火星古海洋假说综述以及祝融号原位探测对采样返回任务的启示

摘要：

火星北部古海洋的确认，对认识火星早期气候、北部平原沉积历史和探测生命痕迹具有重要作用。自上世纪八十年代北部古海洋假说被提出以来，前人开展了大量科学研究，但仍存在一定的争议。本研究综述了支持和反对火星北部古海洋假说的证据，讨论了近期我国祝融号火星车为支持古海洋假说所做的贡献。在此基础上，为进一步确认古海洋的存在，提供了未来采样返回任务可探测的重点目标。

在上世纪七八十年代，水手9号和维京号系列探测器发现在火星南部高原及二分线附近有分布广泛的谷网、外流渠道(Carr and Clow, 1981; Milton, 1973)，被认为是流水侵蚀成因(Carr, 1979; Craddock and Howard, 2002; Fairén et al., 2003)，可能将大量水源以地表径流或地下水渗流的形式注入北部平原，形成短暂的海洋(Carr and Head, 2003; Clifford, 2001; Craddock and Howard, 2002)。Parker et al. (1989, 1993)发现了可能的海岸线地貌，首次提出两组潜在的古海岸线，称之为“阿拉伯”海岸线 (Arabia shoreline)和“亚尼罗”海岸线 (Deuteronilus shoreline)。随后的研究不断对海岸线的位置进行校正，产生了多条可能的海岸线 (图1)。阿拉伯海岸线与地形二分线基本一致，而亚尼罗海岸线则与北方荒原组 (Vastitas Borealis Formation, VBF)的叶状边缘一致。

图1 假定的火星古海岸线和水活动地貌的全球分布图。彩色线条代表前人研究中提出的古海岸线(Sholes et al., 2021)，暗灰色多边形代表外流渠道(Carr, 2006)，红色圆圈代表外流渠道中的尼克点(Duran et al., 2019)，白色圆圈代表埃俄利斯区域的三角洲(Cardenas and Lamb, 2022)，黑色短线表示谷网(Hynek et al., 2010)，红色五角星代表祝融号火星车的着陆点，黄色方块表示其他火星车、着陆器的着陆点，黑色虚线框指示图3a的位置。底图是MOLA山体阴影图，投影方式为Robinson projection。

随着火星北部古海洋的深入研究，前人发现了大量支持古海洋假说的证据，包括：海岸线地貌 (图2a,b)、海啸沉积地貌 (图2c)、外流渠道和北方荒原组沉积地层 (图2c,d)，以及三角洲 (图2e,f)。

图2 支持古海岸线的地貌证据。a. 位于撞击坑壁上的阶地，指示阿拉伯海岸线，撞击坑在阿拉伯高地和塞多尼亚方山之间的区域。中心坐标：10°6′33″W, 36°12′20″N。HiRISE ID: ESP_053803_2165。b. 指示阿拉伯海岸线的“衣领”地貌，中心坐标：9°8′20″W, 39°50′1″N。c. VBF叶状边缘和指纹地形，中心坐标：0°27′50″E, 43°13′54″N。d. 外流渠道，卡塞谷，中心坐标：63°53′6″W, 24°10′40″N。蓝色点代表尼克点。底图是MOLA山体阴影图。e. 与谷网连接的三角洲，中心坐标：45°7′28″W, 11°33′21″N。蓝色线为假定的阿拉伯海岸线。f. 倒转河道和三角洲地貌，中心坐标：151°38′1″E, 6°12′57″S。b, c, e, f的底图都是CTX全球拼接图。

尽管已经有如此多的证据支持火星北部平原曾经存在海洋的假说，仍然有一些与之相悖的现象对古海洋假说产生挑战，包括：(1) 目前识别的海岸线在横向上高程差别较大，不位于一个等势面上；(2) 沉积盆地之间的高地形缺乏河流侵蚀地貌；(3) 未蚀变的橄榄石和黄钾铁矾指示火星干燥的气候条件，可能没有足够的水形成海洋；(4) 气候模拟结果表明，火星早期气候为寒冷冰冻，导致水分在绝热冷却效应的作用下以冰雪的形式被集中固定在南部高原，无法形成海洋。

我国天问一号火星探测任务的祝融号火星车对乌托邦平原内的北方荒原组开展了原位探测，其搭载的多光谱相机发现了具有双向交错层理的沉积岩石(Xiao et al., 2023)，搭载的探地雷达在其巡视路线上发现了地下灾难性洪水沉积层 (Li et al., 2022)，有力地支持了火星北部平原曾经存在古海洋的假说。

北方荒原组是潜在的古海洋沉积物，但由于其表面灰尘覆盖率高，只通过轨道探测难以约束其物质组成。目前，已经有六个巡视器和着陆器对北方荒原组开展过原位探测，包括：祝融号，洞察号，凤凰号，探路者号，维京1号，维京2号。尽管获得了大量的原位探测数据，仍然不足以全面了解其形成机制、物理性质和物质成分。基于祝融号在乌托邦平原内的重要发现，本研究提出了未来采样返回任务可以重点关注的探测目标，包括：可能为泥火山的凹锥 (图3b)，潜在的泥流 (图3c)，北方荒原组的叶状边缘 (图3d)，以及可能出露沉积层露头的多边形地貌 (图3e)。

