杨仁超，董亮
火星是一颗承载人类梦想的星球，火星上有许多的未解之谜有待科学家不断探索。近年来，人类科学技术的不断进步，已经在试图逐步揭开火星的神秘面纱（董治宝等，2020；李超等, 2020；王小军等，2021；王振西等，2021；桂裕华等，2022）。通过实施多种方法的综合研究，科学家可以破译火星的地质和环境的演化历史，进而寻找火星与地球的相似之处，为正确理解火星上潜在的地质和可能的生物作用过程提供重要的参考依据（孙宇，2021；赵健楠；2017；Sauro，2020），让火星的真实面目展现在人类面前，并由此启发人们对地球未来变化和发展的深思。
1. 火星探测简介
火星探测是指人类通过向火星发射空间探测器，对火星进行的科学探测活动。因为火星距离地球较远，所以探测火星的时机就显得尤为重要，一般都会选在火星冲日的时刻，便能够以较小的花费成功将探测器送往火星。
图1. 火星冲日示意图（新华社，2020）
2019年11月14日，中国火星探测任务在位于河北省张家口市怀来县的地外天体着陆综合试验场正式公开。2020年4月24日，中国行星探测任务被命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”。2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭托举着中国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空。 2021年5月15日7时18分，天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务着陆火星取得成功，成为第二个成功着陆火星的国家。第一轮的火星探测任务一次性实现“环绕”“着陆”“巡视”三个目标。主要研究科学问题包括：(1) 探测火星生命活动信息；(2) 火星的演化以及与类地行星的比较研究；(3) 探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的前景（赵宇鴳等，2019；庞之浩，2020）。
为什么会选择在7-8月发射火星探测器呢，因为这个时间段是火星探测器的发射窗口，在太阳系中，每颗行星都有自己的运转轨道，地球位于第三条轨道而火星则是第四条轨道。探测器从地球上发射后，将沿着发射时地球所在的位置，与六七个月之后航天器抵达火星时火星所在的位置之间的抛物线，飞向火星。这是由德国物理学家霍曼（W. Hohmann）通过计算得出的由地球去往火星最节省能量的一条路线，故被称为霍曼转移轨道。
图2. 霍曼转移轨道与火星探测器的发射时机（郑永春，2021）
航天器要想顺利进入霍曼转移轨道，就要选择火星位于地球前方44°时从地球发射，这一时机被称为火星探测器的发射窗口。一旦错过发射窗口，就要等地球和火星回到原来的相对位置时再发射，这就需要26个月的时间。而且火星探测器在发射窗口发射，最节省燃料，此时探测器的飞行速度只要达到第二宇宙速度，即11.2 km/s即可脱离地球引力。火星探测器的发射窗口，不是火星冲日的时候，即并不是地球和火星两者距离最近的时候，而是在火星冲日之前的 2~3 个月（郑永春，2021）。
2021年5月15日7时18分，科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认，天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区；2021年5月22日，“祝融号”火星车驶上火星表面，开始巡视探测，并传回着陆平台照片。6月11日，国家航天局举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由祝融号火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图（图3，4）。
图3. 着陆点全景图（国家航天局供图）
2. 火星基本特征
火星是太阳系中距离太阳较近的行星（第4位），也是太阳系中体积仅次于水星的较小行星（倒数第2位），为太阳系中的四颗类地行星之一。火星上有太阳系已知最大的山（奥林帕斯山）、最大的峡谷（“水手号”峡谷）和两个天然卫星。火星大气以二氧化碳为主，大气压小于 10 mbar，寒冷稀薄（Jakosky，2019）；大气密度只有地球的大约1%，空气干燥；火星表面平均温度为零下55℃。在火星的早期，它与地球十分相似，火星上几乎所有的二氧化碳都被转化为含碳的岩石。但由于缺少地球的板块运动，火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中，因此无法产生温室效应（Stone, 2020）。火星表面遍布撞击坑、峡谷、沙丘和砾石，到目前为止，火星的气候变化模型还无法重现支持长期湿润气候所需的必要条件，所以火星上没有稳定的液态水（Palumbo，2018）。火星南半球是古老的充满撞击坑的高地，北半球则是较年轻的低地平原。
