摘要：
祝融号火星车在乌托邦平原着陆区进行了就位巡视探测，获得了对该区域风沙地貌、物质组成、次表层结构等方面一系列科学认识。含水矿物作为火星水活动的指示性矿物，其种类和含量对于约束火星地质过程和环境演变具有重要意义。搭载在祝融号火星车上的火星表面成分探测仪（MarSCoDe）载荷耦合了激光诱导击穿光谱仪（LIBS）和短波红外（SWIR）光谱技术，获取天问一号着陆区的元素和矿物信息，揭示了含水矿物的存在。山东大学行星科学团队通过系统的模拟实验对祝融号探测到的含水矿物类型与模式含量进行了解译和约束。研究表明天问一号着陆区主要含水矿物类型为水铝英石，此外还可能存在少量蛋白石、硫酸盐等次生矿物。这些含水矿物在天问一号着陆区土壤中的平均含量约为7 wt.%，揭示亚马逊纪时期的乌托邦平原地区曾经存在短暂、中低程度的水蚀变作用。
已有的轨道遥感探测研究在火星南部高地发现了层状硅酸盐、硫酸盐等含水矿物的广泛分布，然而并没有在包括乌托邦平原在内的火星北部低地发现这些含水矿物普遍存在的证据。2021年5月15日，祝融号火星车着陆于乌托邦平原南部，随后在巡视过程中利用SWIR光谱技术探测到了含水矿物的信号。虽然对于含水矿物的类型当前已有初步研究，但其含量与矿物模式仍需进一步的约束。本研究通过模拟实验解译祝融号所探测的含水矿物类型与模式含量，选取了水铝英石、石膏、蛋白石、含水硫酸镁等含水矿物作为候选端元，与辉石矿物进行混合，制备了一系列二元混合物（如图1）。研究发现，辉石与水铝英石混合物的光谱能够与祝融号所观测的SWIR光谱较好的匹配，表明天问一号着陆区的主要含水矿物类型为水铝英石，而蛋白石和硫酸盐等其它次生矿物也可能存在，但不占主导地位。
图1. 辉石与（a）石膏和（b）水铝英石二元混合物的SWIR光谱
本研究选取了可见近红外光谱中的0.9和2.2 μm两个吸收特征，分别建立了积分吸收带深度（IBD）与含水矿物定量反演模型。我们利用IBD模型解译了祝融号的SWIR数据，从而获得不同光谱采集区域含水矿物的含量分布（图2）。此外，将祝融号巡视路线上不同的探测对象（粗粒土壤、细粒土壤、胶结硬壳等）进行分类，计算平均后的SWIR光谱所代表的含水矿物含量，结果表明不同探测对象中的含水矿物含量相近，总体平均占比约为～7 wt.%。
祝融号在天问一号着陆区的含水矿物观测有效补充了遥感观测的不足，揭示了乌托邦平原的水活动历史。本研究结合研究区域的地质背景和含水矿物的类型（水铝英石主导）提出了乌托邦平原含水矿物的可能形成机制。火星亚马逊纪时期的火山活动可能覆盖了早期的古海洋蒸发或外流河道冲击形成的沉积物质，因此祝融号探测到的矿物类型以火成矿物为主。地形地貌特征显示当地没有丰富的蚀变过程，但存在风成沉积和液态水蒸发等特征。亚马逊纪时期的火星环境存在周期性的变化，这种变化可分为两个阶段：（1）当火星北半球处于冬季或者大倾角时，地表环境寒冷，存在地下水上涌以及降水/雪形成的冰雪，同时可能伴有火山喷发形成的火山灰等物质覆盖在乌托邦平原地区（图3 a）；（2）随着火星的气候变化，地表出现了短暂的液态水并与火山物质作用形成了以水铝英石为主的次生矿物（图3 b）。这种环境的交替可能数次发生于亚马逊纪时期的火星乌托邦平原地区，而～7 wt.%含量的含水矿物则指示了火星晚期中低程度的蚀变过程，这为乌托邦平原的水活动历史提供了进一步的约束。
图3. 天问一号着陆区水铝英石形成过程示意图。（a）火星表面存在冰/雪覆盖，这一时期也可能存在活跃的火山活动以及地下水上涌；（b）由于季节交替、倾角变化等，火星环境发生变化，在低温的环境下短期的液态水形成，并与火山灰等相互作用形成了当前观测到的含水矿物
上述研究近期发表于行星科学领域专业期刊《Earth and Planetary Science Letters》，第一作者是山东大学博士生鞠恩明，通讯作者是山东大学凌宗成教授。本研究得到了国家重点研发计划项目（2022YFF0711400）、国家自然科学基金（12303067, U1931211）、国家航天局民用航天技术预研项目（D020102）、山东省自然科学基金（ZR2023QD106）和中国博士后基金（2023M732044）等资助。
论文信息：Ju Enming, Liu Changqing, Chen Jian, Zeng Xiaojia, Xin Yanqing, Liu Ping, Fu Xiaohui, Ling Zongcheng. (2024). Detection of allophane by the Zhurong rover indicates water-limited alteration at Utopia Planitia, Mars. Earth and Planetary Science Letters, 639, 118769.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118769
