北京大学地空学院李嘉琪课题组发现火星近地表液态水存在的新证据

近日，北京大学地球与空间科学学院李嘉琪助理教授团队，在火星现今液态水探测与水文循环研究方面取得突破性进展。研究成果以《通过季节性火震推断火星近地表液态水》（“Near-surface liquid water on Mars inferred from seasonal marsquakes”）为题，于2025年12月26日在线发表于《自然·通讯》。

火星现今液态水的存在状态与分布规律，是行星科学领域的核心前沿问题。准确厘清这一科学问题，不仅直接关系到对火星环境宜居性的客观评估，更是深入理解火星气候系统演化机制、表层地质过程与内部物质循环的关键科学窗口。

传统上，相关研究多依赖于轨道遥感影像的特征分析或雷达回波信号解译，然而此类证据往往存在多解性，难以获得确切的液态水存在依据。相比之下，地震学观测提供了一种独特的物理手段。在地球上，已有研究证实季节性冰川融水能够触发地震活动，这为理解地下水文过程与地震活动之间的耦合机制提供了线索。从比较行星学的视角出发，此类耦合机制在类地行星上可能具有普适性。

研究团队利用布设于火星的“洞察号”地震仪数据，系统分析了火震的季节性规律。研究发现，一类被称为“季节性火震”的事件在北半球春季至夏季集中发生，而在早春寒冷时期则近乎消失。这种突发与沉寂交替的突变式响应，难以单纯通过具有缓变特征的温度、光照或潮汐应力变化机制加以解释。

研究团队提出，火震活动的季节性突变式转换，其根本驱动机制可能源于浅层含盐冰的季节性“融化-冻结”相变过程：在温暖季节，含盐冰融化为卤水，卤水下渗可润滑断层并提升孔隙压力，从而诱发火震；而在寒冷季节，卤水重新冻结，断层闭锁，火震活动随之停止。团队通过实验室模拟实验，成功再现了卤水在“冰-岩石”介质中依赖盐度梯度驱动的对流过程与快速“通道化”下渗现象。实验表明，尽管季节性温度变化的影响深度有限（数米），但盐分的存在能显著降低冰点，使卤水在更深的等温层中仍能通过盐度梯度驱动持续下渗与融化。这一机制为解释卤水如何快速迁移至足以触发震级达3级的火震的深度（数百至数千米）提供了直接的实验支持。

综合多项证据，研究表明火星北半球中高纬度地区（约北纬30°以上）是目前最可能存在季节性活跃的近地表液态卤水的区域。该研究不仅为火星现今存在液态水提供了独立证据链，更揭示了一个可能的水文循环动态框架：卤水可能通过内部脱气或大气凝结等方式“注入”浅表，随后在温度与盐浓度梯度的共同驱动下发生相变并向深部下渗。下渗过程中，卤水润滑断层、升高孔隙压力，诱发季节性火震；而火震活动又可进一步扩展断层网络，形成新的流体通道，促进卤水向更深部“流出”。这一“注入‑触发‑流出”的耦合过程，可能构成了火星中高纬度地区浅表液态水季节性活动的闭环循环。

该研究首次通过火震活动性分析系统推断了火星现今仍活跃的近地表水文过程，深化了对火星“水圈-岩石圈”耦合机制的理解，同时也为未来探测任务（如我国天问三号）的着陆区选址与宜居性评估提供了至关重要的科学依据。

论文第一作者为北京大学博雅博士后石静，通讯作者为李嘉琪。文章第一标注单位为北京大学地球与空间科学学院深地与矿产实验室。研究工作获得了国家重点研发计划（批准号：2022YFF0503203、2024YFF0809900）、国家自然科学基金项目（批准号：42441827、42474226）的支持。

图为盐冰的季节性“融化-冻结”诱发火震的示意图。（a）在寒冷季节，地下冰胶结孔隙空间，封闭断层与裂隙。（b）在温暖季节，随着温度升高，含盐冰在传导层（顶部约两米）中融化，形成的卤水在重力与盐度梯度的驱动下向下迁移，渗入对流层，促进更深层冰的融化，并最终抵达基岩中的深部断层。有效正应力与摩擦系数的相应降低促使断层滑动并引发火震。蓝色波形为洞察号地震仪垂直分量记录到的一次典型季节性火星地震事件的波形