《SCIENCE ADVANCES》：Ground penetrating radar observations of ancient large-scale deltaic structures in Jezero crater, Mars
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为揭示火星杰泽罗陨石坑内镁碳酸盐沉积单元（Margin unit）的成因及古代火星水文环境，美国宇航局“毅力号”火星车利用车载RIMFAX探地雷达开展了探测。研究首次揭示了埋藏于地表下超过35米深处、可追溯至约40亿年前（诺亚纪）的大规模古三角洲沉积结构，证实了在现今可见的西部三角洲形成之前，该区域已存在一个发育良好的河流-三角洲古环境，为探索火星古代宜居性及生命潜在证据提供了新的关键窗口。
曾经流淌着液态水，气候也比现在更加温暖的火星，在其表面留下了水岩相互作用的历史印记，其中碳酸盐沉积物扮演着关键角色。位于火星杰泽罗陨石坑入口河谷附近，有一个被称为边缘单元（Margin unit）的广阔区域，是杰泽罗地区最大的镁碳酸盐出露单元。长期以来，科学家们对这个单元的形成之谜充满兴趣：它究竟是远古杰泽罗古湖泊的湖滨滩涂沉积，是河流输入形成的三角洲沉积，是源自附近区域火山活动的蚀变火山灰或熔岩流，还是一个蚀变的火成岩体？揭示边缘单元的真实成因，不仅能帮助我们理解其独特的矿物组合（同时含有碳酸盐和橄榄石），更能一窥数十亿年前火星的水文活动历史，评估其是否曾具备支持生命存在的宜居条件。然而，仅仅依靠轨道观测和表面数据，我们难以透视地表之下的秘密，这些悬而未决的问题，正是驱使研究人员深入探索的关键所在。
为了解开谜题，研究人员利用了美国宇航局“毅力号”火星车上搭载的火星地下实验雷达成像仪（RIMFAX）。这是一部地面穿透雷达（GPR），它能向火星地下发射雷达波，通过接收反射回来的信号，构建出地下数十米深度的结构剖面图，就像为火星做一次“CT扫描”。在2023年9月至2024年2月期间（火星任务日Sols 909至1159），“毅力号”在边缘单元上完成了长达约6.1公里的穿越探测，RIMFAX每隔10厘米就采集一次地下数据，最终获得了一系列连续的、前所未有的高分辨率地下雷达图像。
本研究的主要技术方法包括：利用RIMFAX探地雷达在火星表面进行连续走航式探测，获取地下雷达反射数据；通过处理雷达数据生成雷达剖面图（雷达图），识别和解释地下的反射层与结构特征；结合高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机提供的轨道影像和数字高程模型，对探测路径和地质单元进行精确定位与三维可视化；通过拟合雷达图中的绕射双曲线来估算地下介质的雷达波传播速度，进而将雷达波的双程走时转换为实际深度。
雷达解释
RIMFAX的探测结果表明，边缘单元的地下介质对雷达波损耗较低，具有极高的穿透性，信号可探测到地下超过35米的深度，这比之前在杰泽罗陨石坑其他地质单元（如坑底单元、西部扇状三角洲单元）的探测深度深约1.75倍。在穿越路径上，研究识别出从地表直至约30米深处存在大量显著的反射层。这些反射层具有以下关键特征：
- 1.
广泛分布的倾斜层：在边缘单元的西部区域（Sols 1048-1110），雷达图揭示了12个（R1至R12）向杰泽罗陨石坑盆地倾斜的反射层，倾角在3°到15°之间。这些反射层侧向连续延伸可达数百米，呈现出规律、重复出现的特征。
- 2.
复杂的沉积结构：在更精细的尺度上（如Sol 1052），雷达图显示了许多具有复杂内部结构的反射特征，包括透镜状分布的反射体、交错的纹层，以及被解释为交错层理、上超、背流面堆积等沉积构造的特征。这些结构的规模从分米级到米级不等。
- 3.
