摘要：天问一号是中国第一个独立自主的火星探测任务。我们利用天问一号轨道器获取的高分辨率图像，在祝融号着陆区发现了一种特殊的丘状地貌。本研究对丘状地貌的形态及相关的凹陷进行了详细研究。丘状地貌的高度通常小于10米，直径为50-150米，而凹陷的宽度约为45米，深度约为3.4米。通过与形状相似的地貌，如基座撞击坑（pedestal craters）、泥火山、环形撞击坑（ring-molded craters）、冰核丘和岩浆穹隆的比较，我们认为这些小丘地貌最可能属于岩浆穹隆，而发育在小丘上的凹陷很可能是由小丘形成后地表下挥发物质的升华而形成的。本研究为祝融号火星车未来的探测工作提供了更多潜在的目标，这些小丘可能会揭示乌托邦平原的岩浆活动和挥发性物质的分布和发展历程。
火星
火星，这个红色的星球，自人类第一次仰望星空开始，便一直是我们的向往之地。随着火星探索的深入，我们逐渐揭开了火星神秘的面纱，一个荒凉的星球，却有着各种奇特的景观。研究火星，探究火星的演化历程，一方面帮助我们从侧面探究地球的演化历史，另一方面火星具有丰富的资源，是人类未来获取地外资源以及建立行星基地的重要目标之一。
本研究描述了祝融号着陆区一种奇特的丘状地貌，这类小丘一共有1300个，其中655个小丘在侧面发育有奇特的凹陷。查阅火星其它地区发现的相似的丘状地貌的研究成果，我们发现这些丘状地貌通常被解释为冰核丘、无根火山锥以及泥火山等，那么着陆区的小丘是否具有相似的成因？
丘状地貌以及凹陷的形貌特征
经测量发现这些丘状地貌的高度集中在10m以下，直径范围50-150m，呈聚集分布。我们将小丘划分为三类：第一类表面光滑，没有凹陷；第二类凹陷分布在侧面陡坡底部，凹陷底部或低于周围平原表面；第三类凹陷分布在侧面陡坡中部，凹陷底部高于周围平原表面（图1）。分析发现小丘直径与高度之间呈线性相关。小丘结构上呈现表面松散沉积物覆盖下部岩石的特征。考虑这些丘状地貌的位置分布情况，我们几乎可以在除着陆区的凹槽以及凹锥以外的所有地貌附近或表面找到它们。本研究认为小丘的结构可以分为两层：下层岩石部分和上层松散的沉积物部分。
图1.三种丘状地貌类型。（a）一类小丘，表面光滑无凹陷。（b）二类小丘凹陷分布在侧面陡坡底部。（c）三类小丘凹陷分布在侧面陡坡中部，凹陷底部高于周围平原表面。
本研究中的凹陷则主要集中在小丘的北东面陡坡，凹陷宽度约45m，深度约3.4m。部分凹陷的底部裸露出岩石部分，这可能是小丘的下层物质。
丘状地貌的成因讨论
本研究讨论了丘状地貌作为泥火山、环状撞击坑、冰核丘、基座撞击坑以及岩浆穹隆的可能性。其中小丘作为岩浆穹隆的可信度最高，其次是基座撞击坑，其它三种可能的成因则被排除。
泥火山在地球上主要分布在汇聚板块边缘，下层的沉积物、流体在压力的作用下上涌穿过地表就会形成类似火山锥一样的泥火山。火星上可能的泥火山地貌主要分布在阿西达利亚平原和乌托邦平原南部，着陆区的凹锥也被前人解释为泥火山。对于研究区的丘状地貌，虽然与泥火山有着相似的锥形，部分小丘也有顶部凹陷，但是泥火山和小丘并不相同的物质组成以及小丘上奇特的凹陷帮助我们排除了泥火山成因。
环形撞击坑被解释为与冰层以及撞击溅射物流体有关，常见的形态是一个撞击留下的“护城河”环绕中央的小丘。我们排除了环状撞击坑的成因，因为着陆区并没有形成环状撞击坑的环境，且环状撞击坑的凹陷包围中央峰，而研究区的凹陷则主要出现在小丘的北东侧。
