典型模擬火星土壤研究進(jìn)展

　　摘要：火星土壤(簡(jiǎn)稱火壤)是廣泛分布在火星表面的細(xì)粒風(fēng)化物質(zhì),其物理力學(xué)性質(zhì)是火星著陸及巡視探測(cè)需要考慮的重要因素之一。回顧了火壤的探測(cè)歷史,根據(jù)研制需求的不同,對(duì)國(guó)內(nèi)外不同類型模擬火壤的物質(zhì)組成、物理性質(zhì)、力學(xué)特征等進(jìn)行了對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上,認(rèn)為在模擬火壤研制方面面臨以下困難和問(wèn)題:缺少可供參考的火壤深層剖面數(shù)據(jù);模擬火壤種類不全面;模擬火壤制備技術(shù)有待進(jìn)一步改善。因此,未來(lái)模擬火壤的研制工作需要在以下幾方面加強(qiáng):①利用地表風(fēng)化玄武巖剖面,進(jìn)行模擬火壤剖面類比研究;②開(kāi)展(含鹽)凍土型、極端工況型等多種類型模擬火壤研制工作;③積極探索模擬火壤研制新方法。

　　本文源自載人航天,2020,26(03):389-402.《載人航天》雜志，于2003年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:11-5008/V，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：基礎(chǔ)研究、成果應(yīng)用、動(dòng)態(tài)等。

　　1、引言

　　火星是地球的鄰星,是太陽(yáng)系內(nèi)與地球最為相似的天體,也是人類深空探測(cè)的重要目標(biāo)。當(dāng)前火星氣候寒冷干燥,表面覆蓋著大量未固結(jié)或固結(jié)較差的風(fēng)化物質(zhì),被稱為火星土壤(簡(jiǎn)稱火壤)[1],根據(jù)其粒度和膠結(jié)狀況可分為塵埃、砂狀、皮殼狀-團(tuán)塊狀和塊狀四種類型[2]。多源遙感探測(cè)和就位探測(cè)數(shù)據(jù)均指示火壤的主要物質(zhì)組成與地球玄武巖類似(表1)[3,4]。

　　勇氣號(hào)與機(jī)遇號(hào)搭載的微型熱輻射光譜儀(Mini-TES)[5]、好奇號(hào)搭載的化學(xué)與礦物學(xué)分析儀(CheMin)[6]的就位分析結(jié)果表明勇氣號(hào)探測(cè)器所在的古謝夫撞擊坑和機(jī)遇號(hào)探測(cè)器所在的子午線平原的火壤較為相似,主要由橄欖石、輝石、斜長(zhǎng)石、Fe-Ti-Cr尖晶石、磷酸鹽等火成巖礦物和非晶硅、赤鐵礦、納米氧化物、粘土礦物、硫酸鹽+氯化物或硫酸鹽+氯氧化物等蝕變礦物組成[7,8,9,10],而好奇號(hào)(MarsScienceLaboratory,MSL)探測(cè)器所在的蓋爾撞擊坑內(nèi)的火壤則由鎂橄欖石(～Fo62)、輝石、斜長(zhǎng)石(～An57)、硬石膏、磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦[11,12](表2)等礦物組成,同時(shí)含有27±14wt%的非晶態(tài)物質(zhì),可能是富含F(xiàn)e3+和揮發(fā)分的多相物質(zhì),其中包含一種類似硅鐵石的物質(zhì)。結(jié)晶部分礦物組成與古謝夫撞擊坑和玄武質(zhì)隕石相似,非晶態(tài)物質(zhì)則與夏威夷火山區(qū)的風(fēng)化土壤相似[11]。

　　火星著陸探測(cè)困難重重,火壤的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)火星著陸及巡視探測(cè)十分重要。目前僅能通過(guò)已有的火星著陸器及巡視器機(jī)械臂對(duì)火壤的挖掘和車輪與火壤之間的交互試驗(yàn)進(jìn)行估算[20](表3)。為了更好地為火星的著陸與巡視任務(wù)做準(zhǔn)備,在探測(cè)器發(fā)射之前,需要在地面盡可能的模擬火星表面進(jìn)行一系列工程試驗(yàn)[21],如著陸器沖擊試驗(yàn)[22,23]、火星車行走試驗(yàn)[20,24]、火星邊坡穩(wěn)定性分析[25]、火星車取樣試驗(yàn)[26]等。此外,科學(xué)研究也需要用到大量火壤,如原位資源利用[27]、建筑材料加工[28,29]、火壤原位取水技術(shù)[30]、生物培養(yǎng)技術(shù)[31]、含水火壤的流變性研究[32]等。

　　然而,人類在最近五十年里的40余次火星探測(cè)均未實(shí)現(xiàn)火星土壤的采樣返回[33]。在火星探測(cè)工程實(shí)施和科學(xué)研究中,可在地表實(shí)驗(yàn)室里用于研究和測(cè)試的真實(shí)火星樣品只有火星隕石,且數(shù)量極為有限,無(wú)法滿足地面工程試驗(yàn)的大量需求。因而,開(kāi)展模擬火壤樣品研制工作用來(lái)代替真實(shí)火壤進(jìn)行一系列科學(xué)研究和工程試驗(yàn)是十分必要的。目前,美國(guó)已經(jīng)多次成功進(jìn)行火星著陸探測(cè)工作,其模擬火壤技術(shù)較為成熟,歐空局和俄羅斯也進(jìn)行過(guò)相關(guān)工作,積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。而中國(guó)的火星探測(cè)還處在起步階段,計(jì)劃在2020年發(fā)射火星探測(cè)軌道器和火星車,首次進(jìn)行火星表面巡視探測(cè)工作[34]。

