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祝融號火星車在工作。受訪者供圖

距今約7.5億年，火星烏托邦平原南部淺表層仍存在顯著水體活動。這是《國家科學評論》2025年12月刊發的一篇論文的結論。該結論意味著火星上的水活動比過去認為的要晚數億年，為重新認識火星氣候演化、地質過程及探索潛在宜居生命提供了新的重要證據。

這一發現過程并非坦途。“一開始覺得還挺簡單的，深入研究才發現，真是入了個‘大坑’！”回憶研究歷程，論文第一兼通訊作者、中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員劉伊克曾這么對時任所長、中國科學院院士吳福元說。

“‘大坑’好啊！如果‘坑’不大，別人就都做出來了。”吳福元笑著回答。

入“坑”：讀雷達信號

今天，距離地球最遠4億公里的火星是一顆寒冷干燥的星球，但它并非一直如此。科學家發現，這顆紅色星球在約40億至37億年前，曾廣泛發育河流、湖泊乃至海洋；約37億至30億年前，氣候逐漸由濕潤轉向干旱；30億年前至今，整體進入寒冷干旱環境，僅保留冰、鹵鹽沉積、地下水上涌、地表冰融化及局部洪水等有限水活動。

“了解火星水與氣候活動，對未來人類探索火星、選擇著陸點及持續支持人類活動具有重要意義。”劉伊克說，這正是科學界執著于探究這一目標的重要原因。

2021年5月15日，祝融號火星車在烏托邦平原南部成功著陸。其攜帶的六大科學裝備中，次表層探測雷達是全車唯一能夠探測地表以下數十米的設備。該雷達有低頻、高頻兩種。

低頻雷達能夠探測地下幾十米深的地層。地質地球所利用相關數據的研究已經表明，該區域曾經歷兩期洪水沉積事件——35億年前至32億年前曾發生大型洪水活動，16億年前仍有小型洪水事件發生。這些發現將火星水活動時間延長了近14億年。

但低頻雷達對火星淺表10米的地層結構探索“無能為力”。“若能在火星淺層地表發現水冰，將具有更重大的現實意義。”劉伊克說。高頻雷達正好能夠彌補低頻的“缺憾”。“祝融號高頻雷達有4個極化方向，信息量多，成像分辨率高，對10米內淺表的探測精度可以達到厘米級。”

“伊克，你來分析雷達高頻信號吧。”劉伊克還記得，吳福元最初把這項任務分給自己時，他為能夠參與這一重要分析而喜不自勝。“高頻數據分析和我的專業比較近——我一直在做地震方面的研究，主要是油氣和應用地球物理領域，因此比較適合做這項分析。”他回憶說。

與用地震波給地下結構“做CT”一樣，雷達會向地下發射電磁波信號，反射的信號被接收器接收，可以用這些信號“推測”火星地下的結構，從而對巡視區地下淺層結構進行精細成像。

不過，劉伊克沒有想到的是，高頻數據的處理難度遠超預期。“數據噪聲特別大。就像你發出一連串的聲音，收到無數個回聲，噪聲與原聲反復疊加，很難分辨原來的聲音。”這讓他一時感覺“真是跳進了一個‘大坑’”。

好在他們在地球上作業的經驗豐富。劉伊克因在地震多次波成像與壓制理論和方法方面的創新性研究，成為首位獲得國際勘探地球物理學家學會雷吉諾德·范信達獎的中國學者。他帶領團隊利用這一方法壓制雷達多次散射噪聲，終于還原出淺層地表清晰的原始信號。

他們還將地震學研究中常用的測井分析、各向異性等方法，遷移到雷達信號解讀中，解析火星地層，繪制出著陸區7米深的淺層地表“高清照片”——垂向分辨率高達5厘米，能清晰分辨薄層沉積。

陷“坑”：推理火星演化史

雷達數據成像與介電常數分析顯示，祝融號著陸區7米深的淺層地表存在上、中、下三層反射面，上、下層為弱反射面，中層為強反射面；中、下層普遍存在整體向北傾斜的坡面和裂縫構造，存在一處向南傾斜的鏟形斷層，并呈現“碗形”特征——它們是兩個已被掩埋的隕石坑。

怎么根據這些信息判斷祝融號著陸區是否存在水呢？這是另一個讓劉伊克撓頭的問題。

為了作出科學合理的判斷，劉伊克團隊拉來了全所不同領域的專家“把脈”。“巖石學、構造學、沉積學、地質學、遙感學……不同方向的人都加進來了，我們花了很大的功夫，一塊兒討論問題。”他對《中國科學報》說，“所以論文的作者有27人之多。”

劉伊克記得，在吳福元和中國科學院院士、天問一號火星探測首席科學家潘永信的牽頭下，在地質地球所召開了近10次討論會，展開“頭腦風暴”。大家經常爭論得面紅耳赤。有人提出假設，有人將其推翻，如此反復。

以沉積層形成為例，其形成原因主要分為4類，即火山熔巖沉積、變質巖沉積、風沙沉積、水沉積。團隊利用“排除法”，逐一排除了前3個成因。多項證據都指向“水沉積”的形成機制：火星表面成分分析儀在地表識別出多處板狀巖石和海濱交錯層理的片狀巖石，并檢測到含水礦物；高頻雷達成像揭示了掩埋于中部地層的厘米級薄層沉積結構，形態與地表沉積巖石層理高度相似，表明其形成于水環境沉積過程；向南傾斜的鏟形斷層結構表明，下層巖石相較于上覆地層更具塑性變形特征，暗示其可能富含石膏或巖鹽等鹽類礦物，此類地層通常與水下沉積環境密切相關。

此外，與美國毅力號所在的杰澤羅區相比，祝融號著陸區介質損耗角正切遠小于毅力號所在的火山熔巖覆蓋區，進一步表明該區域屬于沉積環境。盡管火星表面成分分析儀未直接在地表探測到黏土礦物，但下層反演獲得的介電常數約6.5，與富鹽或富黏土沉積層的典型數值一致。底層各向異性參數也指示富鹽沉積物的存在，進一步暗示了歷史上水活動的參與。

“這些都說明，水沉積是唯一的合理解釋。”劉伊克說。

根據隕石坑計年法，團隊發現，底層沉積物形成時間約為7.5億年前。隕石坑掩埋深度與規模進一步指示，該區域在沉積時期處于淺水環境。與祝融號低頻雷達在10至30米深度揭示的古海岸線特征形成良好對應。

綜合多重線索，團隊逐漸“拼出”火星祝融號著陸區7.5億年以來的演化圖景：最初處于液態水環境；此后，局部湖泊或地下水上升，帶來沉積物沉積、碎屑堆積、坡面；隨著時間推移，逐漸形成以含水沉積為特征，經風化、沉積改造的淺地表結構。

出“坑”：有成就感

《國家科學評論》審稿人認為，這是一項“高質量的研究”，“創造性地將地震成像方法應用于探地雷達數據……揭示了新的地質學信息和解釋依據”。

至此，劉伊克終于出“坑”。不過，當被問及未來是否還會開展行星科學探測相關研究，他直言：“會。”

劉伊克表示，行星科學正成為地球科學的新生長點。地質地球所是國內最早進行這一領域布局和研究的機構，早在2003年就開始布局這一學科，2017年在中國科學院大學設立地球與行星科學專業。

“這幾年，從月球到火星，我們在行星科學探測方面做得‘轟轟烈烈’。”他笑言，“這方面的研究有挑戰，也有成就感。”

（本報實習生趙月亦有貢獻）

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf505

(原載于《中國科學報》 2026-01-13 第1版 要聞)