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好消息：火星上又发现水了！坏消息…

中科院物理所

2025-03-21 14:13发布于北京中科院物理所官方账号

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导语

火星上又发现海洋了？

科学家研究发现，位于火星北半球乌托邦平原南部祝融号着陆区的地下10至35米深处存在多层倾斜沉积结构。这些地质特征与地球海岸沉积物高度相似，为火星中低纬度地区曾存在古代海洋提供了迄今最直接的地下证据。

火星上曾经存在过海洋早就是科学界的一个共识了。在数十年的火星探测过程中，科学家们发现了大量的火星上存在水和海洋的证据。

下面给大家盘点一下几种能证明“火星有水”的证据，大致分为四种。

直接观察到的证据

包括火星两极的冰盖，火星探测器观察到的疑似水冰物质等。

很多探测器在飞临火星的时候都在这个星球的两极发现混合了二氧化碳和水冰的大面积冰盖，这就是现在火星上依然存在水的证据。同时，多个探测器在着陆以后也在火星表面清晰地观察到了水冰的痕迹（但是科学家认为这不是淡水，而是高浓度的盐水）。

还有科学家通过观察火星表面新出现的陨石撞击坑认为，在火星可能也存在大量地下水。因为撞击坑出现之初，其周边就出现了大量冰块，随着时间推移，科学家还能观察到这些冰块逐渐消失的过程。

“火星全球勘测者”（Mars Global Surveyor）拍摄到的火星北极的冰盖，这是由水冰（主体）和部分干冰（二氧化碳）组成的混合物（图片来源：NASA）

2008年6月15日至6月18日期间，火星探测器“凤凰号”（Phoenix）挖了一个浅槽，在槽中发现的水冰（图片来源：NASA）

“火星勘测轨道飞行器”（Mars Reconnaissance Orbiter）2022年拍摄到的一个最新的陨石坑，白色的物质即为水冰，这直接证明火星地下是存在水冰的（图片来源：参考文献^[1]）

矿物证据

这是指水性矿物，它们的形成环境与液态水密切相关。

一般情况下，在地球、火星和金星等岩石行星上，岩石和矿物都是由岩浆的冷却，以及冷却后暴露在空气中的风化、少量氧化过程形成的。但是，如果环境中有液态水，就会形成一些比较独特的矿物和岩石。

其中最常见的情况就是在液态水溶液中过饱和析出。这种情况形成的矿物（以及岩石）我们都非常熟悉，比如灰岩（碳酸钙）和石膏（硫酸钙），它们的形成过程都是：矿物质（钙离子、碳酸根离子或者是硫酸根离子等）溶解在水中，由于水的蒸发，导致溶液过饱和，从而结晶析出。

另一种情况就是原本的岩石或矿物通过与水溶液的长期接触，发生化学蚀变作用，从而形成新的岩石或矿物。比如针铁矿（FeO（OH））就是氢氧根和铁元素结合的产物，在地球上，针铁矿主要是由磁铁矿、赤铁矿等在水溶液中发生化学反应形成，是一种非常典型的水性矿物；再比如层状硅酸盐矿物（也就是粘土矿物），比如高岭石，蒙脱石，绿泥石之类的，它们主要是火成岩（比如玄武岩）在长期的与水的接触过程中蚀变形成的。

因此一旦在火星发现这些水性矿物，就可以将其看作是水环境的证据。

而幸运的是，科学家已经在火星上发现了大量水性矿物和岩石的证据。石膏就是火星上极为常见的一种矿物，几乎分布在火星每一个角落，2003年由欧空局发射的“火星快车号”（Mars Express）就在火星上发现了大量的石膏矿分布，2012年由NASA发射的“好奇号”（Curiosity）通过钻孔在火星上的盖尔陨石坑发现了石膏^[2]。而中国的“天问一号”火星探测器也通过遥感方式在火星上发现了含水矿物的证据。机遇号也曾经在火星上发现过包含大量水的硫酸盐矿物^[3]。

“好奇号”在火星上钻的一个孔，可以明显看出这个孔是类似泥质/沙质成分的，其中的白色条带可能是石膏（图片来源：NASA）

地貌证据

这是指必须有液态水才能形成的地貌，比如河道，三角洲等。这些地貌通过各种火星探测器就能轻易发现，因为它们规模宏大，且特征明显。如今在火星上发现的这些流水地貌既包括河谷，也包括湖盆，以及河流入海（湖）形成的三角洲地貌等等。