　　發(fā)射前需要大量模擬火壤進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn),國(guó)內(nèi)對(duì)模擬火壤的需求增大,由于國(guó)外模擬火壤產(chǎn)量和出售限制等原因,中國(guó)難以進(jìn)口大量成品模擬火壤,這也促使國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展模擬火壤研制工作。本文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,對(duì)國(guó)內(nèi)外不同類型模擬火壤的物理化學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)歸納模擬火壤研制過(guò)程中面臨的困難和問(wèn)題,并對(duì)未來(lái)模擬火壤工作提出展望,期望為我國(guó)將來(lái)的火星探測(cè)提供參考。

　　2、模擬火壤的研制現(xiàn)狀

　　由于真實(shí)火壤形成過(guò)程的復(fù)雜性和特殊性,地面人工模擬樣品不能做到與真實(shí)火壤完全相似,因而模擬火壤往往只能在某些方面達(dá)到與真實(shí)火壤較為相似,或者模擬某些極端工況下的火壤。目前,公開(kāi)報(bào)道的有四十余種模擬火壤,根據(jù)其研制之初的主要用途,通常可分為科學(xué)研究用模擬火壤和工程試驗(yàn)用模擬火壤,其制備工藝也有所差別。

　　2.1 科學(xué)研究用模擬火壤

　　該類型的模擬火壤首先要保證物質(zhì)組成和化學(xué)成分與真實(shí)火壤盡可能相似,然后再考慮其他性質(zhì)的相似性。根據(jù)其研制目的,主要分為光譜類模擬火壤、天體生物學(xué)研究類模擬火壤和原位資源利用類模擬火壤。

　　2.1.1 光譜類模擬火壤

　　光譜類模擬火壤以美國(guó)的JohnsonSpaceCenterMarsSimulant(JSCMars-1)型、MarsGlobalSimulant(MGS-1)型和JezeroDeltaSoilSimulant(JEZ-1)型模擬火壤為代表,而國(guó)內(nèi)的則是JiningMartianSoilSimulant(JMSS-1)型模擬火壤(表4)。JSCMars-1型模擬火壤于1998年由美國(guó)約翰遜空間中心(JohnsonSpaceCenter,JSC)研制,原材料選自夏威夷火山錐蝕變火山灰和火山渣,經(jīng)機(jī)械破碎、烘干和篩分而成。

　　2005年美國(guó)Orbitec公司從JSC獲得JSCMars-1的授權(quán),從同一源區(qū)采集原料研制了新一批樣品銷售,并命名為JSCMars-1A。JSCMars-1的研發(fā)初衷是光譜型模擬火壤,但目前已被科學(xué)界廣泛應(yīng)用到各類科學(xué)研究和探測(cè)器工程試驗(yàn)中[44]。JSCMars-1為粒徑小于1mm的顆粒物,顆粒類型分為兩種,有磁性的部分蝕變較少,主要由斜長(zhǎng)石、鈦磁鐵礦及少量的輝石、橄欖石及玻璃組成,粘土礦物含量小于1wt%[39]。無(wú)磁性部分與磁性部分礦物種類相同,但隨著蝕變程度增加礦物含量降低,非晶態(tài)鐵氧化物含量增加。較之火壤,JSCMars-1化學(xué)成分中的SiO2、Fe2O3和CaO與火星表面較為接近,而Al2O3和TiO2含量相對(duì)較高,MnO含量偏低,揮發(fā)分含量較高(表4)而體密度相對(duì)較小(表3)。

　　JSCMars-1是典型的光譜用途模擬火壤,其可見(jiàn)光-近紅外反射光譜與火星上奧林帕斯-亞馬遜的明亮區(qū)域的(熱輻射光譜儀(TES)數(shù)據(jù)反照率≥0.2)光譜特征十分接近(圖1)[39,44,46],這些明亮區(qū)域成分以風(fēng)化玄武巖為主,表面通常被灰塵覆蓋[47],這一特點(diǎn)也是選擇其作為原料的重要依據(jù)。光譜數(shù)據(jù)表明在波長(zhǎng)400～1000nm范圍內(nèi),二者極為相似,三價(jià)鐵特征光譜顯示JSCMars-1中結(jié)晶赤鐵礦要低于火星表面。JSCMars-1的光譜在1400nm和1900nm還表現(xiàn)出明顯的水吸收峰,這與原料取自火山灰和火山渣吸水性較強(qiáng)特性相關(guān)。JSCMars-1的含水率較高,其在100℃時(shí)失水7.8wt%,在600℃時(shí)燒失量可達(dá)21.1wt%[39],這一特征與火壤有明顯的差異。海盜一號(hào)和海盜二號(hào)著陸區(qū)的火壤在加熱到500℃時(shí)測(cè)得的含水率均為0.1～1.0wt%[48],好奇號(hào)火星車將蓋爾撞擊坑的石巢(Rocknest)風(fēng)積物加熱到約835℃后測(cè)得其含水量為1.5～3wt%,這一揮發(fā)分散失溫度指示這部分水存在于火壤的非晶成分中[49]。火星奧德賽探測(cè)器搭載的伽馬射線譜儀數(shù)據(jù)也顯示全球火壤中水分含量基本在3wt%以下[50]。

　　MGS-1型模擬火壤由美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)研制,代表了火星表面低含硫礦物類型的火壤,模擬對(duì)象為蓋爾撞擊坑石巢區(qū)域的風(fēng)積土壤[51]。原材料選取了來(lái)自Stillwater的雜巖、Madagascar的富拉玄武巖和NorthCarolina的斜長(zhǎng)石、來(lái)自巴西的古銅輝石和來(lái)自SanCarlos的高鎂橄欖石。根據(jù)好奇號(hào)搭載的XRD結(jié)晶礦物的分析結(jié)果和對(duì)非晶態(tài)成分的推斷,按照配方比例將礦物(長(zhǎng)石、輝石、橄欖石)和玄武質(zhì)玻璃混合后,再將混合物顆粒與水以及五水偏硅酸鈉(粘合劑)按100:20:2的重量比充分?jǐn)嚢杌旌?然后使用微波爐加熱除去水分形成固體塊狀物質(zhì),再進(jìn)行機(jī)械研磨,并加入次生礦物(水合二氧化硅、硫酸鎂、水鐵礦、硬石膏、菱鐵礦和赤鐵礦)邊攪拌邊研磨成細(xì)粉,篩分出粒徑小于1mm的物質(zhì)作為最終的MGS-1模擬火壤。

