祝融號解開火星淺表結構之謎——解讀2022年度中國科學十大進展（一） 焦點報道

編者按當前，新一輪科技革命和產業變革突飛猛進，基礎研究處于科研鏈條的起始端，成為各國科技競爭的焦點。在過去的一年里，中國基礎研究在世界科技前沿留下了“中國印記”的高影響力成果。科技部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）日前發布了2022年度中國科學十大進展，祝融號巡視雷達揭秘火星烏托邦平原淺表分層結構、全新原理實現海水直接電解制氫等10項重大科學成果脫穎而出。為了讓讀者深入了解我國基礎研究取得的成就，本報將陸續刊發由十大進展完成人撰寫的解讀文章，展示這些成果的創新性、戰略性和引領性。

(資料圖片)

祝融號火星車在烏托邦平原進行原位雷達探測，首次揭示了烏托邦平原淺表精細分層結構。（圖片設計：中國科學院地質與地球所研究團隊，圖片繪制：武漢大學鄧俊）

火星是太陽系中與地球最為相似的行星，因其豐富的水活動歷史，一直以來都是世界行星探測的重點目標。自20世紀60年代至今，人類共進行了47次火星探測任務，從最開始發射探測器飛掠火星，到后來的環繞探測，再到現在登陸火星進行原位探測，不斷深化了對火星地質地貌、礦物化學分布和內部結構的認識。

火星的淺表結構記錄了其漫長演化過程中的巖漿活動、沉積過程、隕石撞擊事件等，是一部幾十億年以來火星地質演化、水文循環和古環境變遷的歷史書，因而成為火星研究的焦點之一。

火星淺表雷達探測開啟新紀元

2021年5月15日，我國首次火星探測任務“天問一號”攜帶的“祝融號”火星車在烏托邦平原南部成功著陸，開啟了巡視探測工作，使我國成為世界上第二個實現火星巡視探測的國家。

烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，可能曾經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。平原南部廣泛覆蓋著約35—32億年前形成的北方荒原組沉積。

“祝融號”著陸區擁有眾多與水活動密切相關的典型地貌，比如，壁壘撞擊坑、凹錐、溝槽等，說明該區域過去存在過大量的水或冰，經歷過活躍的水活動過程。然而，目前其地下是否仍然存在水（冰）、是否受水活動及其他地質過程的影響尚未可知，這制約了我們對烏托邦平原乃至火星整體演化的認識。

火星淺表分層結構與地質認識獲得新突破

雷達探測是認識行星淺表結構的有效手段。“祝融號”攜帶的次表層探測雷達，能夠對淺表百米深度范圍的結構進行精細成像，可為認識烏托邦平原地下水（冰）分布、沉積特征和地質過程提供關鍵約束，進而為探索火星地質演化和環境變遷提供觀測依據。

“祝融號”雷達工作的空間環境十分復雜，各種射線、帶電粒子嚴重干擾雷達的工作狀態，且受到重量和功耗的限制，雷達接收到的深部信號往往表現為能量弱、隨機噪音干擾強的特征。行星巡視雷達探測孔徑有限，因此難以準確約束淺表速度，進而影響雷達成像質量和對地下物性成分的識別和判斷。

針對這些問題，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，設計了完備的數據處理框架，有針對性地壓制了隨機噪音，并開發了有效的速度反演方法。基于“祝融號”火星車前113個火星日采集的長度約1171米的低頻雷達數據，研究團隊獲得了著陸區淺表80米以上的高精度結構分層圖像和地層物性信息。

為了進一步從雷達反射圖像和物性信息中提取區域地層特征，研究團隊將雷達反射特征與介電常數信息、雷達信號正演模擬結果、熱模擬結果相結合，從地下分層結構特征、物質成分、深度分布、相態等方面共同約束，相互印證，并與著陸區地質、地貌和撞擊坑挖掘深度及其統計定年信息相結合，獲得了如下新認識：一是深度小于10米的最上層為火壤層。二是深度在10—30米的第二層，可能是著陸區16億年以來火星表面改造事件的結果。短時洪水、長期風化或重復隕石撞擊作用，可能形成了這一層向上變細的沉積層序。三是深度在30—80米的第三層，可能反映了烏托邦平原南部約35—32億年前更大規模的火星表面改造事件，其向上變細的沉積層序的形成可能與當時發生的大型洪水活動有關。

“祝融號”火星車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米深度范圍內信號強度穩定，不存在富水層。此外，反演約束的介質介電常數較低，不同于含水物質通常具有的高介電常數，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、硫酸鹽或碳酸鹽鹵水難以在“祝融號”著陸區淺表100米以上穩定存在，但由于硫酸鹽或碳酸鹽鹽冰的介電常數與典型巖石相當，目前無法排除淺表存在鹽冰的可能性。

（第一作者系中國科學院地質與地球物理研究所研究員、博士生導師，第二作者系中國科學院地質與地球物理研究所博士后）

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