图4. “中国印迹”图，摄影：“祝融号”火星车（国家航天局供图）
火星与地球距离较近，且与地球有很多相似之处。例如，火星跟地球有着相似的自转周期，为24小时37分，但公转周期是地球的两倍；火星自转轴倾角为25.19度，与地球的自转轴倾角相近，因此也有四季，只是季节长度是地球的两倍。从地质学的角度看，火星表面的沉积演化与地球某个时期的演化存在异曲同工之妙；而且火星表面沉积的演化阶段较地球相对滞后，通过对火星沉积演化的研究，可以帮助我们填补地球在更早时期沉积演化的空白。通过发射探测器了解火星的状况，获得更多信息，以此能够帮助人类以火星为蓝本更好地研究地球的演变与未来发展趋势。
3. 火星沉积认识的过程
长期以来，火星被普遍认为是一个火山行星，地表物质主要是熔岩和火山喷发的碎屑形成的。虽然在早期也有学者对山谷河网、流出通道以及沉积物质等方面进行了研究，但限制于当时科学技术的发展，对火星的观察资料少之又少，所以无法对其进行进一步的研究。
自20世纪70年代以来，由水手9号和海盗号卫星拍摄的“水手号”峡谷系统照片表明（图5），火星上可能存在呈层状的沉积岩，但这些沉积层的结构和组成尚不明确。同时它们还发现了基岩上切割的深沟，被认为这是地下水的灾难性排放而形成的。除了这些之外，早期图像中还观察到了其他更大的、具有更大密度的分支河网，称为“山谷河网”。随着水手9号的进一步探索，越来越多的证据证明，在火星上确实存在一种“源-汇”形式的河流网络（图6），在这种网络中，切入基岩的排水网络可以流入到数量稀少的河道，然后通过流水向下进入末端分流的沉积体系之中。
在过去的十几年中，在火星探索方面又发现了很多证据（图7），使得火星上存在沉积岩的假说得到进一步的证实。在2000年，第一次以高分辨率图像为依据，火星上沉积岩存在的证据被发表了(Malin和Edgett，2000)，2004年机遇号探测器证实了沉积岩存在的证据是可靠的(Squyres，2004)。随着科学家对火星的进一步探索，全新的研究证据表明，火星上存在液态水以及与地表之间的相互作用，包括沉积物风化、搬运、沉积以及风成沉积过程（李超等，2020；董治宝等，2020）。
图5. 火星最大峡谷水手号峡谷部分区域的近距离照片（新浪网，2021）
图6. 梅拉斯盆地的源-汇系统的图片(Metz，2009)
(A) 系统上游为发育良好的分支河网切割基岩，向下斜坡进入(B)冲积扇综合体。这经过更远的向下斜坡进入一组(C)扇，其起源虽然不确定，但可能代表三角洲或海岸线沉积。末端沉淀槽(D)由一组推断的次级扇表示
图7. 火星地形地貌图 （国家航天局供图）
4. 当前火星沉积探测的主要技术手段
2000年，第一次以高分辨率图像为依据，火星上沉积岩存在的证据被发表了。通过对火星不间断的探索，NASA使用火星全球探测器（MGS）轨道器上的火星轨道器相机（MOC），终于在火星上发现了高图像分辨率的丰富的沉积岩记录(图8)。MOC相机提供的图像分辨率约为1.5至12米/像素，并显示了沙丘、冲积扇、三角洲和巨大的“层状地形”的清晰证据。继MOC之后，欧洲航天局“火星快车”之上的高分辨率立体相机(HRSC)获得了火星表面多波长、分辨率为10米/像素的图像，提供了火星的彩色和立体视图。这是首次以高分辨率拍摄了这颗行星的图像。
此外，HRSC还包含一种“超分辨率”模式，对表面以2.3米/像素成像。最近，火星侦察轨道飞行器(MRO)上的高分辨率科学实验成像(HiRISE)相机已经再次革新，达到了一个全新的程度，约为25厘米/像素，包括三通道假彩色模式(McEwen et al., 2010)。HiRISE相机所提供的火星表面细节十分清晰。此外，MRO飞船上还安装了环境摄像机(CTX)，但在每幅图像覆盖数千平方公里的情况下，分辨率较低，仅以6米/像素拍摄地表，超高分辨率的HiRISE图像与低分辨率但覆盖范围更广的CTX图像的结合，是当前探测火星沉积的主要技术手段。
图8. 图中A-F的图像显示了从海盗号轨道飞行器（1970年代中期）到HiRISE相机（2000年中期）对水手号峡谷拍摄照片分辨率的变化（Grotzinger，2012）
(A) 维京号卫星（200米/像素）；(B)美国西弥斯计划卫星（100米/像素）；(C) MOC窄角（3米/像素）；(D) HiRISE相机（25厘米/像素）；(E) 分辨率为（4.33米/像素），是(C)中图框对应于处；（F）分辨率为（25厘米/像素），(D)中图框对应于处
