“祝融号”着陆区遥感与原位探测揭示火星乌托邦平原古海洋海岸带形成与演化历史

摘要：

2021年5月，中国的“祝融号”火星车成功着陆在火星北半球乌托邦平原南部。火星北半球低地是否存在古海洋一直是火星早期演化的未解之谜。最近的研究通过“祝融号”原位探测数据，在着陆点附近观察到了与水相关的特征。本文利用遥感数据对“祝融号”着陆区周边更大的范围进行了全面的形貌分析，并结合原位探测数据，发现乌托邦平原南部存在一个海岸带。且该海岸带被特定的地形等高线分隔成包含不同类型水活动特征的区域，表明存在不同类型的海洋环境。该海岸带被进一步划分为近岸高地-低地过渡单元、浅海和深海涸泽单元。“祝融号”原位探测结果也发现了沉积岩、具交错层理的水成岩石、以及地下沉积层等与水活动有关的证据。本文研究结果进一步揭示了火星乌托邦平原南部海岸带的形成与演化历史：（1）乌托邦平原的洪水于晚诺亚纪（约36.8亿年前）发生，到达最南部的海岸线并形成海岸带；（2）海岸带的水逐渐消退，于早西方纪约35亿年和34.2亿年前分别形成了浅海和深海涸泽单元；（3）海岸带的地下水及挥发分在亚马逊纪期间逐渐消失。

火星北半球低地曾经存在古海洋的假说一直是火星早期演化研究的未解之谜。古海洋的存在可能对早期火星的气候和大气产生重大影响，并留下地质记录。中国的“祝融号”火星车于2021年5月成功着陆在火星乌托邦平原南部 (Liu et al., 2022; Wu et al., 2022)，这一地区被认为是可能曾覆盖火星北半球低地的古海洋的一部分 （图1）。“祝融号”着陆在晚西方纪的低地（lHl）地质单元 (Tanaka et al., 2014)，该地质单元主要由北方荒原组（VBF）物质组成，被认为可能源自河流、湖泊或海洋沉积物，以及来自高地的碎屑物或地下水排放、泥火山活动等。

图1. “祝融号”着陆点(红色十字叉)与研究区域(红色框)及邻近范围地质图(Tanaka et al., 2014)。不同颜色代表不同的地质单元，粗黑线显示可能的古海岸线（Ivanov et al., 2017）。

本研究首先利用遥感数据对祝融号着陆区及其周边1800公里 × 800公里范围(图1中红色框)进行了详细的地形、地貌、地质分析。利用5米分辨率火星CTX相机图像以及0.7米分辨率天问一号高分相机图像，识别了11895个凹顶锥、2773个多边形槽、以及77片刻蚀流(图2b)。现有研究指明乌托邦平原南部的凹顶锥可能起源于泥火山 (Ye et al., 2021)，常形成于地下水/冰含量较少的区域。而多边形槽以及刻蚀流则需地下水/冰较富集时才能形成。一个非常有意思的发现是，在研究区域的lHl地质单元内，这些凹顶锥与多边形槽(包括刻蚀流)沿一条地形等高线(-4200米)被分隔成南、北两部分(图2c)，南部主要分布着凹顶锥，而北部主要分布着多边形槽与刻蚀流。而水位线通常与地形等高线相吻合，因此，将研究区域内的lHl地质单元进一步划分为南部水/冰含量较少的浅海涸泽单元(HNlsm)与北部水/冰含量较多的深海涸泽单元(HNldm)。

在研究区域内也识别了许多具有糕状或壁垒状溅射毯的撞击坑(图2d)，这些撞击坑只在有水/冰或其它挥发物存在的地区才能形成。其中，具有糕状溅射毯的撞击坑相较壁垒状溅射毯的撞击坑需在水/冰含量更多的区域才能形成。在研究区域内，具有壁垒状溅射毯的撞击坑分布较均匀，然而，具有糕状溅射毯的撞击坑则主要分布在北部单元，这一分布特征与上述北部深海涸泽单元水/冰含量较多的推测相吻合。

图2.（a）研究区域的地质单元及其绝对模型年龄。（b）凹顶锥密度图、多边形沟槽和刻蚀流分布图。（c）高程图。（d）撞击坑密度图、糕状和壁垒状溅射毯撞击坑分布图。

采用撞击坑大小-频率分布定年方法，估计浅海涸泽单元HNlsm和深海涸泽单元HNldm的表面年龄分别约为35亿年和34.2亿年，而将具有环形遗迹的掩埋撞击坑(ghost crater)纳入到撞击坑定年分析后，得到其表面年龄分别约为36.2亿年和36.8亿年 (图3)。后者的年龄对应乌托邦平原洪水发生形成古海洋的初期；前者的年龄对应海岸带的水逐渐消退，分别形成浅海和深海涸泽单元时期。

