摘要：详细的火星地下结构和物性信息是研究火星地质及其宜居环境演化的关键依据，是火星探测的重要内容之一。2021年5月15日，我国“天问一号”携带的祝融号火星车在乌托邦平原南部成功着陆。基于祝融火星车行进约四个月采集的低频雷达数据，通过精细分析和成像，首次获得了火星北方低地最大撞击盆地——乌托邦平原南部长约1171米剖面的高精度地下（<80米）结构分层图像，发现该区域火表数米厚的风化层下约10-30米和30-80米深度存在两套向上变细的沉积层序。进一步通过介电常数反演提取了地层物性信息，揭示乌托邦平原南部自晚西方纪（35-32亿年）以来经历了多期次火表改造事件，至中晚亚马逊纪（大约16亿年以来）仍可能发育水活动相关的地质过程；现今该区域浅表80米之上未发现液态水存在的证据，但不排除存在盐冰的可能性。本研究为深入认识火星地质演化和环境、气候变迁提供了重要观测基础。
2021年5月15日，我国天问一号携带的祝融火星车在乌托邦平原南部成功着陆（图1a、图1b）。乌托邦平原是火星最大的撞击盆地，曾经可能是一个巨大的古海洋，预示着火星早期可能存在过宜居环境。乌托邦平原被北方荒原组沉积（VastitasBorealisFormation，VBF）广泛覆盖，该地层可能代表了洪水相关的外流河道冲积形成的沉积或古海洋蒸发后残留的沉积物质。但目前对VBF的结构、物性、起源、演化等都缺乏观测约束。此外，乌托邦平原拥有众多典型地貌（图1c），如巨型多边形、凹锥、壁垒撞击坑等，都表明火星过去存在过大量的水/冰。然而，目前该区域地下是否仍然存在水/冰尚未可知，这限制了我们对火星水体演化的认识。
1976年，美国海盗2号探测器在乌托邦平原北部登陆并首次实施了着陆探测，但未能探明地下结构。火星高空轨道雷达虽然可以探测火星全球范围内的浅表结构，但其分辨率较低，特别是对于浅表百米以内几乎没有分辨能力。我国“天问一号”携带的祝融火星车次表层探测雷达能够有效对巡视区地下浅层结构成像，深化我们对乌托邦平原演化、地下水/冰分布等关键科学问题的认识。
图1祝融着陆区地质地貌图。（a）祝融号、凤凰号、洞察号、好奇号、毅力号和海盗号着陆点位置及古海岸线位置；（b）祝融号着陆点附近的简化地质图，比例尺为200千米；（c）祝融号着陆点附近的地形地貌图，比例尺为15千米；（d）祝融号行驶路径图，比例尺为100米
祝融火星车次表层探测雷达
祝融火星车搭载的次表层探测雷达（RoverPenetratingRadar，RoPeR）是世界上首次在乌托邦平原实施的巡视器雷达探测。到目前为止，人类在地外天体上共开展了四次巡视雷达探测。其中，我国嫦娥三号和嫦娥四号首次实现了对月球正面和背面浅表结构的精细探测。美国毅力号和我国祝融号巡视器于2021年开启了火星雷达巡视探测的新纪元。毅力号的探测区域为杰泽罗撞击坑边缘，受限于雷达主频（150-1200MHz），其实际最大探测深度仅为15米。与毅力号雷达相比，祝融号高频雷达的频率更高（450-2150MHz），低频雷达的频率更低（15-95MHz），这使得高频雷达对约0-5米深度的浅表目标能够看得更“细致”，低频雷达对地下目标看得更“深入”，实际最大探测深度达80米。
祝融火星车巡视路径地下分层结构及地质解译
中国科学院地质与地球物理研究所行星与月球内部结构研究团队，联合国家空间科学中心和北京大学等科研人员，对祝融火星车前113个火星日采集的长度约1171米的低频雷达数据展开了深入分析，获得了80米之上的高精度结构分层图像和地层物性信息（图2）。
图2低频雷达数据成像结果及解译。（a）低频雷达剖面；（b）岩性地层；（c）平均介电常数随深度的变化。白色实线为地层分界，虚线为层间反射模式变化的大致分界