　　MGS-1模擬火壤的反射光譜與之前的模擬火壤和來(lái)自火星車和軌道器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的結(jié)果顯示,在較短的波長(zhǎng)(400～1100nm)下,MGS-1的波形和反射率與好奇號(hào)桅桿相機(jī)獲得的石巢地區(qū)火壤的光譜大致相似(圖1)[51,53]。而在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下,則與火星快車(MarsExpress)搭載的OMEGA光譜儀測(cè)得的地反照率區(qū)域相似[54]。MGS-1型模擬火壤的自然體密度為1.29g/cm3,而火星探路者號(hào)著陸區(qū)的模擬火壤被認(rèn)為體密度為1.07～1.64g/cm3、海盜1號(hào)著陸區(qū)表面的松散堆積物天然密度約為1.15g/cm3,與已知的火星著陸器和巡視器探測(cè)結(jié)果基本相符。目前,尚沒(méi)有關(guān)于MGS-1型模擬月壤的土力學(xué)相關(guān)研究數(shù)據(jù)。

　　圖1模擬火壤相對(duì)反射光譜與火星遙感光譜對(duì)比研究[33,36,44,51]

　　JEZ-1型模擬火壤由MGS-1研制,用于模擬美國(guó)Mars2020探測(cè)任務(wù)預(yù)選著陸點(diǎn)Jezero撞擊坑內(nèi)三角洲的火壤[52]。根據(jù)軌道遙感數(shù)據(jù)對(duì)Jezero撞擊坑內(nèi)三角洲沉積物的探測(cè)結(jié)果,在MGS-1的基礎(chǔ)上添加了粘土礦物(蒙脫石)、碳酸鎂、硫酸鎂和額外的橄欖石。JEZ-1的粒度小于1mm,平均粒徑約38μm,天然體密度為1.45g/cm3。其他性質(zhì)尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

　　JMSS-1型模擬火壤由中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心研制[33]。JMSS-1以內(nèi)蒙古集寧玄武巖為原材料,并添加磁鐵礦和赤鐵礦,配比為93∶5∶2,彌補(bǔ)了集寧玄武巖鐵含量低于火壤的不足。JMSS-1顆粒粒徑小于1mm,顆粒形態(tài)呈棱角-次棱角狀。礦物組成主要為斜長(zhǎng)石(鈣長(zhǎng)石)、輝石(普通輝石)、橄欖石(透鐵橄欖石)、少量鈦鐵礦、磁鐵礦和赤鐵礦,未發(fā)現(xiàn)蝕變礦物。JMSS-1和JSCMars-1模擬火壤以及海盜號(hào)、火星探路者號(hào)、勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)、好奇號(hào)著陸點(diǎn)的真實(shí)火壤主量元素含量較為接近,天然體密度為1.45g/cm3,顆粒密度為2.88g/cm3,孔隙度為49.65%,內(nèi)摩擦角約為40.6°,內(nèi)聚力為0.33kPa,均與實(shí)際火壤相近[33]。JMSS-1型模擬火壤具有與火星玄武巖質(zhì)火壤相似的化學(xué)成分、礦物學(xué)和物理力學(xué)性質(zhì),可用于中國(guó)未來(lái)火星探測(cè)科學(xué)研究和工程試驗(yàn)。

　　2.1.2 天體生物學(xué)研究類模擬火壤

　　火星表面存在稀薄大氣和液態(tài)水,為生命存在創(chuàng)造了條件。為了在地表模擬火星不同環(huán)境下生物的存活情況,多個(gè)團(tuán)隊(duì)研制了一系列模擬火壤,代表類型為德國(guó)的PhyllosilicaticMarsRegolithSimulant(P-MRS)型和SulfaticMarsRegolithSimulant(S-MRS)型模擬火壤,美國(guó)的UniversityofFloridaMarsSimulates(UFAcid-Alkaline-SaltBasaltAnalogSoils)系列和YellowknifeMarssimulate(Y-Mars)型模擬火壤,英國(guó)的OpenUniversityMarssimulate(OUEB/SR/HR/CM)系列模擬火壤。

　　P-MRS和S-MRS型模擬火壤由德國(guó)航空航天中心(GermanAerospaceCenter,DLR)研制,其原材料主要包括火成巖、層狀硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和鐵氧化物,其中火成巖由輝石、斜長(zhǎng)石(輝長(zhǎng)巖)和橄欖石(純橄欖巖)組成,除此之外,還添加了一些石英和赤鐵礦[52,55,57],經(jīng)過(guò)混合、破碎,篩分出粒度小于1mm樣品作為P-MRS和S-MRS。P-MRS和S-MRS的物質(zhì)組成和化學(xué)成分(表5)與實(shí)際火壤具有一定差別,二者主要模擬火星表面可能存在的兩種不同化學(xué)環(huán)境。

　　P-MRS用于模擬火成巖在中性pH流體環(huán)境下部分礦物蝕變成蒙脫石群(蒙脫石、綠泥石和高嶺石)礦物[58,59],樣品中還包括菱鐵礦和菱鎂礦。S-MRS用于模擬硫酸鹽沉積的酸性環(huán)境,除了火成巖和無(wú)水氧化鐵外,還包括針鐵礦和石膏[57]。也曾被DLR用來(lái)測(cè)試ExoMars2018上搭載的拉曼激光光譜儀識(shí)別有機(jī)物和礦物的能力[55]。此外,二者還被廣泛應(yīng)用于許多天體生物學(xué)實(shí)驗(yàn),包括微生物研究[56,57]和國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)[60,61]。P-MRS和S-MRS的其他性質(zhì)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

