第1个回答 2022-07-13
摘要：火星土壤(简称火壤)是广泛分布在火星表面的细粒风化物质,其物理力学性质是火星着陆及巡视探测需要考虑的重要因素之一。回顾了火壤的探测 历史 ,根据研制需求的不同,对国内外不同类型模拟火壤的物质组成、物理性质、力学特征等进行了对比分析。在此基础上,认为在模拟火壤研制方面面临以下困难和问题:缺少可供参考的火壤深层剖面数据;模拟火壤种类不全面;模拟火壤制备技术有待进一步改善。因此,未来模拟火壤的研制工作需要在以下几方面加强:①利用地表风化玄武岩剖面,进行模拟火壤剖面类比研究;②开展(含盐)冻土型、极端工况型等多种类型模拟火壤研制工作;③积极 探索 模拟火壤研制新方法。
关键词： 原位资源利用 天文学 模拟火壤 火星 玄武岩
1、引言
火星是地球的邻星,是太阳系内与地球最为相似的天体,也是人类深空探测的重要目标。当前火星气候寒冷干燥,表面覆盖着大量未固结或固结较差的风化物质,被称为火星土壤(简称火壤)[1],根据其粒度和胶结状况可分为尘埃、砂状、皮壳状-团块状和块状四种类型[2]。多源遥感探测和就位探测数据均指示火壤的主要物质组成与地球玄武岩类似(表1)[3,4]。
勇气号与机遇号搭载的微型热辐射光谱仪(Mini-TES)[5]、好奇号搭载的化学与矿物学分析仪(CheMin)[6]的就位分析结果表明勇气号探测器所在的古谢夫撞击坑和机遇号探测器所在的子午线平原的火壤较为相似,主要由橄榄石、辉石、斜长石、Fe-Ti-Cr尖晶石、磷酸盐等火成岩矿物和非晶硅、赤铁矿、纳米氧化物、粘土矿物、硫酸盐+氯化物或硫酸盐+氯氧化物等蚀变矿物组成[7,8,9,10],而好奇号(MarsScienceLaboratory,MSL)探测器所在的盖尔撞击坑内的火壤则由镁橄榄石( Fo62)、辉石、斜长石( An57)、硬石膏、磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿[11,12](表2)等矿物组成,同时含有27 14wt%的非晶态物质,可能是富含Fe3+和挥发分的多相物质,其中包含一种类似硅铁石的物质。结晶部分矿物组成与古谢夫撞击坑和玄武质陨石相似,非晶态物质则与夏威夷火山区的风化土壤相似[11]。
火星着陆探测困难重重,火壤的物理力学性质对火星着陆及巡视探测十分重要。目前仅能通过已有的火星着陆器及巡视器机械臂对火壤的挖掘和车轮与火壤之间的交互试验进行估算[20](表3)。为了更好地为火星的着陆与巡视任务做准备,在探测器发射之前,需要在地面尽可能的模拟火星表面进行一系列工程试验[21],如着陆器冲击试验[22,23]、火星车行走试验[20,24]、火星边坡稳定性分析[25]、火星车取样试验[26]等。此外,科学研究也需要用到大量火壤,如原位资源利用[27]、建筑材料加工[28,29]、火壤原位取水技术[30]、生物培养技术[31]、含水火壤的流变性研究[32]等。
然而,人类在最近五十年里的40余次火星探测均未实现火星土壤的采样返回[33]。在火星探测工程实施和科学研究中,可在地表实验室里用于研究和测试的真实火星样品只有火星陨石,且数量极为有限,无法满足地面工程试验的大量需求。因而,开展模拟火壤样品研制工作用来代替真实火壤进行一系列科学研究和工程试验是十分必要的。目前,美国已经多次成功进行火星着陆探测工作,其模拟火壤技术较为成熟,欧空局和俄罗斯也进行过相关工作,积累了大量的经验。而中国的火星探测还处在起步阶段,计划在2020年发射火星探测轨道器和火星车,首次进行火星表面巡视探测工作[34]。
发射前需要大量模拟火壤进行地面验证试验,国内对模拟火壤的需求增大,由于国外模拟火壤产量和出售限制等原因,中国难以进口大量成品模拟火壤,这也促使国内科研团队开展模拟火壤研制工作。本文在充分调研的基础上,对国内外不同类型模拟火壤的物理化学特征进行对比分析,总结归纳模拟火壤研制过程中面临的困难和问题,并对未来模拟火壤工作提出展望,期望为我国将来的火星探测提供参考。
2、模拟火壤的研制现状
由于真实火壤形成过程的复杂性和特殊性,地面人工模拟样品不能做到与真实火壤完全相似,因而模拟火壤往往只能在某些方面达到与真实火壤较为相似,或者模拟某些极端工况下的火壤。目前,公开报道的有四十余种模拟火壤,根据其研制之初的主要用途,通常可分为科学研究用模拟火壤和工程试验用模拟火壤,其制备工艺也有所差别。
