火星上曾經(jīng)有海洋嗎？“祝融號(hào)”發(fā)現(xiàn)新證據(jù)

火星是太陽(yáng)系內(nèi)與地球最為相似的行星。盡管今天的火星是?個(gè)寒冷干旱的沙漠星球，但近年來的許多研究表明，數(shù)?億年之前的火星或許有著豐沛的降水、河川湖沼，甚至廣闊的海洋。同時(shí)，科學(xué)界對(duì)?星表?液態(tài)水的規(guī)模和存續(xù)時(shí)間?直有很?的爭(zhēng)議?！白Ｈ谔?hào)”的新發(fā)現(xiàn)可能將有助于平息爭(zhēng)議。

從巖石推測(cè)海洋

2021年5月15日，我國(guó)“天問?號(hào)”火星任務(wù)裝載的“祝融號(hào)”火星車，成功著陸于火星的烏托邦平原南部。烏托邦平原具有?些獨(dú)特的地貌，科學(xué)家認(rèn)為，那里可能曾擁有一片古老的海洋，?祝融號(hào)的著陸點(diǎn)就位于古海洋海岸線附近。

文中配圖皆為作者提供

在著陸之后，“祝融號(hào)”朝著海岸線?路南下，并在?年的時(shí)間里，行駛了約1921米。在旅途中，“祝融號(hào)”使用不同的儀器對(duì)地表巖石進(jìn)行觀測(cè)，獲得了大量數(shù)據(jù)，其中包括106組詳細(xì)記錄了巖石的表?形態(tài)與構(gòu)造特征的全景圖像，清晰度超乎想象。

不要小看這些巖石影像！正是通過這些影像，來?中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)抽絲剝繭地發(fā)現(xiàn)了這些巖石的層理構(gòu)造，推斷出祝融號(hào)沿途看到的這些巖石，是在海洋的濱海-淺海環(huán)境下，由潮汐作用形成的。

那么，這個(gè)結(jié)論是如何得出的呢？在介紹研究?員具體從這些巖?影像的中看見了什么之前，我們先必須了解?個(gè)核?概念，那就是巖石的層理構(gòu)造。層理構(gòu)造指的是在沉積巖的形成過程中，沉積物在各種因素的影響下，形成的?層?層的分明的層次結(jié)構(gòu)。層理的類型很多，比如水平層理、交錯(cuò)層理、遞變層理等。不同的沉積環(huán)境會(huì)形成不同的層理構(gòu)造和層理構(gòu)造組合。根據(jù)這些層理構(gòu)造特征，地質(zhì)學(xué)家可以判別這些巖石當(dāng)時(shí)是在什么樣的環(huán)境中形成的。

現(xiàn)在，讓我們回到祝融號(hào)沿途看到的這些巖石。這些巖?普遍都有著魚骨狀交錯(cuò)層理，?且它們的層?基本平行，層厚較小。

魚骨狀交錯(cuò)層理可以在水下環(huán)境中形成。當(dāng)水流向前移動(dòng)時(shí)，水里攜帶的泥沙會(huì)慢慢沉積，形成?層?層的沉積物，傾斜?向前；如果后來水流的方向變了，形成的層面方向也會(huì)隨之改變，形成交錯(cuò)層理。當(dāng)后來的水流方向發(fā)生180度的大轉(zhuǎn)向時(shí)，就就會(huì)形成這種特殊的類似魚骨的層理。在地球上，最常見的水流方向變化區(qū)域，就是靠近海邊的潮灘淺水區(qū)域，隨著漲潮和落潮，水流會(huì)發(fā)生180度的大轉(zhuǎn)向。

不過，除了在水下，地表環(huán)境中的風(fēng)向變化也能形成這樣的魚骨狀交錯(cuò)層理。但不同的是，風(fēng)向變化形成的層?通常是不平行的，而且形成的層厚也要比海洋潮灘區(qū)域大得多，從幾厘米到幾米不等。

祝融號(hào)觀測(cè)到的巖石的沉積層理，厚度基本上不超過?厘米。因此，從這個(gè)較小的規(guī)模來看，這些巖石更可能是在水流的作用下形成的，而不是風(fēng)。而且，研究區(qū)域內(nèi)的沉積物具有被水下河道切割的特征。綜合這些特征來看，這些巖石更可能形成于水下環(huán)境。

如何判斷是淺海環(huán)境？

這和水動(dòng)力大小的分析結(jié)果有關(guān)。在不同的海洋深度，沉積構(gòu)造顯著不同，如果是深海的話，只會(huì)有水平層理，不會(huì)有交錯(cuò)層理。

在進(jìn)?步仔細(xì)分析魚骨狀交錯(cuò)層理特征時(shí)，研究?員發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方向上的層理厚度和砂礫大小不?樣。砂礫可以反映水動(dòng)力的強(qiáng)度。水動(dòng)力越強(qiáng)，能夠帶動(dòng)的泥沙顆粒就越大，泥沙量就越多，沉積的層也就越厚；如果水流變?nèi)醯脑拕t恰恰相反。

因此可以看出，形成了這些巖石的古水流，在兩個(gè)方向上的水流強(qiáng)度是不?樣的。這些特征與漲潮 和落潮時(shí)的水動(dòng)力強(qiáng)度變化相?致。此外，研究區(qū)巖石在細(xì)粒紋層中偶爾出現(xiàn)的較大的碎屑顆粒，也都是典型的潮汐成因沉積物。

綜合來看，就得出了這些巖石是形成于淺海海洋環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

這些觀測(cè)結(jié)果是迄今為止首個(gè)支持火星北部平原古海洋存在的直接性原位探測(cè)證據(jù)。與地球相比，火星只有兩顆小衛(wèi)星，它們能在火星上引起的潮汐作用會(huì)比較弱，能帶動(dòng)的水流也比較小，只能形成小規(guī)模的層理構(gòu)造。

這次的發(fā)現(xiàn)首次提供了海洋沉積物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，為火星存在古海洋之爭(zhēng)提供了獨(dú)立證據(jù)，因此對(duì)于揭示火星過去的歷史和?候環(huán)境演變是個(gè)不小的突破。

值得?提的是，分析這些巖石并不容易，因?yàn)檫@些巖?表?有不少被沙塵覆蓋，也有疊加在層理構(gòu)造之上的風(fēng)蝕凹槽等。在經(jīng)歷數(shù)個(gè)月的詳細(xì)分析，有效區(qū)分原始層理和后來的改造作用形跡，以及與其他容易混淆的層理構(gòu)造對(duì)比之后，才得到本研究的認(rèn)識(shí)。

我們也期待祝融號(hào)繼續(xù)傳回高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，在向古海岸線行駛的路途中，有更多新的發(fā)現(xiàn)。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：肖龍

審核：趙宇鴳（成都理工大學(xué)行星科學(xué)國(guó)際研究中心 研究員）

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司