　　UF系列模擬火壤由美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)研制,主要用于測(cè)試火星條件下微生物菌落在不同化學(xué)環(huán)境模擬物中的存活情況。主要包括玄武巖(無(wú)毒對(duì)照)、酸性土壤(機(jī)遇號(hào)著陸點(diǎn)黃鉀鐵礬土壤)、堿性土壤(富碳酸鹽)、風(fēng)成土壤(火星全球)、高氯酸鹽土壤(鳳凰號(hào)著陸點(diǎn))和高鹽土壤(勇氣號(hào)著陸點(diǎn))六種模擬樣品,原料以明尼蘇達(dá)州Duluth玄武巖為基礎(chǔ),添加不同鹽類,經(jīng)過(guò)研磨后,篩分出粒度小于200μm樣品[64]。

　　Y-Mars型模擬火壤由英國(guó)天體生物學(xué)中心研制,其模擬對(duì)象為蓋爾撞擊坑黃刀灣的Sheepbed泥巖,根據(jù)MSL攜帶的X射線衍射儀對(duì)其分析結(jié)果[65],在地表選擇相同或相似礦物代替,按照一定的重量比混合后在碳化鎢磨粉機(jī)中粉碎。Y-Mars的粒徑范圍為0.5～3.0μm,平均值1.2μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5μm。可見(jiàn)到近紅外反射光譜表明Y-Mars的整體反射率更藍(lán),這與大多數(shù)火星表面物質(zhì)(通常覆蓋著灰塵)的反射率相同。在紅外階段具有一定相似性,但缺少～1.4μm和1.9μm與OH/H2O相關(guān)的吸收特征,但在2.15～2.3μm卻表現(xiàn)出Al-和Fe/Mg-OH相似的特征。其他相關(guān)性質(zhì)未見(jiàn)有報(bào)道。Y-Mars研制的主要目的用于未來(lái)的天體生物學(xué)研究,與普遍使用的火山物質(zhì)模擬物相比,火星沉積環(huán)境的模擬物具有更大的天體生物學(xué)意義[62]。

　　OU系列模擬火壤由英國(guó)開(kāi)放大學(xué)研制,用于測(cè)試過(guò)去或現(xiàn)在不同環(huán)境對(duì)生命的支持等天體生物學(xué)研究,是首批Fe2+/Fe3+比值與火星相似的模擬火壤[63]。根據(jù)火星表面四種不同化學(xué)環(huán)境研制了4種新的模擬火壤及4種Fe改良品種:①玄早期玄武質(zhì)(EarlyBasaltic,EB)土壤OUEB-1和OUEB-2的模擬對(duì)象為Zagamishergottite隕石;②富硫(Sulfur-rich,SR)土壤,OUSR-1和OUSR-2的模擬對(duì)象為機(jī)遇號(hào)著陸點(diǎn)PasoRobles樣品;③富赤鐵礦(Haematite-rich,HR)土壤,OUHR-1和OUHR-2的模擬對(duì)象為子午線平原Hema2樣品;④現(xiàn)代火星土壤(ContemporaryMars,CM),OUCM-1和OUCM-2模擬對(duì)象為蓋爾撞擊坑Rocknest樣品。OU系列模擬火壤原材料為德國(guó)德國(guó)埃菲爾地區(qū)Mayen的第四紀(jì)熔巖流中的響巖質(zhì)堿玄巖,其他原料如純橄欖巖、石英、石膏、磁鐵礦、黃鐵礦、斜長(zhǎng)巖和赤鐵礦、磷灰石、硅灰石和鐵硅酸鹽玻璃則從不同公司購(gòu)買(mǎi)。

　　樣品經(jīng)過(guò)破碎和篩分,按照不同模擬對(duì)象的成分和粒度配置不同樣品。其化學(xué)性質(zhì)都與它們所模擬的對(duì)象化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)(在～5wt%范圍內(nèi))。OU系列模擬火壤的粒度主要集中在400～900μm,小于300μm樣品含量較少。OUSR-1和OUSR-2天然體密度最高(分別為1.95和1.81g/cm3),而OUEB-1和OUEB-2的最低(分別為1.58和1.56g/cm3)。其孔隙率在47～52%之間,OUHR-1最高,OUSR-1最低。海盜號(hào)著陸點(diǎn)火壤的體密度估算為0.57～1.60g/cm3,孔隙率為31%～58%[35,66,67,68],而火星探路者探測(cè)區(qū)域最高估算可以達(dá)到2.0g/cm3[69]。OU系列模擬火壤雖然是為天體生物學(xué)研制,其物理性質(zhì)也與火壤具有一定的相似性,也可用于未來(lái)工程測(cè)試。

　　2.1.3 原位資源利用類模擬火壤

　　原位資源利用(In-SituResourceUtilization,ISRU)技術(shù)是指就地利用地外天體表面的土壤、大氣、水冰、礦物等資源來(lái)制造人類長(zhǎng)期生存所需物資的技術(shù)。隨著ISRU技術(shù)的研究需求,多種模擬火壤應(yīng)運(yùn)而生。代表類型為新西蘭的UniversityofCanterburyMarsSimulant(UCMars1)型模擬火壤,美國(guó)的MarsGlobalSimulant-ClayVariety(MGS-1C)型、MarsGlobalSimulant-SulfateVariety(MGS-1S)型、NortheasternUniversityMarsSimulant(NEUMars1)型和RocknestAugmentedMMS型模擬火壤(表6)。