图3 乌托邦平原内的重点探测目标。a. 概况图，显示图c–e的位置。底图为天问一号中分辨率相机全球拼接图(Liu et al., 2024)覆盖在MOLA山体阴影图上。红色五星指示祝融火星车的着陆点，为图b的位置。b. 典型的泥火山凹锥地貌，中心坐标：109°51′24″E, 25°9′30″N, HiRIC ID: HX1_GRAS_HIRIC_DIM_0.7_0 004_251515N1095850E_A。c. 可能的泥流地貌，中心坐标：109°27′15″E, 31°34′17″N。d. 北方荒原组的叶状边缘，中心坐标：97°6′50″E, 22°48′59″N。e. 乌托邦平原内的大型多边形地貌，中心坐标：108°32′54″E, 32°51′22″N。图c, d, e的底图为CTX全球拼接图。

本研究成果以“Hypothesis of an ancient northern ocean on Mars and insights from the Zhurong rover”为题近期发表于Nature Astronomy期刊，中国地质大学（武汉）地球科学学院的博士生王乐是论文的第一作者，中国地质大学（武汉）行星地质学团队的黄俊教授是通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目 (42273041)的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02343-3

该团队在前期也开展了一系列针对火星古海洋的研究工作，包括：

2021年10月，团队利用国际火星探测获取的遥感影像、激光高度计以及热红外数据制作了以着陆点为中心，边长为0.5度的地质简图。分析了研究区的地形与热物理学特征，识别并描述了火山锥、撞击坑、多边形槽和风成底形等地貌；约束了着陆区的地质单元的绝对模式年；建立了着陆区的地层序列模型 (Zhao et al., 2021)。成果以封面论文的形式在Geophysical Research Letters期刊发表。

2023年1月，团队利用天问一号高分辨率相机 (HiRIC)在祝融着陆区内获取的遥感影像和制作的数字高程模型 (DEM)对区域内的小型山丘开展了形貌学研究，通过类比分析得出了小型山丘的熔岩穹隆成因，指示区域小规模的岩浆活动(Lin et al., 2023)。相关研究成果发表于国际专业期刊Icarus。

2023年3月，团队利用天问一号和国际火星遥感探测数据，对乌托邦平原内的平顶山开展了详细的形貌学分析，研究发现平顶山侧壁发育层状结构、似冻融泥流，顶面具有与沉积压实相关的裂缝，以及与冰的升华作用相关的撞击坑，指示平顶山地貌为残余的沉积层，可能为古海洋沉积物 (Zhang et al., 2023)。相关成果发表于专业期刊Journal of Earth Science。

2023年5月，团队对祝融号火星车发现的岩石进行了详细的结构和构造分析，通过和地球上不同成因的岩石以及已知的火星岩石进行对比，认为这些岩石发育了只有海洋中才能形成的沉积构造。其中的细小双向层理构造指示了双向水流特点，与地球浅海环境中的潮汐流一致，为火星上存在古海洋提供了强有力的证据 (Xiao et al., 2023)。相关成果发表于National Science Review期刊。

2023年8月，团队利用天问一号高分相机获取的数据，对祝融着陆区内的锥状地貌开展了形貌学分析，研究结果指示锥状地貌为泥火山成因 (Wang et al., 2023)。相关成果发表于专业期刊Science China Earth Sciences。

团队相关论文发表信息：

Wang, L. and Huang, J.*, 2024. Hypothesis of an ancient northern ocean on Mars and insights from the Zhurong rover. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-024-02343-3.

Zhao, J., Xiao, Z., Huang, J.*, Head III, J. W., Wang, J., Shi, Y., Wang, L., 2021. Geological Characteristics and Targets of High Scientific Interest in the Zhurong Landing Region on Mars. Geophysical Research Letters 48, no. 20: e2021GL094903

Lin, Y., Zhao, J., Wang, L., Huang, J.*, Zhang, L., Xiao, L. (2023). Evaluation of small-sized mounds formation mechanisms in China's Zhurong landing region. Icarus, 389, 115256.

Zhang, T., Wang, L., Saidamat, A., Xiao, L., Huang, J. *(2023). Evolution History of Mesas in the Southern Utopia Planitia and Implications for the Ancient Oceans on Mars. Journal of Earth Science, 1-11.

Xiao, L.*†, Huang, J.†, Kusky, T.*, Head, J.W., Zhao, J., Wang, J., Wang, L., Yu, W., Shi, Y., Wu, B., Qian, Y., Huang, Q., Xiao, X., 2023. Evidence for marine sedimentary rocks in Utopia Planitia: Zhurong rover observations. Natl. Sci. Rev. 10, nwad137. https://doi.org/10.1093/nsr/nwad137

Wang, L., Zhao, J., Huang, J.*, Xiao, L., 2023. An explosive mud volcano origin for the pitted cones in southern Utopia Planitia, Mars. Science China Earth Sciences, 1-12.

转自【行星科学】，文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/giiYO3EI4GbyQFYsO9yR8Q

参考文献：

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Li, C., Zheng, Y., Wang, X., Zhang, J., Wang, Y., Chen, L., Zhang, L., Zhao, P., Liu, Yike, Lv, W., Liu, Yang, Zhao, X., Hao, J., Sun, W., Liu, X., Jia, B., Li, J., Lan, H., Fa, W., Pan, Y., Wu, F., 2022. Layered subsurface in Utopia Basin of Mars revealed by Zhurong rover radar. Nature 610, 308–312. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05147-5

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Xiao, L., Huang, J., Kusky, T., Head, J.W., Zhao, J., Wang, J., Wang, L., Yu, W., Shi, Y., Wu, B., Qian, Y., Huang, Q., Xiao, X., 2023. Evidence for marine sedimentary rocks in Utopia Planitia: Zhurong rover observations. Natl. Sci. Rev. 10, nwad137. https://doi.org/10.1093/nsr/nwad137