近日，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院方廣有研究員領導的月球與火星探測雷達研究團隊發(fā)現，位于火星北半球烏托邦平原南部“祝融號”著陸區(qū)的地下10至35米深處存在多層傾斜沉積結構。這些地質特征與地球海岸沉積物高度相似，為火星中低緯度地區(qū)曾存在古代海洋提供了迄今最直接的地下證據。

這一成果以《火星成像發(fā)現古海洋地下沉積層》（Ancient ocean coastal deposits imaged on Mars）為題，于北京時間2025年2月25日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

火星因其與地球相似的地質特征、季節(jié)性變化和晝夜節(jié)律而被科學家視為人類星際移民的首選目標。過去數十年，人類對火星的探測已取得諸多里程碑成果，但這些發(fā)現大多集中在環(huán)境極端寒冷的火星高緯度或極地區(qū)域，并且關于火星北部低地是否曾存在浩瀚海洋的爭論始終存在，這使得獲取火星古海洋的直接證據至關重要。

火星36億年前的假想圖。藍色區(qū)域顯示了現已消失的Deuteronilus古海洋和海岸線。橙色星標表示中國祝融號火星車的著陸點，黃色星標是NASA毅力號火星車的著陸點（圖片來源: Robert Citron）

中國首輛火星車祝融號于2021年5月15日著陸于烏托邦平原南部，搭載有中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院研制的火星次表層穿透雷達，用于探測地下結構和可能存在的水冰。祝融號行駛的路線位于前人提出可能存在的古海洋海岸線以北約 280 km處，海拔比該海岸線低約500 m。

烏托邦平原地圖、祝融號火星車著陸點和四條可能的古海岸線

研究團隊通過分析祝融號雷達低頻通道實測數據，在火星車沿途地表以下10至35米深度范圍內識別出76個地下傾斜反射體。這些發(fā)射體空間分布廣泛且均勻，覆蓋范圍超過1.3公里，所有反射體均呈現向北方低地方向傾斜的特征，傾角介于6°至20°之間、平均傾角為14.5°，且在相同位置的不同深度可觀測到多個平行分布的反射體。這些層理結構與地球沿海沉積物的雷達成像結果驚人地相似，其一致性和物理特性排除了風成沙堆、熔巖管道或河流沖積等其他成因。這些沉積物的大規(guī)模存在表明，風浪驅動的沿岸輸送為海岸線提供了穩(wěn)定的泥沙凈流入，并形成了海岸線前積層，這種結構只有在持久穩(wěn)定的大型水體環(huán)境中才能形成，而非僅僅是局部和短暫的融水現象。

這項研究不僅提供了火星北部平原曾存在古代海洋的關鍵地下證據，還揭示了火星曾經經歷過長期溫暖濕潤的氣候期，這意味著火星可能曾長期維持適宜液態(tài)水存在的溫度和氣壓條件，遠超之前估計的短期融水事件。此外，研究發(fā)現的海岸線沉積物電介質特性與地球上由細砂和中砂顆粒的介電常數一致，這也進一步證實了其海洋沉積物的性質。

火星上探測到的傾斜反射與地球海洋沉積物的對比

(A) 澳大利亞Shark Bay濱海沉積物的探地雷達圖像；(B) 祝融號火星次表層穿透雷達低頻通道雷達剖面圖

祝融號著陸點傾斜沉積結構形成過程的示意圖

(A) 潮汐沉積作用下形成的分層結構；(B) 隨著古代海岸線后退，液態(tài)水消失，沉積作用停止。隨后長期物理和化學風化改變了巖石和礦物的性質，導致火星表面層的形成。因此，沉積物被當前的火星表面土壤覆蓋

此次發(fā)現的最大意義，在于將火星液態(tài)水的證據從火星人跡罕至的極地地區(qū)，擴展到了更適合人類活動的中低緯度地區(qū)，證實了火星可能曾經是宜居的。如果這一區(qū)域曾存在海洋，那么隨著氣候變遷，大量水分可能以地下冰的形式被封存，為未來火星基地的水資源利用提供了可能，也將大大降低火星基地的建設和維護成本。此外，這些古海洋沉積物保存了火星氣候變化的歷史記錄，研究這些沉積物可以幫助我們理解火星如何從溫暖濕潤轉變?yōu)楹涓稍?，進而指導人類如何改造火星環(huán)境，實現火星的長期可持續(xù)居住。

本研究由來自廣州大學、中國科學院、同濟大學、賓夕法尼亞州立大學以及加利福尼亞大學伯克利分校等機構的國際科學家團隊共同完成，廣州大學博士生李鑒輝和劉海教授為共同第一作者，劉海、Michael Manga和方廣有擔任通訊作者。研究得到了中國國家航天局、中國首次火星探測任務（天問一號）團隊的支持，同時也獲得了中國國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助。