火星今天是一颗寒冷干燥的星球，但它并非一直如此。厘清火星何时失去其湿润的环境，是理解其长期演化过程的关键之一。已有研究表明，火星在早期挪亚纪（即距今约40–37亿年前）曾广泛发育河流、湖泊乃至海洋。进入西方纪（约37–30亿年前），水活动由持续稳定转为阶段性、突发性过程，并常与火山和构造活动相关，气候逐渐由湿润转向干旱。至亚马逊纪（30亿年前至今），火星整体进入寒冷干旱环境，仅保留冰、卤盐沉积、地下水上涌、地表冰融化及局部洪水等有限水活动。亚马逊中晚期水与气候活动与未来人类探索火星，选择着陆点以及持续支持人类活动具有重要意义。

　　目前对火星水活动的认识主要依赖轨道探测器拍摄的地貌照片与遥感数据。与地表地貌特征相比，地下结构保存了更完整的地质与气候记录，不同深度对应不同时期的水活动历史。环绕火星的轨道雷达可提供大尺度的地下结构信息，但由于其在太空中运行，距离火星表面较远，难以精细刻画浅地表特征。而浅地表往往对应着更年轻的火星地质与气候活动，对于了解火星水活动如何从早期的广泛分布逐渐转变为晚期局部、短暂且更多发生在地下的过程提供了关键线索。相比之下，由火星车搭载的探地雷达能够原位获取浅地表精细结构和岩性特征。2021年5月15日，祝融号火星车成功着陆于火星乌托邦平原南部，首次在火星表面部署了高频四极化地面雷达（工作频率：450-2150 MHz）。同期着陆的毅力号火星车亦搭载探地雷达，但其工作频率（约 150–1200 MHz）明显低于祝融号，且采用单极化探测模式。更高的工作频率意味着更高的空间分辨率，从而能更精细刻画浅层地下结构，有助于深化对亚马逊纪中晚期火星地质与气候演化的理解。

图1 祝融号火星车位置与行进路线示意图。(a) 祝融号在火星乌托邦平原上的行驶路径，底图影像来自天问一号轨道器高分辨率成像相机（HiRIC）。图中三幅小图由美国宇航局（NASA）的 HiRISE 拍摄，展示了岩块、板状岩石和陨石坑的鸟瞰视角。祝融号在 323 个火星日（自Sol 11 至 Sol 333）内行驶了 1.9 公里，并利用多光谱成像相机（MSCam）(b)与导航地形相机（NaTeCam）(c, d) 拍摄了板状沉积岩石、溅射物、陨石坑和砾石等多种地貌影影像

　　在着陆后323个火星日内，祝融号累计行驶约1.9公里（图1），并利用高频四极化雷达持续开展浅层地下探测。中国科学院地质与地球物理研究所火星高频雷达研究团队，联合中国科学院国家空间科学中心及中国科学院空天信息创新研究院，通过系统数据处理与成像反演，首次获得了垂向分辨率高达5厘米的地下四极化结构图、多极化介电常数剖面、各向异性参数剖面，并计算了与介质衰减相关的损耗角正切。研究结果不仅揭示了火星浅层地下的精细结构，更提出一项对火星气候演化具有重要意义的新认识：在亚马逊纪中晚期（约7.5亿年前），火星表层仍存在显著的水体活动。这一发现将火星含水历史的终点向后推延了数亿年，为重新认识火星气候演化、地质过程及其潜在生命宜居性提供了新的关键约束。

祝融号着陆区的精细地下结构与岩性特征

　　地面雷达探测对极化方向高度敏感，祝融号高频雷达在四个极化方向上观测地下地质特征，弥补了单极化雷达可能遗漏的信息。然而，高频雷达数据噪声水平显著高于低频雷达，尤其是在地表数米范围内，有效回波几乎被噪声淹没。针对这一高噪声问题，研究团队引入在雷达数据处理中较少应用的多次散射噪声压制方法，在有效信号不受损的前提下显著抑制了噪声，从而实现了厘米级分辨率成像。地下介质的各向异性是判别岩性及地层走向的重要参数，祝融号搭载的高频四极化雷达为介质各向异性的定量计算提供了关键条件，首次获取了乌托邦平原着陆区地下介质的各向异性参数。在此基础上，研究揭示了着陆区地下的分层结构、断层、裂隙及掩埋撞击坑等地质构造与岩性特征，弥补了以往火星车任务在地下探测方面的不足。

　　为此，根据反射模型和介电常数揭示了着陆区的如下特征：

　　（1）高频雷达探测显示，祝融号着陆区约7米深度范围内发育多尺度沉积结构，包括米级、分米级与厘米级层理。在米级尺度上可识别出三套反射特性明显不同的层序：上层与下层呈弱反射特征，中层则显示为强反射界面（图2a）。

　　（2）沿祝融号行驶路径，多处地下掩埋陨石坑被清晰成像。例如部分陨石坑深约2.1米，上覆约4米厚的晚期沉积物（图2d–2g）。中层与下层普遍发育倾角约8°–15°、整体向北倾斜的坡面及裂缝构造（图3），并从顶层至下层识别出一条向南倾斜的铲形断层，该断层在下层逐渐变缓并消失。

　　（3）此外，中层在HV、HH、VV及VH四个极化通道中均呈现厘米级分辨率的近水平薄层结构（图3），表现为典型薄层沉积特征（图3c–3f，对应P1与P2）。该薄层单元厚约1.5米、宽约3米，不同极化方向成像特征存在差异，指示沉积体具有明显方向性（图3）。

