火星，这颗红色星球始终承载着人类对宇宙的好奇与遐想。如今它寒冷干燥、遍布沙尘，但数十亿年前是否曾是一片生机盎然的湿润世界？何时失去了宝贵的水体？这些问题一直是行星科学研究的核心谜题。

  近日，我国祝融号火星车传来最新科研突破，其搭载的高频四极化雷达成功“透视”火星浅层地下结构，揭示出火星在约7.5亿年前的亚马逊纪中晚期仍存在显著水体活动。这一发现将火星含水历史的终点向后推延了数亿年，为重新认识火星气候演化、地质过程及其潜在生命宜居性提供了关键依据。相关研究成果已发表于《国家科学评论》（NSR）期刊。

  火星表面的“地下CT机”

  要揭开火星水活动的奥秘，地下结构是关键线索。与容易被风化侵蚀的地表地貌不同，地下地层完整保存了不同时期的地质与气候记录，就像一本尘封的“地质史书”。

  此前，人类对火星地下的了解主要依赖轨道探测器搭载的雷达。但这些探测器在太空中运行，距离火星表面较远，难以精细刻画浅地表特征。而浅地表往往对应着更年轻的地质活动，是追溯火星晚期水活动的重要窗口。

  2021年5月15日，祝融号火星车成功着陆于火星乌托邦平原南部，带来了破解谜题的“利器”——高频四极化地面雷达。这款雷达工作频率介于450-2150MHz之间，相比同期着陆的毅力号火星车所搭载的150-1200MHz单极化雷达，不仅频率更高，还具备四极化探测能力。

  更高的频率意味着更高的空间分辨率，能更清晰地呈现浅层地下结构。四极化模式则能捕捉到单极化雷达可能遗漏的地质信息，就像给火星地下做了一次全方位的“CT扫描”。在着陆后的323个火星日内，祝融号累计行驶约1.9公里，持续开展浅层地下探测，获取了海量高质量数据。

  不过，高频雷达也面临一个难题：噪声水平显著高于低频雷达，尤其是在地表数米范围内，有效回波几乎被噪声淹没。为此，中国科学院地质与地球物理研究所联合国家空间科学中心、空天信息创新研究院组成的研究团队，引入了在雷达数据处理中较少应用的多次散射噪声压制方法，在不损伤有效信号的前提下成功抑制噪声，最终实现了垂向分辨率高达5厘米的地下成像。

  分层结构藏着水活动密码

  通过对雷达数据的系统处理与成像反演，研究团队首次获得了火星乌托邦平原南部着陆区的地下四极化结构图、多极化介电常数剖面、各向异性参数剖面等关键数据，揭开了这片区域地下世界的神秘面纱。

  祝融号着陆区近地表沉积地层演化示意图。（a）阶段1：下层形成于中–晚亚马逊纪期间的液态水环境中。（b）阶段2：中层通过局部湖泊或地下水上升带来的沉积物沉积、碎屑堆积、坡面与裂缝形成以及陨坑发育而逐渐形成。（c）阶段3：顶层代表一个风化沉积单元，以含水岩土石为特征，可能由中层风化、侵蚀及碎屑沉积过程形成。这三个层位均表现出风化特征、强反射性以及富盐或富黏土的物质组成。倾角8°–15°的坡面广泛分布，从中层延伸至底层，反映反射体具有向北倾斜的趋势。

  雷达探测显示，祝融号着陆区约7米深度范围内发育着多尺度沉积结构，包括米级、分米级与厘米级层理。在米级尺度上，可清晰识别出三套反射特性截然不同的层序：上层与下层呈弱反射特征，中层则显示为强反射界面。

  沿祝融号行驶路径，多处地下掩埋陨石坑被清晰成像。其中部分陨石坑深约2.1米，上覆约4米厚的晚期沉积物。更有趣的是，中层与下层普遍发育着倾角约8°-15°、整体向北倾斜的坡面及裂缝构造，研究团队还从顶层至下层识别出一条向南倾斜的铲形断层，该断层在下层逐渐变缓并消失。

  在中层的四个极化通道中，研究人员还发现了厘米级分辨率的近水平薄层结构，表现为典型的薄层沉积特征。该薄层单元厚约1.5米、宽约3米，不同极化方向的成像特征存在差异，指示沉积体具有明显的方向性。

  这些地下结构特征背后，藏着解读火星地质历史的密码。地下介质的介电常数是反映介质属性与岩性的重要指标——水的介电常数约为80，水冰约为3，而水冰作为晶体，还会表现出显著的介电各向异性。

  探测数据显示，祝融号着陆区HV与HH极化方向的介电常数在上、中、下三层分别为3.0-3.5、3.5-5.0、5.0-6.8，各向异性参数介于-15%至15%之间。其中，下层反演获得的介电常数约6.5，与富盐或富黏土沉积层的典型数值一致；底层各向异性参数介于-5%至5%之间，呈弱各向异性，指示富盐沉积物的存在，这些都暗示着历史上水活动的参与。

  此外，向南倾斜的铲形断层结构表明，下层岩石相较于上覆地层更具塑性变形特征，暗示其可能富含石膏或岩盐等盐类矿物——此类地层通常与水下沉积环境密切相关。

  火星含水历史延长数亿年

  综合所有地质与雷达探测证据，研究团队得出了一项具有里程碑意义的结论：在亚马逊纪中晚期（约7.5亿年前），火星表层仍存在显著的水体活动。

  火星地质年代分为三个时期：早期挪亚纪（约40-37亿年前）曾广泛发育河流、湖泊乃至海洋；进入西方纪（约37-30亿年前），水活动转为阶段性、突发性过程，气候逐渐由湿润转向干旱；至亚马逊纪（30亿年前至今），火星整体进入寒冷干旱环境，仅保留有限的水活动。

  此前科学界普遍认为，火星在亚马逊纪已基本失去大规模水体活动。而祝融号的探测结果，将火星显著水体活动的时间下限从之前认为的数十亿年前，向后推延至约7.5亿年前，整整延长了数亿年。

  这一结论并非凭空推断，而是基于多重证据的综合论证。祝融号着陆区广泛覆盖着约4米厚、地表形态相对均匀的沉积层，在排除火山熔岩、变质岩、风成沉积等成因后，水沉积是唯一能合理解释该沉积层厚度与连续性的形成机制。

  地下陨石坑的掩埋深度与规模进一步指示，该区域在沉积时期处于浅水环境。高频雷达识别出的深度小于10米、向北倾斜的界面结构，与祝融号低频雷达在10-30米深度揭示的古海岸线特征也具有良好对应关系。

  祝融号搭载的火星表面成分分析仪在地表识别出多处板状岩石和海滨交错层理的片状岩石，并检测到含水矿物。而高频雷达成像揭示的掩埋于中部地层的厘米级薄层沉积结构，其形态与地表沉积岩石层理高度相似，表明其形成于水环境沉积过程。此外，低频雷达数据在约30米深度还揭示了一次更早的洪水事件，其年代约为16亿年前。

  综合分析表明，在中-晚亚马逊纪期间，祝融号着陆区经历了一次显著的地表重塑过程，并且该时期火星仍存在持续性的水活动。不过研究人员也指出，介电常数与各向异性参数并未提供祝融号浅表层存在现代水或冰的直接证据。

  火星亚马逊中晚期的水与气候活动，直接关系到人类探索火星时的着陆点选择以及如何持续支持人类活动。祝融号的这一发现，不仅改写了人类对火星气候演化历史的认知，更对未来火星探测具有重要的实践意义。（宋雅娟）