　　UC(UniversityofCanterbury)Mars1型模擬火壤由新西蘭坎特伯雷大學(xué)研制[52,73]。模擬對(duì)象為火星古謝夫撞擊坑火壤。UCMars1以新西蘭班克斯半島的橄欖玄武巖和火山玻璃為原料,分別清洗晾干后的樣品經(jīng)過(guò)液壓機(jī)破碎后送入顎式破碎機(jī),篩分出粒度大于700μm樣品(～50%),采用0.53mm平板研磨。兩種原料經(jīng)過(guò)不同研磨方式獲得四種樣品,由于樣品中灰塵數(shù)量(<45μm)高于火星表面,通過(guò)洗滌部分樣品降低灰塵含量。

　　然后在50℃情況下干燥除去多余水分。至此一共產(chǎn)生8種樣品,根據(jù)古謝夫撞擊坑樣品特性,從未洗過(guò)的橄欖玄武巖和火山玻璃中除去小于590μm的細(xì)粒,并從洗過(guò)的橄欖玄武巖和火山玻璃中除去大于300μm的粗粒。最終按照47wt%的橄欖玄武巖(顎式破碎機(jī),2000～590μm),37wt%的洗過(guò)的橄欖玄武巖(0.53mm平板研磨,≤300μm),7wt%的洗過(guò)的火山玻璃(顎式破碎機(jī),2000～590μm)和9wt%的洗過(guò)的火山玻璃(0.53mm平板研磨,≤300μm)的比例混合得到UCMars1型模擬火壤。UCMars1的顆粒形態(tài)主要為棱角狀,少量呈次棱角狀,顆粒密度為2.7g/cm3,內(nèi)摩擦角為35°,與其他模擬火壤34°～53°內(nèi)摩擦角和古謝夫撞擊坑通過(guò)邊坡穩(wěn)定性估算的內(nèi)摩擦角13°～38°相符[25]。內(nèi)聚力沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。UCMars1型模擬火壤研制目的是為了測(cè)試ISRU技術(shù),目前主要用于建筑和基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)。

　　MGS-1S型和MGS-1C型模擬火壤由MGS-1研制團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)[51],專門(mén)用于火星水原位資源利用計(jì)劃(MarsWaterIn-SituResourceUtilizationPlan,M-WIP)[74]。MGS-1S型模擬火壤在MGS-1基礎(chǔ)上添加多水硫酸鹽石膏,而MGS-1C型模擬火壤則是添加含水粘土礦物蒙脫石。MGS-1S與MGS-1C粒度均小于1mm,但MGS-1S相對(duì)較粗,平均粒度達(dá)到119μm,而MGS-1C平均粒度只有24μm。M-WIP的研究結(jié)果表明MGS-1C含水粘土型模擬火壤有利于火星上水的提取。就提取水的質(zhì)量和所需功率而言,MGS-1S硫酸鹽型模擬火壤明顯優(yōu)于一般火壤和富含粘土的沉積物,并且兩種類型的沉積物相比永久凍土更容易獲取和開(kāi)采[52]。目前尚沒(méi)有關(guān)于MGS-1S和MGS-1C的土力學(xué)相關(guān)研究數(shù)據(jù)。

　　NEUMars-1型模擬火壤由中國(guó)東北大學(xué)研制[70],以內(nèi)蒙古烏蘭察布察哈爾火山群玄武巖作為原材料,經(jīng)過(guò)清洗、烘干、研磨、分選成不同粒徑后,再添加磁鐵礦和赤鐵礦,按照93∶4∶3的重量比混合,以保證鐵含量為16～22wt%。NEU-Mars-1的礦物組成主要為斜長(zhǎng)石(47wt%)、輝石(24wt%)、橄欖石(15wt%)、伊利石(9wt%)、褐鐵礦(3wt%)以及其他成分(2wt%),這與“好奇號(hào)”探測(cè)火壤礦物成分相似,只是NEUMars-1斜長(zhǎng)石含量相對(duì)較高,橄欖石相對(duì)較低,缺少硫酸鹽和碳酸鹽。其化學(xué)成分與火壤和其他模擬物相比,NEUMars-1的堿金屬氧化物(Al2O3,Na2O和K2O)含量相對(duì)較高,而MgO含量較低。NEUMars-1粒徑主要分布在0.1μm～1200μm,少數(shù)粒徑小于100μm,中值直徑為247.172μm。NEUMars-1的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為547.8℃,結(jié)晶溫度為795.7℃。目前,尚沒(méi)有關(guān)于NEUMars-1土力學(xué)相關(guān)研究數(shù)據(jù)。NEUMars-1型模擬火壤研制的主要目的是ISRU技術(shù)研究需求,目前主要用于金屬和氧氣的提取。

　　除了以上3種ISRU技術(shù)用模擬火壤,美國(guó)JSC研究團(tuán)隊(duì)的[75]基于MojaveMarsSimulant(MMS,后文詳細(xì)介紹)開(kāi)發(fā)了RocknestAugmentedMMS型模擬火壤,用于測(cè)試ISRU水提取技術(shù)。通過(guò)向MMS樣品中添加含水硫酸鹽(MgSO4·7HO、FeSO4·7H2O)、高氯酸鹽(NaClO4)和粘土礦物(伊利石IMt-2)來(lái)匹配蓋爾撞擊坑Rocknest樣品的水揮發(fā)曲線。

　　除了以上典型模擬火壤外,科學(xué)研究用模擬火壤還有KoreaMarsSimulant(KMS-1)型模擬火壤,KMS-1由韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)研制,用于科學(xué)研究和相關(guān)工程試驗(yàn)[52,71,72]。其原料為韓國(guó)京畿道北部延川市漢唐崗河沿岸的玄武巖,主要礦物為斜長(zhǎng)石(48.9wt%)和橄欖石(31wt%),含少量輝石(14.2wt%)和磁鐵礦(5.8wt%)。KMS-1經(jīng)過(guò)磨盤(pán)破碎篩分成兩種粒度,粒度小于3mm的細(xì)沙和粒度小于1mm的細(xì)塵。其化學(xué)成分較之真實(shí)火壤富Al2O3、CaO和K2O,貧FeOT、MgO[52]。由于相關(guān)資料較少,其具體用途和其他特性不明。