除此之外，火星探测器还在火星上发现了大量疑似的沉积岩地层，沉积岩就是水流携带的沉积物固化以后形成的地层。

火星上杰泽罗陨石坑中的三角洲，其中还发现了水性矿物粘土以及碳酸盐岩（图片来源：NASA）

火星卡塞峡谷群中的河道痕迹非常明显（图片来源：NASA）

“火星勘测轨道飞行器”在火星特比陨石坑拍摄到的疑似沉积岩地层（图片来源：NASA）

更直接的证据，“好奇号”在火星上拍摄到的砾岩（左侧），砾岩其实就是河流砾石滩固结成岩的产物，作为对比右侧的图就是地球上的砾岩结构（图片来源：NASA^[4]）

地球物理和地球化学证据

这是指利用地球物理和地球化学方法进行探测得到的证据。所谓的“地球物理方法”，就是利用物理学方法进行地质探测，比如利用重力的差异，电学信号，磁力信号，声学信号等进行探测。在几年前火爆一时的新闻“火星南极冰盖下发现液态地下湖” 就是采用地球物理方法获得的数据。本文开头所说的中国科学家新发现，其数据就来源于自研的火星专用探地雷达，这其实也是一种地球物理方法，在下文中会对这一方法进行说明。

而地球化学方法，就是使用化学手段，比如测量同位素等方法来确定火星的大气成分等。

中国科学家用探地雷达找到“水”

总而言之，在数十年的火星探测中，科学家们已经通过种种方法确定了火星上存在过水，甚至直到现在都还存在水。

通过更详细的研究，科学家发现火星上的大规模的水，一度汇集成巨大的海洋，并且这个火星上的古海洋一直存在了数十亿年，一直到大约20亿年前才消失。

科学家推断的火星上的海洋演化史，图中数字的单位是十亿年（billion）（图片来源：NASA^[5]）

中国科学家通过探测火星的地下沉积物的结构，再一次印证了火星存在过大规模的水。

研究中使用到的设备叫做探地雷达。其原理与雷达一样，向外发射电磁波，并接收反射回来的电磁波。只不过它的电磁波是向地下发射的。目前，探地雷达在考古，工程和地质等领域目前都有非常广泛的用途。

2010年在美国一处墓地进行探测的探地雷达（图片来源：Wikipedia）

探地雷达怎么“找到水”？其实，科学家是在利用它在找沉积岩。

河流流速存在季节性或年度差异，所以水流强的时候带来粗砂，水流弱的时候带来粘土，因此不同时间段的沉积物的性质是有所差异的，它们所形成的沉积物地层也就是一层叠一层的了。这一点我们在各处的河滩上都能轻易观察到。所以，如果地下的岩层是沉积岩的话，那么它们就是一层一层的，这就是曾经存在过水的证据。

河边的沉积物的层状结构（图片来源：作者提供）

同时，由于不同层位的沉积物性质不同，比如成分上的差异，致密度的差异，含水量的差异，甚至沉积物颗粒度的差异等，都会导致它们的导电系数是存在差异的。所以探地雷达向下发射的电磁波，在不同的地层中反射回来的性质是不一致的，因而我们能从数据中看到地下的沉积物地层结构（也就是其中的条带）。

上图：澳大利亚鲨鱼湾海岸带的探地雷达探测出来的地层结构；下图：祝融号火星车探地雷达获得的结果，对比就可以发现二者的结构非常相似（图片来源：参考文献^[6]）

在这个研究中，中国科学家发现火星上的地层结构与典型的地球上的海岸地层结构差不多。最可能形成这种地层的机制是海浪对岸边沉积物的搅动和沉积作用。另外，他们发现火星上检测到的地下沉积物的介电常数（最简化的理解就是它的导电率）与地球上海岸沉积物的差不多。所以认为这个点极大概率可能曾经是一个古海洋的海岸区域。

随着火星探测任务积累的科学数据大大增加，以及在此基础上获得的大量科学成果和新的发现，人类对火星的认识将提高到一个新水平。也许，在火星上发现地外生命的荣誉即将属于我们？

参考文献：

[1] DUNDAS C M, MELLON M T, POSIOLOVA L V, et al. A large new crater exposes the limits of water ice on mars[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(2): e2022GL100747.

[2] VANIMAN D, CHIPERA S, RAMPE E, et al. Gypsum on Mars: A Detailed View at Gale Crater[J]. Minerals, 2024, 14(8): 815.

[3] CLARK B C, MORRIS R V, MCLENNAN S M, et al. Chemistry and mineralogy of outcrops at Meridiani Planum[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 240(1): 73-94.

[4] NASA’s Curiosity Rover Finds Old Streambed on Mars - YouTube[EB/OL]. [2025-03-02]. https://www.youtube.com/watch?v=fYo31XjoXOk.

[5] NASA/AMES RESEARCH CENTER. AC90-0559-1[EB/OL]. (1990-10-24)[2025-03-02]. http://archive.org/details/AILS_AC90-0559-1.

[6] LI J, LIU H, MENG X, et al. Ancient ocean coastal deposits imaged on Mars[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025, 122(9): e2422213122.

来源：科学大院

编辑：潇潇雨歇

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