祝融号解开火星浅表结构之谜——解读2022年度中国科学十大进展（一）

编者按  当前，新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，基础研究处于科研链条的起始端，成为各国科技竞争的焦点。在过去的一年里，中国基础研究在世界科技前沿留下了“中国印记”的高影响力成果。科技部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）日前发布了2022年度中国科学十大进展，祝融号巡视雷达揭秘火星乌托邦平原浅表分层结构、全新原理实现海水直接电解制氢等10项重大科学成果脱颖而出。为了让读者深入了解我国基础研究取得的成就，本报将陆续刊发由十大进展完成人撰写的解读文章，展示这些成果的创新性、战略性和引领性。

祝融号火星车在乌托邦平原进行原位雷达探测，首次揭示了乌托邦平原浅表精细分层结构。
（图片设计：中国科学院地质与地球所研究团队，图片绘制：武汉大学邓俊）

火星是太阳系中与地球最为相似的行星，因其丰富的水活动历史，一直以来都是世界行星探测的重点目标。自20世纪60年代至今，人类共进行了47次火星探测任务，从最开始发射探测器飞掠火星，到后来的环绕探测，再到现在登陆火星进行原位探测，不断深化了对火星地质地貌、矿物化学分布和内部结构的认识。

火星的浅表结构记录了其漫长演化过程中的岩浆活动、沉积过程、陨石撞击事件等，是一部几十亿年以来火星地质演化、水文循环和古环境变迁的历史书，因而成为火星研究的焦点之一。

火星浅表雷达探测开启新纪元

2021年5月15日，我国首次火星探测任务“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，开启了巡视探测工作，使我国成为世界上第二个实现火星巡视探测的国家。

乌托邦平原是火星最大的撞击盆地，可能曾经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。平原南部广泛覆盖着约35—32亿年前形成的北方荒原组沉积。

“祝融号”着陆区拥有众多与水活动密切相关的典型地貌，比如，壁垒撞击坑、凹锥、沟槽等，说明该区域过去存在过大量的水或冰，经历过活跃的水活动过程。然而，目前其地下是否仍然存在水（冰）、是否受水活动及其他地质过程的影响尚未可知，这制约了我们对乌托邦平原乃至火星整体演化的认识。

火星浅表分层结构与地质认识获得新突破

雷达探测是认识行星浅表结构的有效手段。“祝融号”携带的次表层探测雷达，能够对浅表百米深度范围的结构进行精细成像，可为认识乌托邦平原地下水（冰）分布、沉积特征和地质过程提供关键约束，进而为探索火星地质演化和环境变迁提供观测依据。

“祝融号”雷达工作的空间环境十分复杂，各种射线、带电粒子严重干扰雷达的工作状态，且受到重量和功耗的限制，雷达接收到的深部信号往往表现为能量弱、随机噪音干扰强的特征。行星巡视雷达探测孔径有限，因此难以准确约束浅表速度，进而影响雷达成像质量和对地下物性成分的识别和判断。

针对这些问题，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，设计了完备的数据处理框架，有针对性地压制了随机噪音，并开发了有效的速度反演方法。基于“祝融号”火星车前113个火星日采集的长度约1171米的低频雷达数据，研究团队获得了着陆区浅表80米以上的高精度结构分层图像和地层物性信息。

为了进一步从雷达反射图像和物性信息中提取区域地层特征，研究团队将雷达反射特征与介电常数信息、雷达信号正演模拟结果、热模拟结果相结合，从地下分层结构特征、物质成分、深度分布、相态等方面共同约束，相互印证，并与着陆区地质、地貌和撞击坑挖掘深度及其统计定年信息相结合，获得了如下新认识：一是深度小于10米的最上层为火壤层。二是深度在10—30米的第二层，可能是着陆区16亿年以来火星表面改造事件的结果。短时洪水、长期风化或重复陨石撞击作用，可能形成了这一层向上变细的沉积层序。三是深度在30—80米的第三层，可能反映了乌托邦平原南部约35—32亿年前更大规模的火星表面改造事件，其向上变细的沉积层序的形成可能与当时发生的大型洪水活动有关。

“祝融号”火星车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，反演约束的介质介电常数较低，不同于含水物质通常具有的高介电常数，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米以上稳定存在，但由于硫酸盐或碳酸盐盐冰的介电常数与典型岩石相当，目前无法排除浅表存在盐冰的可能性。

（第一作者系中国科学院地质与地球物理研究所研究员、博士生导师，第二作者系中国科学院地质与地球物理研究所博士后）