科學家研究發現火星存在古海洋地下沉積層

科學家在國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的資助下，研究發現位于火星北半球烏托邦平原南部的“祝融號”著陸區，地下10米～35米深處存在多層傾斜沉積結構。這些地質特征與地球海岸沉積物高度相似，為火星中低緯度地區曾存在古代海洋提供了迄今最直接的地下證據。2月25日，相關成果發表于美國《國家科學院院刊》。

烏托邦平原地圖、祝融號火星車著陸點和四條可能的古海岸線。研究團隊供圖

火星因其與地球相似的地質特征、季節性變化和晝夜節律而被科學家視為人類星際移民的首選目標。然而，關于火星水資源的研究一直存在爭議。過去數十年，人類對火星的探測已取得諸多里程碑：軌道探測器拍攝到極地冰蓋、火星車在巖石中發現水合礦物、甚至直接探測到地下冰層。然而，這些發現大多集中在高緯度或極地區域，環境極端寒冷，難以支撐大規模移民。

與此同時，關于火星北部低地是否曾存在浩瀚海洋的爭論始終未歇。盡管從軌道圖像中識別出的可能古海岸線表明火星北部低地可能曾經存在覆蓋火星表面三分之一的古代海洋，然而，由于遙感數據推斷的古海岸線高度分布不一致，以及40億年來火星表面經歷的撞擊、風化、和重塑等過程會扭曲或掩蓋古代海洋的表面證據，火星古海洋假說仍存在爭議。因此，獲取火星古海洋的直接證據至關重要。

祝融號著陸點傾斜沉積結構形成過程的示意圖。研究團隊供圖

中國首輛火星車——祝融號于2021年5月15日著陸于烏托邦平原南部（東經109.925°，北緯25.066°）。祝融號搭載的火星次表層穿透雷達是一種雙頻探地雷達系統，旨在探測地下結構和可能存在的水冰。其中低頻通道（15-95 MHz）能夠探測地表以下80米的深度。截至2022年5月18日，祝融號在烏托邦平原南部行駛了約1.9公里，位于前人提出的海岸線以北約280公里處，海拔比該海岸線低約500米。

該研究通過分析火星車穿透雷達低頻通道的實測數據，在祝融號沿途地表以下10米～35米深度范圍內識別出76個地下傾斜反射體。這些反射體具有以下特征：一是，空間分布廣泛且均勻，覆蓋范圍超過1.3公里；二是，在相同位置的不同深度可觀測到多個平行分布的反射體；三是，所有反射體均呈現向北低地方向傾斜的特征，傾角分布在6°～20°之間，平均傾角為14.5°。

這些層理結構與地球沿海沉積物的雷達成像結果驚人地相似，其一致性和物理特性排除了風成沙堆、熔巖管道或河流沖積等其他成因。該沉積物的大規模存在表明，風浪驅動的沿岸輸送為海岸線提供了穩定的泥沙凈流入，并形成了海岸線前積層，這種結構只有在持久穩定的大型水體環境中才能形成，而非僅僅是局部和短暫的融水現象。

該研究由廣州大學、中國科學院空天信息創新研究院、中國科學院地質與地球物理研究所、同濟大學、賓夕法尼亞州立大學以及加利福尼亞大學伯克利分校等單位的科學家團隊完成，不僅提供了火星北部平原曾存在古代海洋的關鍵地下證據，還揭示了火星曾經經歷過長期溫暖濕潤的氣候期，這意味著火星曾長期維持適宜液態水存在的溫度和氣壓條件，遠超之前估計的短期融水事件。此外，研究發現的海岸線沉積物電介質特性與地球上由細砂和中砂顆粒的介電常數一致，這進一步證實了其海洋沉積物的性質。

論文共同第一作者兼通訊作者、廣州大學教授劉海表示，此次發現的最大意義，在于將火星液態水的證據從人跡罕至的極地，擴展到了更適合人類活動的中低緯度地區。如果這里曾存在海洋，那么隨著氣候變遷，大量水分可能以地下冰的形式被封存，為未來火星基地的水資源利用提供了可能。

與極地區域相比，中低緯度地區光照和溫度條件更適宜人類活動，如果能夠接近這些古海洋區域的地下水資源，將大大降低火星基地的建設和維護成本。此外，這些古海洋沉積物保存了火星氣候變化的歷史記錄，研究這些沉積物可以幫助我們理解火星如何從溫暖濕潤轉變為寒冷干燥，進而指導人類如何改造火星環境，最終有望實現火星的長期可持續居住。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2422213122