摘要：我国首次火星探测任务天问一号着陆于火星北部的乌托邦平原。这个人类全新的着陆区位于广袤的北方荒原建造（VBF）之上，它是否曾经存在过古海洋？VBF是否为古海洋沉积物？岩石矿物的水蚀变程度如何？祝融号火星车在该区域300多个火星日的就位巡视勘查为回答这些问题提供了一些线索。近日，山东大学行星科学团队采用祝融号火星车在火星的实地探测数据，获得了着陆区岩石和土壤的化学成分和矿物学特征，首次就位发现天问一号着陆区存在弱水岩相互作用的直接证据，揭示火星北半球很可能存在冰冻海洋作用的遗迹。
2021年5月15日，我国首次火星探测任务天问一号着陆于火星北半球的乌托邦平原南部（25.1°N，109.7°E），并释放祝融号火星车开展巡视探测。截至冬季休眠，祝融号火星车已工作361个火星日，行驶里程累计1921米。天问一号着陆区位于火星晚西方纪的北方荒原建造内（VBF）。VBF是火星最大的沉积单元之一，覆盖了大部分火星北部平原。根据已有研究，VBF可能代表了古海洋蒸发残留、外流河道洪水运移、沉积物压实和排水活动、冰等挥发分的剧烈挥发作用等地质活动，但目前对VBF的水蚀变过程和地质成因缺乏实地观测约束，尤其是火星北半球是否曾存在古海洋仍然存在较大争议，这限制了我们对火星水环境演化和古火星宜居性的认识。祝融号火星车在VBF新区域的就位精细探测，为认识火星VBF和北部低地的地质成因提供了新的契机。
图1 天问一号着陆点及祝融号火星车行进路线
火星表面成分探测仪（MarSCoDe）是祝融号火星车主要科学载荷之一，具备激光诱导击穿光谱（LIBS）、短波红外光谱（SWIR）和显微相机（MI）等三个功能模块，是火星表面化学成分和矿物组成探测的有力工具。山东大学行星科学团队结合MarSCoDe获得的LIBS和SWIR光谱数据和MI影像，系统分析了着陆区岩石/土壤的化学成分、矿物种类及形貌等信息。该研究基于好奇号ChemCam LIBS光谱数据库、山东大学LIBS标样光谱库、祝融号MarSCoDe在轨标样LIBS光谱数据集，建立了不同LIBS系统之间的交叉标定方法，初步建立了适用于MarSCoDe实测LIBS数据解译的火星表面主量元素（Si、Al、Mg、Fe、Ca、Ti、Na、K等）反演方法，获得了着陆区岩石/土壤的化学成分信息。根据SWIR光谱数据，研究指认着陆区矿物种类主要为高钙辉石和无定型含水硅酸盐（水铝英石、伊毛缟石/蛋白石），其中无定型含水硅酸盐为火成矿物原位风化的产物。
化学成分和矿物种类记录了火星水蚀变过程和蚀变程度的重要信息。研究发现，着陆区岩石和土壤主要为玄武质，与其他火星着陆点相比，天问一号着陆区的化学风化指数（CIA）偏小，揭示其水蚀变程度较低（图2），可能主要由广泛存在的火星尘埃和富钙贫镁的局域物质混合形成。祝融号所发现的无定型矿物可能由火山碎屑物质在低温、弱酸性和低水岩比等条件下蚀变而成，估计参与水岩相互作用的水量可能较少或为短期存在。结合VBF地质成因的推测，本研究提出VBF很有可能形成于短期冰冻弱酸性海洋的沉积和挥发作用过程（图3）。
图2 火星车探测对象的地球化学成分特征
综上，本研究基于我国祝融号火星车在乌托邦平原的巡视勘查，通过联合解译激光诱导击穿光谱（LIBS）和短波红外光谱（SWIR）数据，获得了着陆区岩石和土壤的化学成分和矿物分布特征，首次就位发现了天问一号着陆区弱水岩相互作用的直接证据，为深入认识火星地质演化、环境宜居性以及气候变迁提供了重要参考。
图3 火星冰冻海洋概念图
该研究成果于2022年11月16日发表于Nature旗下期刊《Communications Earth & Environment》。第一作者为山东大学博士后刘长卿，通讯作者为山东大学行星科学课题组长凌宗成教授。该研究得到民用航天预研项目（D020102）、国家自然科学基金（U1931211、11941001、41972322）、山东省自然科学基金（ZR2019MD008）、山东大学青年学者计划等项目资助。
论文信息：Changqing Liu, Zongcheng Ling*, Zhongchen Wu, Jiang Zhang, Jian Chen, Xiaohui Fu, Le Qiao, Ping Liu, Bo Li, Li Zhang, Yanqing Xin, Erbin Shi, Haijun Cao, Shangke Tian, Sheng Wan, Hongchun Bai, Jianzhong Liu. Aqueous alteration of the Vastitas Borealis Formation at the Tianwen-1 landing site. Communications Earth & Environment, 2022, 3(1): 1-11.
链接：https://www.nature.com/articles/s43247-022-00614-3