　　2.2 工程試驗(yàn)用模擬火壤

　　火星表面的重力約為地球表面的三分之一,因此即便化學(xué)成分和礦物組成一致,模擬火壤在地表的的力學(xué)特性也和真實(shí)火壤有一些差異,無(wú)法滿足探測(cè)器的工程試驗(yàn)或者極端工況下的試驗(yàn)。因而部分團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而開(kāi)始研發(fā)工程試驗(yàn)專用模擬火壤,該類型模擬火壤首要考慮因素是其某些物理力學(xué)特性盡可能與真實(shí)火壤相近,如顆粒形態(tài)、粒徑級(jí)配、密度、含水率、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、承壓等。因而,其原材料的選擇范圍更加廣泛,除了玄武巖之外,一些低密度的礦物(如石英)也在考慮之列,以模擬火星表面的低重力環(huán)境下火壤的力學(xué)特性。目前,工程試驗(yàn)用模擬火壤研制種類較多,如MojaveMarsSimulant(MMS)、SaltenSkovI、SurreySpaceCentreMarsSimulate(SSC)系列、EngineeringSoil(ES-X)系列、JilinUniversityMarsSimulant(JLUMars)系列、DLR系列、JetPropulsionLaboratory(JPLlab)系列、MarsExplorationRover(MER)系列模擬火壤等。

　　JSCMars-1型模擬火壤在實(shí)際使用中由于吸水性問(wèn)題在一些試驗(yàn)中效果不佳。如美國(guó)鳳凰號(hào)探測(cè)器升空前在地面開(kāi)展工程試驗(yàn),模擬火星環(huán)境下被挖掘出的永久凍土中水的升華損失,研究者發(fā)現(xiàn)干燥的JSCMars-1由于吸水速度過(guò)快而很難重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[76]。為了解決這一難題,研究者需要選擇吸水性較低的物質(zhì)替代,因而研制了MMS型模擬火壤[36]。MMS的原材料取自美國(guó)加利福尼亞州莫哈維(Mojave)沙漠西部的玄武巖,經(jīng)過(guò)破碎成砂,并收集破碎過(guò)程中的粉塵,最終用玄武巖石塊、玄武質(zhì)砂、灰塵分別模擬火星表面的石塊、火壤及灰塵[36]。MMS主要由斜長(zhǎng)石、富鈣輝石和少量的磁鐵礦組成,還含有微量的鈦鐵礦和富鐵橄欖石。

　　與真實(shí)火壤的探測(cè)結(jié)果相比,MMS化學(xué)成分中的SiO2、Al2O3和CaO的含量相對(duì)較高,而Fe2O3、P2O5和SO3含量則偏低。紫外-可見(jiàn)-近紅外反射光譜表明MMS砂與JSCMars-1較為相似(圖1)。2016年,美國(guó)火星花園(MartianGarden)公司采用MMS同樣原料研制了MMS-1型模擬火壤用于商業(yè)出售。隨后又開(kāi)發(fā)了增強(qiáng)型模擬火壤MMS-2。MMS-2基于MMS-1在樣品中添加了Fe2O3、MgO、硫酸鹽和硅酸鹽,使其在化學(xué)成分上與火星更為相似(表4)。MMS型模擬火壤曾被用來(lái)測(cè)試早期型號(hào)的鳳凰號(hào)的機(jī)械挖斗和快速主動(dòng)樣品打包系統(tǒng),也被用來(lái)測(cè)試好奇號(hào)的鉆取、移動(dòng)和著陸系統(tǒng)。除此之外,MMS也曾被用來(lái)模擬火星高緯度地區(qū)年度水循環(huán)試驗(yàn)[76]。

　　SaltenSkovI型模擬火壤由丹麥奧爾胡斯大學(xué)研制,用于模擬火星塵埃,旨在通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究火星塵埃的帶電特征、運(yùn)動(dòng)特性和顆粒間吸附性等。SaltenSkovI的原材料取自丹麥的中日德蘭半島暗紅色沉積物,這些沉積物富含針鐵礦、赤鐵礦和磁鐵礦。SaltenSkovI粒徑小于63μm,且顆粒單個(gè)粒子的中值粒徑為1μm,這與真實(shí)火星塵埃的粒徑比較相近。SaltenSkovI的磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電性質(zhì)與火星塵埃也較為接近。但由于SaltenSkovI是由純的鐵氧化物組成,與真實(shí)的火星塵埃(硅酸鹽成分)差距很大。模擬火星塵埃SaltenSkovI已被廣泛用于空氣動(dòng)力學(xué)、粘附性、內(nèi)聚力和電學(xué)實(shí)驗(yàn)等測(cè)試,并被用于風(fēng)洞試驗(yàn)[42,77]。

　　SSC系列模擬火壤是由薩里空間中心(SurreySpaceCenter,SSC)研制,用于測(cè)試火星車在不同類型模擬火壤中的通過(guò)性能。SSC-1型模擬火壤原材料為未清洗的石英砂,粒度從～63μm～1.3mm不等,含有少量粉砂。SSC-2型模擬火壤原材料為石榴子石,由不同粒度石榴子石級(jí)配而成,粒度從～45～90μm不等,中值粒徑約為260μm,與JSCMars-1型模擬火壤中值粒徑(～250μm)相近。兩種類型模擬火壤的土力學(xué)性質(zhì)也有部分差異。SSC-1的體密度從1.615g/cm3增加至1.708g/cm3,內(nèi)摩擦角從39.44°增加至43.97°,內(nèi)聚力從644Pa降低至616Pa。SSC-2密度從2.227g/cm3增加至2.384g/cm3,內(nèi)摩擦角反而從43.34°降低至41.93°,內(nèi)聚力從1021Pa增加至2246Pa。這種異常的出現(xiàn)與模擬火壤原料在顆粒尺寸、級(jí)配和體密度的差異有關(guān)[43]。

