“祝融號”著陸區遙感與原位探測揭示火星烏托邦平原古海洋海岸帶形成與演化歷史

摘要：

2021年5月，中國的“祝融號”火星車成功著陸在火星北半球烏托邦平原南部。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謎。最近的研究通過“祝融號”原位探測數據，在著陸點附近觀察到了與水相關的特征。本文利用遙感數據對“祝融號”著陸區周邊更大的范圍進行了全面的形貌分析，并結合原位探測數據，發現烏托邦平原南部存在一個海岸帶。且該海岸帶被特定的地形等高線分隔成包含不同類型水活動特征的區域，表明存在不同類型的海洋環境。該海岸帶被進一步劃分為近岸高地-低地過渡單元、淺海和深海涸澤單元。“祝融號”原位探測結果也發現了沉積巖、具交錯層理的水成巖石、以及地下沉積層等與水活動有關的證據。本文研究結果進一步揭示了火星烏托邦平原南部海岸帶的形成與演化歷史：（1）烏托邦平原的洪水于晚諾亞紀（約36.8億年前）發生，到達最南部的海岸線并形成海岸帶；（2）海岸帶的水逐漸消退，于早西方紀約35億年和34.2億年前分別形成了淺海和深海涸澤單元；（3）海岸帶的地下水及揮發分在亞馬遜紀期間逐漸消失。

火星北半球低地曾經存在古海洋的假說一直是火星早期演化研究的未解之謎。古海洋的存在可能對早期火星的氣候和大氣產生重大影響，并留下地質記錄。中國的“祝融號”火星車于2021年5月成功著陸在火星烏托邦平原南部 (Liu et al., 2022; Wu et al., 2022)，這一地區被認為是可能曾覆蓋火星北半球低地的古海洋的一部分 （圖1）。“祝融號”著陸在晚西方紀的低地（lHl）地質單元 (Tanaka et al., 2014)，該地質單元主要由北方荒原組（VBF）物質組成，被認為可能源自河流、湖泊或海洋沉積物，以及來自高地的碎屑物或地下水排放、泥火山活動等。

圖1. “祝融號”著陸點(紅色十字叉)與研究區域(紅色框)及鄰近范圍地質圖(Tanaka et al., 2014)。不同顏色代表不同的地質單元，粗黑線顯示可能的古海岸線（Ivanov et al., 2017）。

本研究首先利用遙感數據對祝融號著陸區及其周邊1800公里 × 800公里范圍(圖1中紅色框)進行了詳細的地形、地貌、地質分析。利用5米分辨率火星CTX相機圖像以及0.7米分辨率天問一號高分相機圖像，識別了11895個凹頂錐、2773個多邊形槽、以及77片刻蝕流(圖2b)。現有研究指明烏托邦平原南部的凹頂錐可能起源于泥火山 (Ye et al., 2021)，常形成于地下水/冰含量較少的區域。而多邊形槽以及刻蝕流則需地下水/冰較富集時才能形成。一個非常有意思的發現是，在研究區域的lHl地質單元內，這些凹頂錐與多邊形槽(包括刻蝕流)沿一條地形等高線(-4200米)被分隔成南、北兩部分(圖2c)，南部主要分布著凹頂錐，而北部主要分布著多邊形槽與刻蝕流。而水位線通常與地形等高線相吻合，因此，將研究區域內的lHl地質單元進一步劃分為南部水/冰含量較少的淺海涸澤單元(HNlsm)與北部水/冰含量較多的深海涸澤單元(HNldm)。

在研究區域內也識別了許多具有糕狀或壁壘狀濺射毯的撞擊坑(圖2d)，這些撞擊坑只在有水/冰或其它揮發物存在的地區才能形成。其中，具有糕狀濺射毯的撞擊坑相較壁壘狀濺射毯的撞擊坑需在水/冰含量更多的區域才能形成。在研究區域內，具有壁壘狀濺射毯的撞擊坑分布較均勻，然而，具有糕狀濺射毯的撞擊坑則主要分布在北部單元，這一分布特征與上述北部深海涸澤單元水/冰含量較多的推測相吻合。

圖2.（a）研究區域的地質單元及其絕對模型年齡。（b）凹頂錐密度圖、多邊形溝槽和刻蝕流分布圖。（c）高程圖。（d）撞擊坑密度圖、糕狀和壁壘狀濺射毯撞擊坑分布圖。

采用撞擊坑大小-頻率分布定年方法，估計淺海涸澤單元HNlsm和深海涸澤單元HNldm的表面年齡分別約為35億年和34.2億年，而將具有環形遺跡的掩埋撞擊坑(ghost crater)納入到撞擊坑定年分析后，得到其表面年齡分別約為36.2億年和36.8億年 (圖3)。后者的年齡對應烏托邦平原洪水發生形成古海洋的初期；前者的年齡對應海岸帶的水逐漸消退，分別形成淺海和深海涸澤單元時期。

圖3. 基于撞擊坑大小-頻率分布分析的海岸帶淺海、深海涸澤單元表面年齡估計。紅色代表將掩埋撞擊坑納入定年分析后得到的年齡。

此外，研究還利用了“祝融號”火星車獲得的原位觀測數據發現了水活動證據。包括“祝融號”攜帶的火星表面成分探測儀（MarSCoDe）識別出的含水礦物，例如水合二氧化硅（主要是蛋白石和隱晶質石英）和水鋁英等。此外，Xiao et al.（2023）指出，在“祝融號”火星車行駛路徑沿線發現的具交錯層理的巖石可能由水流和潮汐作用形成。火星車次表層探測雷達（RoPeR）數據揭示的層狀結構（Li et al., 2022）則可能代表了在冰升華和水沉積過程中形成的VBF沉積物。這些在“祝融號”著陸區的原位探測結果盡管未能提供火星古海洋的直接觀測證據，但其是對基于遙感觀測結果的有益補充。

本研究分析結果指向了一個火星烏托邦平原南部海岸帶的形成與演化模型 (圖4)，即：（1）在晚諾亞紀時期(約36.8億年前)，烏托邦平原發生洪水，到達南部的高地-低地邊界，并形成了海岸線；（2）海洋表面可能很快結冰，隨之開始形成VBF沉積物和與水有關的地貌特征。隨著時間的流逝，地下的水逐漸固化或冰層消失，淺海涸澤單元于約35億年前形成，而后，深海涸澤單元于約34.2億年前形成。因此，古海洋的水體可能從約36.8億年前存在至34.2億年前（晚諾亞紀至早西方紀）；（3）少量殘留在地下的冰可能以單一冰體或分散的透鏡體形式存在，一直延續到亞馬遜時期，并可能導致烏托邦平原扇狀凹陷或地表硬殼的形成。

圖4. 烏托邦平原南部古海洋的海岸帶三階段演化模型。

需要指出的是，未來的火星探測任務如果能在HNldm深海涸澤單元著陸進行原位探測，或通過軌道觀測（如次表層探測雷達）來比較淺海、深海涸澤單元的地下沉積層結構，將有助于進一步驗證上述海岸帶模型。

本研究由香港理工大學吳波教授帶領的行星遙感團隊與中國空間技術研究院“天問一號”探測器系統團隊聯合進行，研究成果近期發表于Scientific Reports期刊。

論文鏈接： 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.

參考文獻：

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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.

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作者：王怡然 吳波

編輯：李婧

審核：李陽

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