2.1 科学研究用模拟火壤
该类型的模拟火壤首先要保证物质组成和化学成分与真实火壤尽可能相似,然后再考虑其他性质的相似性。根据其研制目的,主要分为光谱类模拟火壤、天体生物学研究类模拟火壤和原位资源利用类模拟火壤。
2.1.1 光谱类模拟火壤
光谱类模拟火壤以美国的JohnsonSpaceCenterMarsSimulant(JSCMars-1)型、MarsGlobalSimulant(MGS-1)型和JezeroDeltaSoilSimulant(JEZ-1)型模拟火壤为代表,而国内的则是JiningMartianSoilSimulant(JMSS-1)型模拟火壤(表4)。JSCMars-1型模拟火壤于1998年由美国约翰逊空间中心(JohnsonSpaceCenter,JSC)研制,原材料选自夏威夷火山锥蚀变火山灰和火山渣,经机械破碎、烘干和筛分而成。
2005年美国Orbitec公司从JSC获得JSCMars-1的授权,从同一源区采集原料研制了新一批样品销售,并命名为JSCMars-1A。JSCMars-1的研发初衷是光谱型模拟火壤,但目前已被科学界广泛应用到各类科学研究和探测器工程试验中[44]。JSCMars-1为粒径小于1mm的颗粒物,颗粒类型分为两种,有磁性的部分蚀变较少,主要由斜长石、钛磁铁矿及少量的辉石、橄榄石及玻璃组成,粘土矿物含量小于1wt%[39]。无磁性部分与磁性部分矿物种类相同,但随着蚀变程度增加矿物含量降低,非晶态铁氧化物含量增加。较之火壤,JSCMars-1化学成分中的SiO2、Fe2O3和CaO与火星表面较为接近,而Al2O3和TiO2含量相对较高,MnO含量偏低,挥发分含量较高(表4)而体密度相对较小(表3)。
JSCMars-1是典型的光谱用途模拟火壤,其可见光-近红外反射光谱与火星上奥林帕斯-亚马逊的明亮区域的(热辐射光谱仪(TES)数据反照率 0.2)光谱特征十分接近(图1)[39,44,46],这些明亮区域成分以风化玄武岩为主,表面通常被灰尘覆盖[47],这一特点也是选择其作为原料的重要依据。光谱数据表明在波长400 1000nm范围内,二者极为相似,三价铁特征光谱显示JSCMars-1中结晶赤铁矿要低于火星表面。JSCMars-1的光谱在1400nm和1900nm还表现出明显的水吸收峰,这与原料取自火山灰和火山渣吸水性较强特性相关。JSCMars-1的含水率较高,其在100 时失水7.8wt%,在600 时烧失量可达21.1wt%[39],这一特征与火壤有明显的差异。海盗一号和海盗二号着陆区的火壤在加热到500 时测得的含水率均为0.1 1.0wt%[48],好奇号火星车将盖尔撞击坑的石巢(Rocknest)风积物加热到约835 后测得其含水量为1.5 3wt%,这一挥发分散失温度指示这部分水存在于火壤的非晶成分中[49]。火星奥德赛探测器搭载的伽马射线谱仪数据也显示全球火壤中水分含量基本在3wt%以下[50]。
MGS-1型模拟火壤由美国中佛罗里达大学研制,代表了火星表面低含硫矿物类型的火壤,模拟对象为盖尔撞击坑石巢区域的风积土壤[51]。原材料选取了来自Stillwater的杂岩、Madagascar的富拉玄武岩和NorthCarolina的斜长石、来自巴西的古铜辉石和来自SanCarlos的高镁橄榄石。根据好奇号搭载的XRD结晶矿物的分析结果和对非晶态成分的推断,按照配方比例将矿物(长石、辉石、橄榄石)和玄武质玻璃混合后,再将混合物颗粒与水以及五水偏硅酸钠(粘合剂)按100:20:2的重量比充分搅拌混合,然后使用微波炉加热除去水分形成固体块状物质,再进行机械研磨,并加入次生矿物(水合二氧化硅、硫酸镁、水铁矿、硬石膏、菱铁矿和赤铁矿)边搅拌边研磨成细粉,筛分出粒径小于1mm的物质作为最终的MGS-1模拟火壤。