　　ES-X(EngineeringSoil)系列模擬火壤由歐洲空間局研制,用于ExoMars火星車的機(jī)動(dòng)性。ES-X包括火星塵埃模擬物(ES-1)、火星細(xì)粒風(fēng)成沙模擬物(ES-2)和火星粗砂模擬物(ES-3)。其原材料為霞石和石英粉末,再通過(guò)粒徑配比研制而成。ES-X的礦物組成、化學(xué)成分和磁學(xué)性質(zhì)都與真實(shí)火壤的性質(zhì)差別很大,但是ES-X的粒度分布、顆粒形態(tài)都與火壤相似[41,78]。ES-1模擬火壤呈棱角狀,最大粒徑約32μm,最小粒徑小于10μm,接近火星表面塵埃的粒度;ES-2呈棱角-次棱角狀,粒徑介于30～125μm之間,與火星表面風(fēng)成沙類似;ES-3呈次圓-圓狀,粒徑30～20000μm,能代表火星表面的粗砂[41]。

　　JLUMars系列模擬火壤由吉林大學(xué)研制,包括JLUMars1、JLUMars2和JLUMars3三種不同粒徑分布的模擬火壤。其主要用于測(cè)試不同粒徑條件下火星巡視探測(cè)器的移動(dòng)性、通過(guò)性、試驗(yàn)和驗(yàn)證輪壤相互作用[20,79]。JLUMars系列模擬火壤原材料采用吉林省靖宇縣雙山火山的火山渣,經(jīng)過(guò)烘干、機(jī)械破碎和篩分,再根據(jù)設(shè)計(jì)的粒徑分布曲線將不同粒度的半成品混合成不同類型模擬火壤。JLUMars系列模擬火壤的顆粒形態(tài)呈長(zhǎng)條狀和次棱角狀,與JSCMars-1的主量元素含量相近,但與機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)測(cè)得的火壤平均成分存在一定的差距。JLUMars系列模擬火壤天然密度為0.95～1.52g/cm3,孔隙率在43.07%～64.42%之間,顆粒密度為2.67g/cm3,內(nèi)聚力范圍為0～1.4kPa,內(nèi)摩擦角范圍為37°～52°,孔隙比、相對(duì)密實(shí)度等都與實(shí)際火壤相近[20,80]。該團(tuán)隊(duì)利用相同原料還開(kāi)發(fā)了JLU5Mars-4型模擬火壤,主要用于著陸器沖擊試驗(yàn)。JLU5Mars-4的天然密度為0.95～1.13g/cm3,中值粒徑為194μm,含水率為0.19%,其摩擦系數(shù)為0.39～0.56,均值為0.46,承載強(qiáng)度6.3～22.5kPa[26]。

　　除以上典型模擬火壤外,工程試驗(yàn)用模擬火壤還有DLR-A、DLR-B、JPLlab107、JPLLab82、MERYard317和JPLMarsYard幾種類型。德國(guó)DLR在ExoMars項(xiàng)目研制過(guò)程中,研制了DLR-A和DLR-B兩種類型模擬火壤,用于測(cè)試的車輪與火壤的相互作用。DLR-A和DLR-B的內(nèi)聚力分別為0.19kPa和0.41kPa,內(nèi)摩擦角分別為24.8°和17.8°[78,81]。美國(guó)JPL曾利用JPL系列和MER系列模擬火壤進(jìn)行火星斜坡穩(wěn)定性分析及測(cè)試火星探測(cè)車和其他設(shè)備。這四種模擬火壤均經(jīng)過(guò)洗滌去除粉砂,使JPLlab107、JPLLab82、JPLMarsYard的粒度主要分布在0.4～1.0mm的范圍。其中JPLMarsYard依然含有2%的粉砂物質(zhì),這可能與其含花崗巖粉末有關(guān)。而MERYard是這四種模擬火壤中粒度分布最均勻的[25]。

　　3、模擬火壤研制面臨的困難與問(wèn)題

　　3.1 缺少可供參考的火壤深層剖面數(shù)據(jù)

　　目前,人類對(duì)火壤特性的認(rèn)知滯后于月壤,由于尚未實(shí)現(xiàn)火壤的采樣返回,僅有火星著陸器和火星車在表面以下十幾厘米范圍內(nèi)進(jìn)行過(guò)抓、挖、刮、鉆等原位取樣分析工作,缺少火星表面以下幾米范圍內(nèi)深層火壤的鉆探取樣工作,因而我們對(duì)于火壤的物質(zhì)組成、化學(xué)性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)知還停留在表層。通過(guò)軌道器的遙感數(shù)據(jù)可以獲得表面以下部分區(qū)域火壤剖面的形貌特征,但無(wú)法獲知其物理力學(xué)特性。如在美國(guó)洞察號(hào)(InSight)火星探測(cè)任務(wù)中,提前通過(guò)高分辨率影像獲得了著陸區(qū)的剖面數(shù)據(jù),結(jié)合前期對(duì)火壤的認(rèn)知,設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)鉆探的熱流和物理特性探測(cè)儀,原計(jì)劃自動(dòng)鉆探到火表以下約5m的位置[82],但在第一次鉆探到大約30cm位置時(shí),便無(wú)法深入,可能原因是深部火壤的特性比預(yù)期中更加密實(shí),火壤摩擦力不足[83]。因此,缺少可供參考的火星表面以下幾米深度剖面上土壤物理力學(xué)特性變化的數(shù)據(jù),嚴(yán)重制約了火星深部鉆取用和原位資源利用類模擬火壤的研制工作。

