十多年来，我们一直听到火星探索的那句口号：追随水源。在一篇 新论文 中，该论文于2015年10月9日发表在 《科学》（Science）期刊上。火星科学实验室（MSL）团队在论文中介绍了其最新研究成果：不仅要追随水源，还要弄清这些水从何而来，以及它们在如此久远的年代于火星表面存在了多长时间。
这一研究揭示的故事与水密切相关：数十亿年前，火星的大气层似乎比今天厚重得多，并且存在活跃的水圈，能够将水储存在长期存在的湖泊中。MSL团队得出结论，这些水曾帮助填充了盖尔陨石坑（即MSL探测车“好奇号”的着陆地点），沉积物以层状堆积，形成了今天位于陨石坑中央的山体的基础。
“好奇号”自2012年8月起一直在探索盖尔陨石坑，据估计该陨石坑形成于38亿至36亿年前。2014年9月中旬，探测车抵达了艾奥利斯山（Aeolis Mons）的山麓，这是一座高约三英里的层状山峰， 被昵称为“夏普山”，以纪念已故的加州理工学院地质学家罗伯特·夏普（Robert Sharp）。此后，“好奇号”一直在探索该山的底部。
“根据探测车的观测结果，在38亿至33亿年前的某个时期，曾存在一系列长期存在的河流与湖泊，它们输送的沉积物逐渐堆积，形成了夏普山的下部岩层，”MSL项目科学家阿什温·瓦萨瓦达（Ashwin Vasavada）（PhD ’98）说。“然而，现有的火星古气候模型并未预测到这一系列长期存在的湖泊，这些模型难以使气温升至冰点以上，”他说。
火星古气候模型的预测（由古气候学家建立）与地质学家所解读的火星水源过去之间存在的这种不一致，与一个有百年历史的科学难题有相似之处——只不过这一次涉及的是地球的远古历史。
“当时，地质学家首次意识到各大陆的形状彼此吻合，几乎就像散落的拼图碎片，”加州理工学院弗莱彻·琼斯地质学教授、行星与地质科学部主任、该论文第一作者约翰·格罗青格（John Grotzinger）解释道。“除了大陆形状相符之外，地质学家还掌握了古生物学证据，表明非洲与南美洲的化石植物和动物密切相关，还发现了具有共同空间起源迹象的独特火山岩。问题在于，整个地球科学界都无法提出一种物理机制，来解释大陆如何穿过地幔并漂移分离。这似乎不可能。缺失的关键组成部分是板块构造理论，”他说。“以一种可能相似的方式，我们对火星也遗漏了某些重要的东西。”
“好奇号”穿越盖尔陨石坑的过程中，曾停下来考察多个感兴趣的区域。所有目标都经过了成像，部分地点还采集了土壤样本，少数地点的岩石经钻取获得了样本。这些样本被送入探测车的机载实验室。MSL科学家结合这些仪器的数据、车载相机的视觉成像以及光谱分析，逐步拼凑出关于火星该区域演化历程的日益连贯且引人入胜的故事。
“好奇号”登陆火星之前，科学家曾提出盖尔陨石坑已被沉积物层填满。一些假说是“干燥”的，认为沉积物是由风吹扬的尘土和沙粒累积而成；另一些假说则关注沉积层是否形成于古代河流与湖泊之中。“好奇号”的最新结果表明，对于夏普山的下部而言，较湿润的情景更为准确。根据新的分析，至少山体底层的沉积主要是由古代河流和湖泊完成的。
“在穿越盖尔陨石坑的过程中，我们在地质构造中发现了一些规律：一方面看到了古代快速流动的河流携带较粗砾石的证据，另一方面也发现河流似乎在某些地方汇入了静止水体，”瓦萨瓦达说。“预测是，我们应当开始在更靠近夏普山的地方看到水沉积形成的细粒岩石。现在我们已经抵达，看到了大量精细纹层的泥岩。”地层中这些粉砂质层被解释为古代湖泊沉积物。