MGS-1模拟火壤的反射光谱与之前的模拟火壤和来自火星车和轨道器的数据进行比较的结果显示,在较短的波长(400 1100nm)下,MGS-1的波形和反射率与好奇号桅杆相机获得的石巢地区火壤的光谱大致相似(图1)[51,53]。而在较长波长下,则与火星快车(MarsExpress)搭载的OMEGA光谱仪测得的地反照率区域相似[54]。MGS-1型模拟火壤的自然体密度为1.29g/cm3,而火星探路者号着陆区的模拟火壤被认为体密度为1.07 1.64g/cm3、海盗1号着陆区表面的松散堆积物天然密度约为1.15g/cm3,与已知的火星着陆器和巡视器探测结果基本相符。目前,尚没有关于MGS-1型模拟月壤的土力学相关研究数据。
图1模拟火壤相对反射光谱与火星遥感光谱对比研究[33,36,44,51]
JEZ-1型模拟火壤由MGS-1研制,用于模拟美国Mars2020探测任务预选着陆点Jezero撞击坑内三角洲的火壤[52]。根据轨道遥感数据对Jezero撞击坑内三角洲沉积物的探测结果,在MGS-1的基础上添加了粘土矿物(蒙脱石)、碳酸镁、硫酸镁和额外的橄榄石。JEZ-1的粒度小于1mm,平均粒径约38μm,天然体密度为1.45g/cm3。其他性质尚未见相关报道。
JMSS-1型模拟火壤由中国科学院地球化学研究所月球与行星科学研究中心研制[33]。JMSS-1以内蒙古集宁玄武岩为原材料,并添加磁铁矿和赤铁矿,配比为93 5 2,弥补了集宁玄武岩铁含量低于火壤的不足。JMSS-1颗粒粒径小于1mm,颗粒形态呈棱角-次棱角状。矿物组成主要为斜长石(钙长石)、辉石(普通辉石)、橄榄石(透铁橄榄石)、少量钛铁矿、磁铁矿和赤铁矿,未发现蚀变矿物。JMSS-1和JSCMars-1模拟火壤以及海盗号、火星探路者号、勇气号、机遇号、好奇号着陆点的真实火壤主量元素含量较为接近,天然体密度为1.45g/cm3,颗粒密度为2.88g/cm3,孔隙度为49.65%,内摩擦角约为40.6 ,内聚力为0.33kPa,均与实际火壤相近[33]。JMSS-1型模拟火壤具有与火星玄武岩质火壤相似的化学成分、矿物学和物理力学性质,可用于中国未来火星探测科学研究和工程试验。
2.1.2 天体生物学研究类模拟火壤
火星表面存在稀薄大气和液态水,为生命存在创造了条件。为了在地表模拟火星不同环境下生物的存活情况,多个团队研制了一系列模拟火壤,代表类型为德国的PhyllosilicaticMarsRegolithSimulant(P-MRS)型和SulfaticMarsRegolithSimulant(S-MRS)型模拟火壤,美国的UniversityofFloridaMarsSimulates(UFAcid-Alkaline-SaltBasaltAnalogSoils)系列和YellowknifeMarssimulate(Y-Mars)型模拟火壤,英国的OpenUniversityMarssimulate(OUEB/SR/HR/CM)系列模拟火壤。
P-MRS和S-MRS型模拟火壤由德国航空航天中心(GermanAerospaceCenter,DLR)研制,其原材料主要包括火成岩、层状硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和铁氧化物,其中火成岩由辉石、斜长石(辉长岩)和橄榄石(纯橄榄岩)组成,除此之外,还添加了一些石英和赤铁矿[52,55,57],经过混合、破碎,筛分出粒度小于1mm样品作为P-MRS和S-MRS。P-MRS和S-MRS的物质组成和化学成分(表5)与实际火壤具有一定差别,二者主要模拟火星表面可能存在的两种不同化学环境。
P-MRS用于模拟火成岩在中性pH流体环境下部分矿物蚀变成蒙脱石群(蒙脱石、绿泥石和高岭石)矿物[58,59],样品中还包括菱铁矿和菱镁矿。S-MRS用于模拟硫酸盐沉积的酸性环境,除了火成岩和无水氧化铁外,还包括针铁矿和石膏[57]。也曾被DLR用来测试ExoMars2018上搭载的拉曼激光光谱仪识别有机物和矿物的能力[55]。此外,二者还被广泛应用于许多天体生物学实验,包括微生物研究[56,57]和国际空间站实验[60,61]。P-MRS和S-MRS的其他性质未见相关报道。
UF系列模拟火壤由美国佛罗里达大学研制,主要用于测试火星条件下微生物菌落在不同化学环境模拟物中的存活情况。主要包括玄武岩(无毒对照)、酸性土壤(机遇号着陆点黄钾铁矾土壤)、碱性土壤(富碳酸盐)、风成土壤(火星全球)、高氯酸盐土壤(凤凰号着陆点)和高盐土壤(勇气号着陆点)六种模拟样品,原料以明尼苏达州Duluth玄武岩为基础,添加不同盐类,经过研磨后,筛分出粒度小于200μm样品[64]。