根据反射模式特征和估计的介电常数，可以将地下结构分为四层（图2）。第一层厚度小于10米，平均介电常数在3-4之间。第二层的深度约为10-30米，该层中反射能量随深度逐渐增强，但未出现清晰连续的反射界面，平均介电常数为4-6。数值模拟表明，这些反射特征代表该层含有较多石块，其粒径随深度逐渐增大。第三层的深度约为30-80米，与第二层类似，该层同样具有反射随深度由弱增强的模式变化特征，但反射相对更强、平均介电常数更高（6-7），这表明第三层中的石块粒径更大（可达米级）且分布更为杂乱。此外，未观测到清晰的第三层底界面，这或是因为该层底部不存在介电常数对比明显的介质物性变化，或是雷达反射能量在约80米的深度已经非常微弱，达到探测极限。
将雷达图像与着陆区地质、地貌和撞击坑挖掘深度及年龄约束相结合，获得如下认识：
（1）深度小于10米的最上层为火壤层；
（2）深度在10-30米的第二层沉积序列，可能是着陆区中晚亚马逊纪火表改造事件的结果。短时洪水、长期风化或重复陨石撞击作用可能形成了这一层中向上变细的沉积层序（图3b）。
（3）深度范围在30-80米的第三层沉积序列，可能反映着陆区更古老、更大规模的火表改造事件。基于撞击坑定年结果，估计这次改造事件可能发生在35-32亿年前的晚西方纪到早亚马逊纪，可能与乌托邦平原南部的大型洪水活动有关（图3a）。
除了分层特征之外，雷达剖面的另一个重要结构特征是各层之间的平滑过渡（图2a）。这表明，在祝融着陆区下方80米深度范围内，来自埃律西昂火山喷发或某些晚期火山作用产生的原始玄武岩层可能缺失或太薄，以至无法在随后的火表改造事件中保留下来。否则，由于玄武岩与沉积岩介电常数存在显著差异，雷达剖面上将出现强反射界面。这一解释也得到介电常数估算结果（图2c）的支持。着陆区～3-7的介电常数值明显低于亚马逊纪埃律西昂火山单元的浅表介电常数（约为9），但与火星地下和电离层探测高级雷达（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS）估计的类似深度范围内VBF的介电常数值（约为5）一致。
图3乌托邦平原南部火表改造模型图。（a）晚西方纪至早亚马逊纪发生了大型洪水事件，随着洪水消退，形成了向上变细的砾岩沉积序列，比例尺为20米；（b）亚马逊纪短时洪水、长期风化或重复撞击作用改造了火表，形成了由小石块堆叠构成的向上变细的沉积层序；（c）近代火星高倾角自转导致液态水流失到高纬地区，形成现今干燥的火壤层，火表以风成沉积和侵蚀过程为主
火表80米之内无液态水，但可能存在盐冰
祝融火星车次表层探测雷达的主要目标之一是探测乌托邦平原南部现今是否存在地下水/冰。如果存在富水层，雷达信号会被强烈衰减，降低探测深度。低频雷达成像结果显示，0-80米深度范围内信号强度稳定，不存在富水层。此外，本研究反演约束的介质介电常数较低（不超过9），不同于含水物质通常具有的高介电常数（大于15），因此排除了巡视路径下方含有富水层的可能性。热模拟结果也进一步表明，液态水、硫酸盐或碳酸盐卤水难以在祝融号着陆区浅表100米之上稳定存在。但由于硫酸盐或碳酸盐盐冰的介电常数（2.5-8）与岩性材料相当，目前无法排除浅层存在盐冰的可能性。
综上，该研究基于我国祝融火星车低频雷达数据，通过精细分析和成像，首次获得了着陆区浅表（<80米）结构与物性信息，提供了火星可能长期存在水活动的观测证据，为深入认识火星地质演化和环境、气候变迁提供了重要依据。
研究成果发表于国际学术期刊Nature（李超#，郑忆康#，王新#，张金海#，王一博，陈凌*，张磊，赵盼，刘伊克，吕文敏，刘洋，赵旭，郝金来，孙伟家，刘晓峰，贾博钧，李娟，兰海强，法文哲，潘永信，吴福元.Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar [J]. Nature, 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05147-5）（原文链接）。该研究受中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202102）、中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-TLC001）和国家自然科学基金（42288201和41941002）共同资助。