冰核丘主要与地下水的加压过程有关，可以分为液压型（开放型）和静压型（封闭性）。地球上的冰核丘主要分布在北半球的永久冻土区。初期形状呈现圆顶状，随着冰核丘不断生长，表面发育裂缝和凹坑，最终冰核丘塌陷残留一个环形脊。火星上发现的可能冰核丘主要分布在塞浦路斯和乌托邦平原。本研究排除了丘状地貌作为冰核丘的可能性，因为小丘明显的内部岩石特征与主要由冰和沉积物组成的冰核丘完全不同；其次研究区也没有找到足以提供水压力的地形；小丘分布的区域也不太可能是残留池塘或者凹陷。
基座撞击坑的形貌特征是一个位于中央的撞击坑，周围是平坦的台面，台面边缘则是陡坡，这些基座表面一般高于周围平原几十米。通常高度在100 m左右的基座撞击坑更容易形成边缘凹坑，高度50 m左右的基座撞击坑一般不会形成边缘凹坑。这些凹坑深度一般在20m左右，底部高于周围平原。研究中没有完全排除小丘作为基座撞击坑的可能性，这是因为小型撞击过程中表面的溅射物有助于保存下部冰，从而产生像小丘这样的基座陨石坑。
岩浆穹隆按照生长机制可分为两种类型:(1)内生生长型，指岩浆侵入形成穹隆;(2)外生生长型，指岩浆穿过地表堆积形成穹隆（图2）。隐丘是一种特殊的内生岩浆穹隆，其最突出的特征是下伏岩浆引起上部沉积物或岩石的隆起，可分为陆上隐丘和水下隐丘（图2）。前人在火星埃律西昂火山东部描述了可能的岩浆穹隆，主要分为核-环结构型和气泡型（图2），前者包括一个中心核和一个由不同物理特性的材料组成的环。后者被解释为岩浆物质的近地表侵入，导致平原物质隆起。
研究认为着陆区的小丘最有可能是隐丘或者气泡型岩浆穹隆，各种证据也指向岩浆成因。一方面，在小丘凹陷底部发现的岩石物质与前人研究发现的着陆区撞击坑底部和溅射毯上的岩石物质类似；另一方面着陆区广泛分布的可能是熔岩管道的脊也为小丘的岩浆成因提供佐证。
图2.地球上的岩浆穹隆，火星上的岩浆穹隆以及着陆区小丘。（a，b）地球上的外生型岩浆穹隆。（c，d）水下隐丘和陆上隐丘。（e，f）位于火星的核-环型岩浆穹隆和气泡型岩浆穹隆。（g，h）位于着陆区的丘状地貌。
凹陷的成因讨论
我们经过研究认为分布在小丘的凹陷是升华成因。小丘形成后，北东侧每日接收太阳热辐射最小，仅在春夏上午受到直射阳光，而小丘的南西侧接受下午的阳光，此时热辐射能量较高，允许热量深入渗透。在这样的情况下，小丘的北东侧可能比其他任何一侧更适合像冰这样的挥发物沉积。然而，尽管小丘的北东侧容易发生挥发性(冰)沉积，但冰在该纬度地区并不稳定，因此挥发性物质(冰)最终升华消失，留下凹坑。
小丘对于祝融号探测任务的意义
小丘的存在也许可以帮助我们了解乌托邦平原南部岩浆和挥发性沉积物的演化过程。祝融号目前还在乌托邦平原南部开展探测工作，我们希望本研究可以为祝融号提供潜在的探测目标。
本成果发表在国际期刊《Icarus》上，共同第一作者是中国地质大学（武汉）的本科生林雨和副研究员赵健楠，通讯作者为中国地质大学（武汉）的副教授黄俊。本研究受到中国科学院战略重点研究项、国家自然科学基金项目、国家航天局民用航天技术预研项目、教育部地质调查与评估重点实验室开放基金以及武汉市科技计划项目-应用基础前沿项目的资助。
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