5. 当前火星沉积研究的主要发展
5.1火星沉积时间的确立
对于火星沉积岩研究的一个重要内容是确定地层年龄。火星的地质时间尺度是基于撞击坑的密度分布，这在很大程度上限制了年龄的确定(Hartmann和Neukum, 2001)。除了火星陨石之外，现在的火星车携带的仪器还不能直接测定火星岩石的绝对年龄。火星岩石的年龄是从暴露于岩石表面的特征推断出来的。但是这种推断存在明显的缺点，即如果地表的侵蚀和沉积过程（如风成沉积、河流沉积）发生变化，火星表面上的陨石坑的分布也会被改造，使得火星上的一些表面可能看起来比它们的真实年龄要年轻。根据当今对火星岩石和地形的年龄讨论（图9），主要确立了火星的地质时间分为三个：即诺亚纪(4.5–3.6 Ga)、西方纪（3.6–2.6 Ga）和亚马逊纪（2.6 Ga–至今）（注：1 Ga为10亿年）。
图9. 火星时间轴和不同地质时代形成的层状岩石的代表性露头（Tanaka，2008）
5.2 火星的沉积岩类型
火星是一颗玄武岩行星，火星上沉积物质的来源，包括颗粒碎屑和化学沉淀物质，基本上都呈现基性。火星上存在不同种类的沉积岩。其中以独特地貌的河流为源头的最为出名(三角洲、冲积扇、湖底扇)，沉积岩的广泛堆积也可能是由于区域地下水流动产生的水位振荡导致的(Andrews-Hanna等，2010)。其次是湖相沉积，主要是区域性的硫酸盐沉积，常表现为地形低的平坦连续层，缺乏水合矿物特征。再者是风成沉积，火星最引人注目就是在表面覆盖着细粒度、含铁的红色尘埃(图10)。大量的沙尘被区域暴风以及沙尘暴携带搬运(Christensen，1988；Geissler，2005)，使得火星上的明暗区域不固定；另一方面，风成沉积来源区域不明确，但化学和物理风化作用在细粒物质的生成过程中也起到了重要作用。今天在火星表面观察到的风成层和土壤就是物理风化作用对玄武岩的侵蚀产生的。
5.3 火星沉积的“轨道相”
对沉积格架、形态属性和矿物学组成的轨道观测称为“轨道相”。轨道相包括块状角砾岩（MBR）；复层黏土（CSC）；横向连续硫酸盐（LCS）；横向连续杂岩（LCH）；分流河网（DNW）和韵律层（RHY）(Szwast MA等，2006；Grotzinger 和Milliken，2012)。通过观察这些轨道相分布的连续性，为火星广泛分离的区域是否存在关联提供证据，从而对火星的环境历史有了更精确的理解。火星上最古老的地形以MBR和CSC相为主，而较年轻的地形以LCS、DNW和RHY相为特征。
图10. 火星上的尘埃会形成不规则形状的硅砂大小的颗粒（Herkenhoff，2008）
虽然火星上现今不显示板块构造，但火星仍然有岩石循环。老的岩石暴露于地表，经受风化、侵蚀、搬运、沉积，沉积物积累到一定的厚度时再次遭受侵蚀，形成第二代沉积物。火星上大部分的沉积物都是在原有的洼地中形成的，这些洼地可能是由撞击事件造成的，也可能与断层造成的裂谷有关。这就导致了地球和火星之间的地层记录存在差异。到目前为止，火星表面的这种沉积在地球上并不常见。
6. 火星沉积的研究展望
随着火星探测器技术的快速发展和火星探测活动的日趋频繁，来自火星探测器传输回来的数据、图像信息越来越多，可以预见，火星沉积研究也必将迎来一个快速发展的黄金时期；将来，随着返回式火星探测器的发展，来自火星的岩石样品将为人类直接研究火星的矿物组成、化学成分和岩石结构等提供更大的便利，更加精准的火星岩石的同位素年龄测定等一系列测试分析将揭开火星年代学、火星地层学和火星沉积学研究的新篇章。
知识Box：
“火星冲日”是一种常见的天文现象，指火星、地球和太阳几乎排列成一线，地球位于太阳与火星之间（图1）。此时火星被太阳照亮的一面完全朝向地球，所以明亮而易于观察。大约每隔26个月就会发生一次火星冲日，前两次火星冲日出现在2018年7月27日和2020年10月6日。在出现火星冲日天象的前后数天，会出现神奇的现象，即黄昏时，太阳刚一落下，火星就会从东方升起；而黎明前，火星刚从西方的天空落下，太阳就从东方升起。
本文第一作者系山东科技大学地球科学与工程学院教授，第二作者系山东科技大学地球科学与工程学院在读博士生。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱yang100808@126.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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