　　（4）地下介质的介电常数反映了介质属性与岩性，例如水的介电常数约为80，水冰约为3。水冰作为晶体，表现出显著的介电各向异性。在祝融号着陆区，HV与HH极化方向的介电常数在上、中、下三层分别为3.0–3.5、3.5–5.0、5.0–6.8（图4）。各向异性参数介于-15%至15%之间，HV极化损耗角正切为0.0076，HH极化为0.0078。

图2 高频雷达数据的HV成像剖面。数据由祝融号在1.9公里行进过程中于Sol 11–333期间获取。（a）未使用自动增益控制（AGC）的米尺度HV反射率图像，显示深达7米的三个地下层位。（b）、（d）和（f）为带AGC的放大HV图像，分别对应剖面1、2和3，剖面4见图3。对应地质解释图（c）、（e）和（g）展示了碗形特征，分别为中层的一个掩埋陨石坑及下层另一个掩埋陨石坑（因火星车U形转弯并对同一陨石坑进行了两次成像，故图中呈现为两个）

图3 祝融号高频四极化雷达图像。来自Sol 26–30（对应图2a中剖面4）的四极化图像。（a）、（b）分别展示HV与HH分米尺度图像。黑线标注的倾角8°–15°坡面是中下层主要构造特征。标记f1至f7、f9和f10的坡面指示主要分布于中层的裂缝结构。标记f8的向南倾斜铲形构造从中层顶部延伸至下层，并逐渐消失于底层。图中虚线框标示了被解释为表面板状岩石的位置。图3c–3f以P1区域为例，分别展示HV、HH、VV和VH厘米尺度四极化图像，两条白色虚线表示与图2一致的层位边界

图4 HV 与 HH 模式介电常数。上层、中层和下层的介电常数范围分别为3.0–3.5、3.5–5.0和5.0–6.5，各层由白色虚线划分，分别对应（a）HV和（b）HH数据。HV与HH介电常数均呈现三层结构，但局部存在变化。白色虚线表示层间边界，与图2a中两条黑线对应。（c）展示通过HH和HV测量估计的介电常数各向异性，反映沉积层方向变化与岩石物性

亚马逊纪中晚期的水活动历史

　　图5以卡通形式展示了乌托邦平原南部的水活动历史。祝融号着陆区广泛覆盖着约4米厚、地表形态相对均匀的沉积层，覆盖于陨石坑及其周边区域。在排除火山熔岩、变质岩、风成沉积等成因后，水沉积成为唯一能合理解释该沉积层厚度与连续性的形成机制。地下陨石坑的掩埋深度与规模进一步指示，该区域在沉积时期处于浅水环境。高频雷达识别出的深度小于10米、向北倾斜的界面结构，与祝融号低频雷达在10–30米深度揭示的古海岸线特征具有良好对应。

　　与毅力号所在的杰泽罗区相比，祝融号着陆区介质损耗角正切远小于毅力号所在的火山熔岩覆盖区，进一步表明该区域属于沉积环境。祝融号搭载的火星表面成分分析仪在地表识别出多处板状岩石和海滨交错层理的片状岩石，并检测到含水矿物。相应地，高频雷达成像揭示了掩埋于中部地层的厘米级薄层沉积结构，其形态与地表沉积岩石层理高度相似，表明其形成于水环境沉积过程。尽管火星表面成分分析仪未直接在地表探测到黏土矿物，但下层反演获得的介电常数约6.5，与富盐或富黏土沉积层的典型数值一致。底层各向异性参数介于-5%至5%之间，呈弱各向异性，指示富盐沉积物的存在，进一步暗示了历史上水活动的参与。然而，介电常数与各向异性参数并未同时提供祝融号浅表层存在现代水或冰的直接证据。

　　向南倾斜的铲形断层结构表明，下层岩石相较于上覆地层更具塑性变形特征，暗示其可能富含石膏或岩盐等盐类矿物，此类地层通常与水下沉积环境密切相关。基于已有陨石坑计数的研究对地下物质年龄的约束，底层沉积物形成时间约为7.5亿年前（中–晚亚马逊纪）。此外，低频雷达数据在约30米深度揭示了一次更早的洪水事件，其年代约为16亿年前。综合分析表明，在中–晚亚马逊纪期间，祝融号着陆区经历了一次显著的地表重塑过程（原地表被覆盖），并且该时期火星仍存在持续性的水活动。

图5 祝融号着陆区近地表沉积地层演化示意图。（a）阶段1：下层形成于中–晚亚马逊纪期间的液态水环境中。（b）阶段2：中层通过局部湖泊或地下水上升带来的沉积物沉积、碎屑堆积、坡面与裂缝形成以及陨坑发育而逐渐形成。（c）阶段3：顶层代表一个风化沉积单元，以含水岩土石为特征，可能由中层风化、侵蚀及碎屑沉积过程形成。这三个层位均表现出风化特征、强反射性以及富盐或富黏土的物质组成。倾角8°–15°的坡面广泛分布，从中层延伸至底层，反映反射体具有向北倾斜的趋势

　　研究成果发表于NSR（国家科学评论）(刘伊克^*#，严天凡#，秦小光#，陈凌，张金海，刘洋，林杨挺，吴福元，Ross N. Mitchell，张振东，张江杰，王还伟，李超，王一博，何彬，郑忆康，张磊，李娟，邸凯昌，万文辉，林红磊，王建刚，郝金来，王新，赵盼，王旭，潘永信. Multipolarized radar reveals shallow subsurface structure and middle-late Amazonian aqueous activity in Utopia Planitia, Mars[J]. National Science Review, 2025，DOI：10.1093/nsr/nwaf505.)。研究受国家自然科学基金项目（42130807）和研究所重点部署项目（IGGCAS-202102）联合资助。