火星曾经存在过古海洋吗？
当观察火星地形图时，不难注意到火星地形呈现明显的南北二分性，南部是高原，北部是低地（图1）。这自然引发了一个问题：既然大量证据表明火星早期曾有水流的活动，水流是否注入了这片占据火星表面三分之一的低洼区域而汇聚成一个古海洋？先前的研究基于南北二分性地形和北方荒原组（可能的海洋沉积地质单元）的空间分布，绘制出类似古海岸带的边界，这被认为火星存在古海洋的最有力证据之一。此外，峡谷网络和三角洲沉积等地貌特征的发现也支持了北部低地存在丰富水活动的观点。然而，目前尚缺乏足够的物质成分证据来支持这一重大假说。目前，火星北部平原地区仅在一些大型陨石坑的中央峰和溅射物中探测到诺亚纪时期的黏土矿物（图1）。火星古海洋假说缺少充分物质成分证据的原因主要是北部低地受到沙尘的覆盖、岩石表面因化学风化而形成非晶质物质、以及较强的大气吸收影响。着陆巡视探测具有最高的空间分辨，并可能抵近新鲜岩石露头，从而获得原岩的光谱特征。
图1 已发现的火星含水矿物主要分布在南部高地，而北部低地平原极少。海陆界面1（Contact 1）和海陆界面2（Contact 2）为推测的古海岸线；“祝融号”火星车着陆点用红色十字标示
“祝融号”火星车实地考察遇难题
与轨道遥感相比，火星车在北部低地的原位探测具有更高分辨率和较少的火星大气干扰，可提供更准确的成分信息。20世纪的“海盗1号”、“海盗2号”和“火星探路者号”在北部低地着陆，然而，受限于载荷资源和技术，未能明确鉴定出含水矿物类型。中国首次火星探测任务“天问一号”的“祝融号”火星车于2021年5月15日成功降落在北部低地的乌托邦平原（图1），其主要科学目标之一是探测着陆区的物质组成，以揭示火星北部低地的古环境。其中一个关键手段是对火星表面进行高分辨率的光谱观测。
然而，火星经常出现沙尘暴，这不仅覆盖了地表，还覆盖了探测设备，进而影响载荷的探测性能。光谱观测中，精确的定标至关重要，但不幸的是，火星车上的两块定标板（白板和灰板）很快被沙尘覆盖。虽然没有专门的相机记录定标板的状态，但根据太阳能板上的沙尘积累情况（图2），沙尘覆盖问题显而易见。沙尘覆盖了定标板，导致使用这两块板定标的同一目标光谱数据不一致，而且得到的火星表面反射率显著大于所有其他火星探测任务观测的结果，这给数据解释带来了极大的挑战。
图2 “祝融号”火星车太阳能电池板随着时间积累了一层沙尘。光谱仪定标板同样也会被沙尘覆盖
在轨标定还原火表真实光谱
中国科学院地质与地球物理研究所的科研团队提出了一种光谱解混策略，以恢复火星车上洁净定标板的真实辐亮度，不确定度为14%（图3）。在实验室进行了仿真实验来验证这个方法，得到了很好的效果。同时，他们还评估和标定了探测器的温度变化、定标板的非均匀性以及大气传输过程对光谱的影响。标定后，“祝融号”火星车的原位近红外光谱数据质量得到了显著提高，这对于小尺度矿物的识别以及轨道遥感数据的校准具有重要意义。完成数据的在轨标定后，两块板对同一目标定标的光谱趋于一致，而且着陆区的反射率也处在火星土壤的正常范围内。
图3 “祝融号”火星车定标板去除沙尘覆盖前后的辐亮度；定标后的火星表面反射率光谱及与实验室纯矿物光谱对比
确定矿物种类，支持水的活动
“祝融号”火星车获得的着陆区所有目标光谱在约1.45和约1.95微米处都显示明显的吸收特征（图3）。这些特征的出现是由于羟基或水分子的存在所致，与激光诱导击穿光谱（LIBS）中观察到的氢信号一致。在排除了定标板固有吸收的本底后，还在2.20至2.25微米范围内观察到明显的吸收特征。在约1.45微米处的吸收深度约为3%，在约1.95微米处的吸收深度约为10%，在约2.20微米处的吸收深度约为5%，这些值明显高于光谱仪辐射定标的不确定度。除此之外，在约1.20微米和约1.75微米处也存在微弱的吸收。作为对比，由于大气吸收的干扰和轨道探测混合效应及信噪比的限制，这些微弱特征在轨道测量中无法被准确识别。基于“祝融号”火星车探测到的这些特征，可以推断着陆区存在多种含水矿物，如多水硫酸盐、石膏和含水硅酸盐，其中硫酸盐的含量低于27%-39%（这是一个上限，真实含量可能更低）。
着陆区硫酸盐和含水硅酸盐的存在表明火星北部低地曾经有过水的活动，这与乌托邦盆地发现的壁垒撞击坑、薄饼状撞击坑、凹锥等地貌特征所指示的该区域存在地下冰川或冻土的推测是一致的。撞击坑统计定年显示“祝融号”火星车着陆区的地质年龄为32-35亿年前的晚西方纪。因此,基于硫酸盐矿物的识别结果,在35亿年前,着陆区可能存在地下水，甚至地表水。
（1）如果当时只存在地下水,硫酸盐可能是由岩石和土壤与酸性地下水相互作用形成；
（2）如果当时仍然存在地表水,则有两种可能的情况：(a) 着陆点附近存在一个局部水域,硫酸盐随着水的蒸发而形成；(b) 假设过去的地形与现今变化不大，由于“祝融号”火星车的探测点位于乌托邦盆地平坦而宽阔的南部斜坡上,那么火星北部平原可能曾是古海洋(图4)。这与火星车着陆点位于两条可能的古海岸线内的推测一致。当古海岸线退至较低海拔后，硫酸盐会从着陆点的地下水中析出。
图4 火星北部低地可能的水活动。红色标记为“祝融号”火星车着陆点
未来还需要综合多源数据分析进一步区分是地下水活动与存在古海洋这两种可能性。硫酸盐的存在指示了净蒸发环境，因此在诺亚纪晚期或早西方纪，火星古气候可能发生了从温暖潮湿到干燥寒冷的转变。
研究成果发表于SCIENCE CHINA Earth Sciences 和Earth and Space Science。研究受国家重点研发计划项目（2022YFF0504000）、中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-TLC00106）、研究所重点部署项目（IGGCAS-202102）、中国科学院青年创新促进会（2023071）、中国科协青年人才托举工程项目（2021QNRC001）等资助。
1. 林红磊*, 徐睿, 林杨挺, 许学森, 吴兵, 芶盛, 魏勇. In-flight calibration of near-infrared reflectance spectra measured by the Zhurong Mars rover[J]. Earth and Space Science, 2023 10(2): e2022EA002624. DOI: 10.1029/2022EA002624.
2. 林红磊，林杨挺*，魏勇, 芶盛, 张驰, 阮仁浩, 潘永信. Mineralogical Evidence of Water Activity in the Northern Lowlands of Mars based on Inflight-Calibrated Spectra from the Zhurong Rover[J]. SCIENCE CHINA Earth Sciences, 2023 66(11). DOI: 10.1007/s11430-023-1194-4.