　　3.2 模擬火壤種類不足

　　目前公開(kāi)發(fā)表的模擬火壤種類有四十余種,涵蓋了火星表面不同化學(xué)環(huán)境下的土壤,除了典型的玄武質(zhì)土壤,還包括酸性、堿性、粘土型、泥巖型、高氯酸鹽型、氯鹽型、硫酸鹽型、碳酸鹽型、赤鐵礦型等模擬火壤。然而,諸多證據(jù)表明火星表面曾經(jīng)存在流水活動(dòng)[84,85],也曾發(fā)現(xiàn)一些與水相關(guān)的沉積構(gòu)造[86,87]和礦物[4,84,88,89],鳳凰號(hào)探測(cè)器的挖掘?qū)嶒?yàn)也直接觀測(cè)到了火星表面水冰的存在[90,91]。遙感探測(cè)的研究結(jié)果也表明火星淺表層存在大量的水冰,覆蓋了火星表面1/3面積,穩(wěn)定存在于40°以上中高緯度或表以下幾厘米至幾十厘米深處[92,93,94]。這些區(qū)域是最有可能保存生命或生命遺跡的地方,是當(dāng)前火星探測(cè)的熱點(diǎn)。火星上的水不全是純水,也存在含鹽鹵水[95],在淺表層火壤中的賦存的狀態(tài)可能為(含鹽)水冰混合凍土或者純冰層[95,96,97,98]。根據(jù)地表含鹽凍土的研究,(含鹽)水冰的參與會(huì)改變火壤的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致火壤物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生極大的變化,并且氯鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等不同成分的鹽類和不同濃度的鹽類產(chǎn)生的影響有所不同[99,100,101]。鳳凰號(hào)在火星表面的反鏟作業(yè)中遇到的阻力在3～5cm深的凍土界面上隨著火壤深度的增加而變強(qiáng),這些火壤在外觀和性質(zhì)上與海盜二號(hào)所拍攝和挖掘的粘性較弱的殼狀-塊狀火壤相似,并且認(rèn)為吸附的H2O是導(dǎo)致火壤性質(zhì)變化和內(nèi)聚力強(qiáng)度變化的主要原因[102]。但相關(guān)類型火壤模擬研制工作滯后,少量學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)試驗(yàn),如國(guó)外學(xué)者在JSCMars-1中添加不同含量的蒸餾水冷凍后測(cè)試了抗彎強(qiáng)度和彈性模量,未進(jìn)行取樣試驗(yàn)[103]。有國(guó)內(nèi)學(xué)者利用含冰模擬火壤開(kāi)展了鉆取試驗(yàn)[94],但公開(kāi)資料較少。

　　3.3 模擬火壤制備技術(shù)有待進(jìn)一步改善

　　從模擬火壤研制發(fā)展歷程來(lái)看,其研制的目的決定了原料的選取,原料的差異決定了制備工藝的區(qū)別。傳統(tǒng)模擬火壤的制備方法總結(jié)為全巖模擬法和單礦物模擬法。全巖模擬法通常選取礦物成分和化學(xué)成分與模擬對(duì)象相似的巖石,原料經(jīng)過(guò)烘干后破碎篩分成不同粒級(jí)半成品,然后根據(jù)模擬對(duì)象特性進(jìn)行混合,原料為單一來(lái)源。單礦物模擬法根據(jù)研制目的需求選用單一礦物作為原料,或根據(jù)模擬對(duì)象的物質(zhì)組成比選用不同礦物作為原料,烘干后分別破碎篩分成不同粒級(jí)的半成品,根據(jù)模擬對(duì)象的特性決定原料的成分和比例并混合。火壤是巖石經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)風(fēng)化綜合作用的產(chǎn)物,由于地球和火星巖石演化的差異性,全巖模擬法中地球的天然巖石樣品無(wú)法兼顧所有礦物和化學(xué)成分的比例相似(如Fe2+/Fe3+)。而單礦物模擬法中,樣品顆粒形態(tài)多以礦物碎屑為主,而非火壤的巖石碎屑,其物理力學(xué)性質(zhì)具有一定差異,無(wú)法兼顧。

　　4、結(jié)論與展望

　　本文對(duì)典型模擬火壤的化學(xué)性質(zhì)、礦物種類和物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),提出了當(dāng)前模擬火壤研究中存在的問(wèn)題,針對(duì)上述問(wèn)題,本文認(rèn)為未來(lái)模擬火壤的研制工作存在以下趨勢(shì)和方向:

　　1)開(kāi)展模擬火壤剖面研究工作。可在野外選擇風(fēng)化玄武巖天然剖面進(jìn)行相關(guān)測(cè)試工作,結(jié)合火星其他數(shù)據(jù)和輪壤相互作用,在室內(nèi)構(gòu)建模擬火壤剖面。

　　2)開(kāi)展不同類型模擬火壤研制工作。模擬火星低溫環(huán)境,開(kāi)展(含鹽)凍土型模擬火壤、極端工況型等不同類型模擬火壤研制工作,豐富模擬火壤種類。

　　3)積極探索模擬火壤制備新方法。目前,JMSS-1型模擬火壤嘗試采用全巖模擬法添加單礦物進(jìn)行成分優(yōu)化,MGS-1型模擬火壤采用新方法融合多種礦物,再進(jìn)行破碎從在化學(xué)成分、光譜特征和物理力學(xué)性質(zhì)方面均做到了一定的相似性,獲得了一定的成果。持續(xù)開(kāi)展新技術(shù)和新方法研究,將全巖模擬法和單礦物模擬法有機(jī)結(jié)合在一起,將是未來(lái)模擬火壤制備方法的發(fā)展趨勢(shì)。

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