图3. 基于撞击坑大小-频率分布分析的海岸带浅海、深海涸泽单元表面年龄估计。红色代表将掩埋撞击坑纳入定年分析后得到的年龄。

此外，研究还利用了“祝融号”火星车获得的原位观测数据发现了水活动证据。包括“祝融号”携带的火星表面成分探测仪（MarSCoDe）识别出的含水矿物，例如水合二氧化硅（主要是蛋白石和隐晶质石英）和水铝英等。此外，Xiao et al.（2023）指出，在“祝融号”火星车行驶路径沿线发现的具交错层理的岩石可能由水流和潮汐作用形成。火星车次表层探测雷达（RoPeR）数据揭示的层状结构（Li et al., 2022）则可能代表了在冰升华和水沉积过程中形成的VBF沉积物。这些在“祝融号”着陆区的原位探测结果尽管未能提供火星古海洋的直接观测证据，但其是对基于遥感观测结果的有益补充。

本研究分析结果指向了一个火星乌托邦平原南部海岸带的形成与演化模型 (图4)，即：（1）在晚诺亚纪时期(约36.8亿年前)，乌托邦平原发生洪水，到达南部的高地-低地边界，并形成了海岸线；（2）海洋表面可能很快结冰，随之开始形成VBF沉积物和与水有关的地貌特征。随着时间的流逝，地下的水逐渐固化或冰层消失，浅海涸泽单元于约35亿年前形成，而后，深海涸泽单元于约34.2亿年前形成。因此，古海洋的水体可能从约36.8亿年前存在至34.2亿年前（晚诺亚纪至早西方纪）；（3）少量残留在地下的冰可能以单一冰体或分散的透镜体形式存在，一直延续到亚马逊时期，并可能导致乌托邦平原扇状凹陷或地表硬壳的形成。

图4. 乌托邦平原南部古海洋的海岸带三阶段演化模型。

需要指出的是，未来的火星探测任务如果能在HNldm深海涸泽单元着陆进行原位探测，或通过轨道观测（如次表层探测雷达）来比较浅海、深海涸泽单元的地下沉积层结构，将有助于进一步验证上述海岸带模型。

本研究由香港理工大学吴波教授带领的行星遥感团队与中国空间技术研究院“天问一号”探测器系统团队联合进行，研究成果近期发表于Scientific Reports期刊。

论文链接： Bo Wu, Jie Dong, Yiran Wang, Wei Rao, Zezhou Sun, Sergey Krasilnikov, Zhaojin Li, Zhiyun Tan, Zeyu Chen, Chuang Wang, Mikhail Ivanov, Jiaming Zhu, Wai Chung Liu, Long Chen, Hongliang Li, 2024. A Probable Ancient Nearshore Zone in Southern Utopia on Mars Unveiled from Observations at the Zhurong Landing Area. Scientific Reports, https://doi.org/10.1038/s41598-024-75507-w.

参考文献：

Li, C., Zheng, Y., Wang, X., Zhang, J., Wang, Y., Chen, L., et al., 2022. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar. Nature, 610(7931), 308-312.

Liu, J., C. Li, R. Zhang, W. Rao, X. Cui, Y. Geng, Y. Jia, et al., 2022. Geomorphic contexts and science focus of the Zhurong landing site on Mars. Nature Astronomy, 6, 65–71.

Ivanov, M., Erkeling, G., Hiesinger, H., Bernhardt, H. & Reiss, D., 2017. Topography of the Deuteronilus contact on Mars: evidence for an ancient water/mud ocean and long-wavelength topographic readjustments. Planetary and Space Science, 144, 49-70.

Tanaka, K.L., Skinner, J.A., Dohm, J.M., Irwin, R.P., Kolb, E.J., Fortezzo, C.M., Platz, T., Michael, G.G., Hare, T.M., 2014. Geologic map of Mars.

Wu, B., Dong, J., Wang, Y., Rao, W., Sun, Z., Li, Z., et al., 2022. Landing Site Selection and Characterization of Tianwen-1 (Zhurong Rover) on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 127(4), e2021JE007137.

Xiao, L., Huang, J., Kusky, T., Head, J.W., Zhao, J., et al., 2023. Evidence for marine sedimentary rocks in Utopia Planitia: Zhurong rover observations. National Science Review, nwad137.

Ye, B., Y. Qian, L. Xiao, J. R.Michalski, Y. Li, B. Wu, L. Qiao, 2021. Geomorphologic exploration targets at the Zhurong landing site in the southern Utopia Planitia of Mars, Earth and Planetary Science Letters, 576, 117199.

作者：王怡然 吴波

编辑：李婧

审核：李阳

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