Y-Mars型模拟火壤由英国天体生物学中心研制,其模拟对象为盖尔撞击坑黄刀湾的Sheepbed泥岩,根据MSL携带的X射线衍射仪对其分析结果[65],在地表选择相同或相似矿物代替,按照一定的重量比混合后在碳化钨磨粉机中粉碎。Y-Mars的粒径范围为0.5 3.0μm,平均值1.2μm,标准偏差为0.5μm。可见到近红外反射光谱表明Y-Mars的整体反射率更蓝,这与大多数火星表面物质(通常覆盖着灰尘)的反射率相同。在红外阶段具有一定相似性,但缺少 1.4μm和1.9μm与OH/H2O相关的吸收特征,但在2.15 2.3μm却表现出Al-和Fe/Mg-OH相似的特征。其他相关性质未见有报道。Y-Mars研制的主要目的用于未来的天体生物学研究,与普遍使用的火山物质模拟物相比,火星沉积环境的模拟物具有更大的天体生物学意义[62]。
OU系列模拟火壤由英国开放大学研制,用于测试过去或现在不同环境对生命的支持等天体生物学研究,是首批Fe2+/Fe3+比值与火星相似的模拟火壤[63]。根据火星表面四种不同化学环境研制了4种新的模拟火壤及4种Fe改良品种:①玄早期玄武质(EarlyBasaltic,EB)土壤OUEB-1和OUEB-2的模拟对象为Zagamishergottite陨石;②富硫(Sulfur-rich,SR)土壤,OUSR-1和OUSR-2的模拟对象为机遇号着陆点PasoRobles样品;③富赤铁矿(Haematite-rich,HR)土壤,OUHR-1和OUHR-2的模拟对象为子午线平原Hema2样品;④现代火星土壤(ContemporaryMars,CM),OUCM-1和OUCM-2模拟对象为盖尔撞击坑Rocknest样品。OU系列模拟火壤原材料为德国德国埃菲尔地区Mayen的第四纪熔岩流中的响岩质碱玄岩,其他原料如纯橄榄岩、石英、石膏、磁铁矿、黄铁矿、斜长岩和赤铁矿、磷灰石、硅灰石和铁硅酸盐玻璃则从不同公司购买。
样品经过破碎和筛分,按照不同模拟对象的成分和粒度配置不同样品。其化学性质都与它们所模拟的对象化学性质相当(在 5wt%范围内)。OU系列模拟火壤的粒度主要集中在400 900μm,小于300μm样品含量较少。OUSR-1和OUSR-2天然体密度最高(分别为1.95和1.81g/cm3),而OUEB-1和OUEB-2的最低(分别为1.58和1.56g/cm3)。其孔隙率在47 52%之间,OUHR-1最高,OUSR-1最低。海盗号着陆点火壤的体密度估算为0.57 1.60g/cm3,孔隙率为31% 58%[35,66,67,68],而火星探路者探测区域最高估算可以达到2.0g/cm3[69]。OU系列模拟火壤虽然是为天体生物学研制,其物理性质也与火壤具有一定的相似性,也可用于未来工程测试。
2.1.3 原位资源利用类模拟火壤
原位资源利用(In-SituResourceUtilization,ISRU)技术是指就地利用地外天体表面的土壤、大气、水冰、矿物等资源来制造人类长期生存所需物资的技术。随着ISRU技术的研究需求,多种模拟火壤应运而生。代表类型为新西兰的UniversityofCanterburyMarsSimulant(UCMars1)型模拟火壤,美国的MarsGlobalSimulant-ClayVariety(MGS-1C)型、MarsGlobalSimulant-SulfateVariety(MGS-1S)型、NortheasternUniversityMarsSimulant(NEUMars1)型和RocknestAugmentedMMS型模拟火壤(表6)。
UC(UniversityofCanterbury)Mars1型模拟火壤由新西兰坎特伯雷大学研制[52,73]。模拟对象为火星古谢夫撞击坑火壤。UCMars1以新西兰班克斯半岛的橄榄玄武岩和火山玻璃为原料,分别清洗晾干后的样品经过液压机破碎后送入颚式破碎机,筛分出粒度大于700μm样品( 50%),采用0.53mm平板研磨。两种原料经过不同研磨方式获得四种样品,由于样品中灰尘数量(