞察號”（InSight）著陸器探測到了火星上由流星體撞擊事件引起的地震波，並由NASA的火星勘測軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter）將其源頭追溯到相關的、新形成的撞擊坑。該研究首次探測到另一個星球上由撞擊產生的地震波和聲波，且發現了相關的源撞擊坑。

2021年5月15日，“天問一號”探測器成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功。火星車建立了對地通信。

2021年5月17日，環繞器實施第四次近火制動，進入中繼通信軌道，為火星車建立穩定的中繼通信鏈路，陸續傳回圖像數據。

2021年5月22日，“祝融號”火星車已安全駛離著陸平台，到達火星表面，開始巡視探測。

2021年6月7日，國家航天局發布天問一號任務著陸區域高分影像圖，圖像中天問一號著陸平台、“祝融號”火星車及周邊區域情況清晰可見。

2021年6月11日，國家航天局公佈了“祝融號”火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學影像圖的發布標誌著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。至此，我國首次火星探測任務一次性完成了“繞、著、巡”三步。

論文DOI: 10.1038/s41586-022-05147-5