清晰的地层接触关系：在穿越路径的起点附近（Sol 909），雷达图清晰地显示，上覆的三角洲块状单元（Delta Blocky unit）以低角度上超在边缘单元之上，表明边缘单元在地层序列上早于并位于这些三角洲单元之下。
- 4.
多期侵蚀与沉积证据：在穿越路径的后期（Sols 1129-1159），雷达图中可见多个不平整的、起伏的表面，这些被解释为侵蚀面，表明该区域经历了多次侵蚀与沉积事件的改造。
地质解释
基于上述雷达观测到的地下结构特征，研究人员对其地质成因进行了深入解读。边缘单元中规模从百米级到分米级的多种结构，与地球上的河流-三角洲沉积环境，特别是吉尔伯特型三角洲（Gilbert-type delta）的特征高度吻合。
- 1.
三角洲前积层解释：那些大规模、规律性倾斜的反射层（R1-R12）被解释为三角洲的前积层。其中，较陡的反射层（如R2-R7，倾角可达15°）可能代表了高能量沉积事件或三角洲的快速进积时期；而较缓的反射层则代表了更稳定或沉积物供给较少的时期。这些前积层向盆地方向（东南方向）倾斜，指示了沉积物的输送方向。
- 2.
三角洲结构识别：在Sol 1052的详细图像中，研究识别出可能代表顶积层、前积层和底积层的反射结构，以及被解释为河口坝、冲刷坑等更精细的三角洲亚环境特征。这些结构的组合是典型的水下沉积环境的标志。
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地层时序与古环境：雷达图证实，边缘单元位于三角洲块状单元和西部扇状三角洲单元之下，是杰泽罗地区目前探测到的最古老的地层单元之一。这意味着，在现今从轨道上清晰可见的杰泽罗西部三角洲形成之前，该地区已经存在一个发育良好的古三角洲系统。这个系统可能早在诺亚纪（约42亿至37亿年前）就已开始活动。
- 4.
沉积环境与水文意义：边缘单元中广泛、侧向连续且规则分布的层理，表明沉积作用发生在持续、稳定的水动力条件下。结合其位于古入口河谷附近的位置，研究推断边缘单元是一个大型的、水下环境的吉尔伯特型三角洲沉积体，由河流将沉积物输入到杰泽罗古湖泊中形成。
在讨论部分，研究者将边缘单元的沉积成因与其他可能的假说进行了对比分析，包括喷出火成岩假说（如火山灰降落或火山碎屑流）、侵入火成岩假说（如层状火成岩侵入体）、湖岸沉积假说以及冰川融水外冲平原假说。分析认为，边缘单元地下结构的高度均一性、规则重复的层序、清晰的顶积层-前积层-底积层结构以及精细的沉积构造（如交错层理、河口坝），都无法用火成岩过程或简单的湖岸沉积来合理解释。虽然冰川融水外冲平原也可能形成三角洲，但观测到的规则、连续的前积层更支持一个持续、稳定的水下三角洲环境。因此，水下吉尔伯特型三角洲被确定为边缘单元最可能的成因。
这项发表在《科学进展》（Science Advances）上的研究具有多重重要意义。首先，它首次通过原位探测直接证实了火星杰泽罗陨石坑在更早的诺亚纪时期，就存在大规模、保存完好的古三角洲沉积系统，将火星上活跃的水成沉积作用和潜在宜居环境的时间窗口进一步向远古延伸。其次，研究揭示了埋藏于现今三角洲之下的更古老、更完整的地质记录，表明杰泽罗陨石坑的水文历史比之前从表面观测所知的更为复杂和持久。第三，这项发现极大地提升了在该区域寻找过去生命迹象的潜力。三角洲前缘细粒沉积物是地球上保存有机质和生物标志物（biosignature）的优越场所，边缘单元中识别出的精细沉积结构和可能的水岩相互作用，为古代微生物可能存在的“宜居所”提供了新的、有希望的目标。总之，RIMFAX雷达揭开了火星地表之下被掩埋的地质篇章，不仅描绘了一幅比以往认知更为广阔的古代火星河流系统画卷，也预示着在探索火星生命之谜的道路上，我们可能刚刚翻开更古老、更关键的一页。