“这些精细纹层的泥岩与我们在地球上看到的非常相似，”加州理工学院地球生物学教授、论文共同作者伍迪·费舍尔（Woody Fischer）说。“纹层的尺度——既有毫米级也有厘米级——代表了细小沉积物羽流在静止水体中沉降的过程。这正是我们在地球上代表古湖泊的岩石中所看到的情况。”这些泥岩表明，存在以湖泊形式出现的静止水体，并且这些湖泊曾长期存在，可能在数百至数百万年间反复扩张与收缩。这些湖泊沉积了最终形成山体下部的沉积物。
“矛盾的是，今天的山体所在之处，曾经是一个盆地，并且有时被水充满，”格罗青格说。“好奇号”测得约75米的沉积充填厚度；但根据美国宇航局火星勘测轨道飞行器的测绘数据以及“好奇号”相机拍摄的图像，水力搬运形成的沉积作用可能至少延伸到盖尔陨石坑底面以上150至200米处。这相当于数百万年的时间，期间湖泊可能间歇性地存在于盖尔陨石坑盆地之内，”格罗青格说。此外，盖尔陨石坑中指示与水相互作用的沉积物总厚度可能还要更高，最高可达坑底以上约800米，可能代表数千万年的时间。
但在该高度之上沉积的地层不需要水作为沉积或改造的媒介。“800米以上，夏普山没有显示出含水地层的证据，而这构成了夏普山的主体。我们在其上还看到了另外4000米，全部是干燥地层，”格罗青格说。他认为，这段陨石坑历史或许是由风成（即由风驱动）沉积主导的，就像人们曾经对“好奇号”所探索的下部所设想的那样。这发生在构筑山体基底的潮湿时期之后。
一个悬而未决的问题是，携带沉积物进入陨石坑的水最初来源于何处。要使地表存在流动的水，火星在界定盖尔陨石坑剧烈地质活动前后的时间段内，就必须拥有比目前理论推测更厚的大气层和更温暖的气候。这种古老而更湿润的气候在岩石记录中有迹可循。然而，目前对这一古气候的模型——综合考虑了早期大气的质量、成分以及其从太阳接收的能量估算——字面意义上可谓得出了“干涸”的结论。这些模型表明，火星大气无法维持大量液态水。
然而，在盖尔陨石坑发现的岩石记录表明了另一种情景。“无论是降雪还是降雨，都有地质证据表明水汽在盖尔陨石坑边缘的高地上积聚，”格罗青格说。就盖尔陨石坑而言，至少有一部分水来自构成陨石坑边缘的高地，但地下水排泄——一种用于调和湿润地质观测与干燥古气候预测的常用解释——在该地区不太可能成立。“盖尔北缘的另一侧就是北部平原。有人提出，那里曾存在一个北方海洋，这是获得岩石中所见水汽的一种途径。”然而，确定一片可能的海洋位置，并不能说明这些水如何能在地表长期以液态存在。
在气候学家努力建立新的大气模型之际，“好奇号”的持续探索有望提供帮助。“火星的历史中仍有许多公里有待探索，”费舍尔说。他认为，随着“好奇号”在夏普山上攀爬得更高，未来几年内可能会获得迄今最令人振奋的数据。“地层将揭示盖尔陨石坑的早期历史，即它的故事。我们知道有些岩石是在水下、湖中沉积形成的。这些岩石的化学成分是什么？那个湖泊代表了水与大气之间的界面，应当能告诉我们当时环境的一些重要信息。”
“我们一直倾向于认为火星很简单，”格罗青格补充道。“我们过去也曾认为地球很简单。但你越深入研究，问题就越多，因为你开始理解我们在火星上所见的真正复杂性。现在正是重新审视我们所有假设的好时机。某处必定缺失了什么。”
本文与 加州理工学院合作发表。刊发本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Rod Pyle是加州理工学院的科学作家。
图片：一名约旦男孩手持火星图片摆姿势合影。路透社/Ali Jarekji。
