葉斌龍，趙健楠，黃俊*

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院 行星科學(xué)研究所，武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院 地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

美國(guó)2020火星車著陸區(qū)遴選進(jìn)展及對(duì)2020中國(guó)火星任務(wù)著陸探測(cè)部分的一些思考

葉斌龍1,2，趙健楠1,2，黃俊1,2*

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院 行星科學(xué)研究所，武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院 地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

總結(jié)了近20年來(lái)火星探測(cè)的重要發(fā)現(xiàn)以及生命、氣候和地質(zhì)3個(gè)方面尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題；介紹了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2020火星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)、科學(xué)載荷和著陸區(qū)選擇的工程條件限制，并重點(diǎn)分析了經(jīng)過(guò)3次著陸區(qū)選擇研討會(huì)，上百位行星科學(xué)家投票選取的排名前3的預(yù)選著陸區(qū)的地質(zhì)情況。在此基礎(chǔ)上，提出了對(duì)我國(guó)2020年火星任務(wù)的著陸探測(cè)部分的一些思考，并根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)（聚焦生命、氣候和地質(zhì)問(wèn)題；支持載人火星探測(cè)的資源勘察；工程技術(shù)驗(yàn)證）提出了3個(gè)候選著陸區(qū)。

火星探測(cè)；著陸區(qū)遴選；行星地質(zhì)；天體生物學(xué)；行星氣候

0 前 言

人類很早就注意到夜空中紅色的火星，古羅馬人稱之為Mars，意思為戰(zhàn)神。17世紀(jì)以來(lái)，人類開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡對(duì)火星進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了火星兩極的白色極冠和反照率變化的表面區(qū)域。20世紀(jì)60年代以來(lái)，人類利用飛行器對(duì)火星進(jìn)行飛越、軌道環(huán)繞、著陸和巡視等探測(cè)活動(dòng)。軌道環(huán)繞探測(cè)獲得了大量的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，大大加深了我們對(duì)于這顆紅色星球的認(rèn)識(shí)：全球的地形[1]、地質(zhì)構(gòu)造和過(guò)程[2]、表面礦物和元素組成[3-6]、近地表水的分布[7-9]、固有的剩余磁場(chǎng)[10]、重力場(chǎng)和地殼結(jié)構(gòu)[11]、大氣組成及其隨時(shí)間變化的特征[12-15]等。另一方面，這些遙感數(shù)據(jù)為后續(xù)著陸和巡視探測(cè)提供支持：“海盜號(hào)”（Viking）和“鳳凰號(hào)”（Phoenix）著陸器、“旅行者號(hào)”（Sojourner）、“勇氣號(hào)”（Spirit）、“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）和“好奇號(hào)”（Curiosity）等巡視器成功地執(zhí)行了表面探測(cè)任務(wù)，獲得了表面形貌、地層、礦物和元素成分以及大氣-表面相互作用的詳細(xì)信息。

在未來(lái)的20年，人類對(duì)于火星的探測(cè)將進(jìn)入一個(gè)新的高潮：歐洲航天局（ESA）的新一代火星探測(cè)任務(wù)ExoMars 2016已經(jīng)成功發(fā)射；阿聯(lián)酋的火星環(huán)繞軌道器及其科學(xué)載荷也正在研制，計(jì)劃于2020年發(fā)射；美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的Insight飛船正在進(jìn)行調(diào)試，準(zhǔn)備2018年發(fā)射；樣品采集巡視器及其科學(xué)載荷正在緊張研制中，瞄準(zhǔn)2020年的發(fā)射窗口；為了2020火星任務(wù)的科學(xué)產(chǎn)出最大化，NASA已經(jīng)召集上百名火星探測(cè)的科學(xué)家召開(kāi)了3次著陸區(qū)遴選會(huì)議，并確定了3個(gè)備選區(qū)。2017年5月，NASA宣布將于2033年左右實(shí)現(xiàn)載人登陸火星的計(jì)劃。中國(guó)的火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施，探測(cè)器由環(huán)繞軌道飛行的衛(wèi)星和著陸探測(cè)器（著陸器和巡視器）組成，并計(jì)劃于2020年發(fā)射。選擇符合工程技術(shù)條件，又具有重大科學(xué)意義的著陸區(qū)對(duì)于中國(guó)首次獨(dú)立自主地開(kāi)展火星探測(cè)任務(wù)并獲得新的重大發(fā)現(xiàn)十分關(guān)鍵。本文將首先總結(jié)近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外火星探測(cè)的重要進(jìn)展和存在的主要科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)而介紹美國(guó)2020火星車著陸區(qū)遴選的進(jìn)展及我們對(duì)中國(guó)2020火星任務(wù)著陸探測(cè)部分的一些思考。

1 火星探測(cè)科學(xué)成果簡(jiǎn)述與尚未解決的問(wèn)題

本節(jié)主要從生命、氣候和地質(zhì)3個(gè)方面來(lái)闡述火星探測(cè)的科學(xué)成果和存在的問(wèn)題。

1.1 生 命

國(guó)際上探測(cè)火星最重要的目標(biāo)之一是尋找生命。由于對(duì)生命直接進(jìn)行探測(cè)比較困難，NASA把確定火星上現(xiàn)今或曾經(jīng)是否存在適合生命生存的環(huán)境作為火星探測(cè)任務(wù)的一個(gè)重要目標(biāo)。對(duì)于火星生命的探測(cè)和研究，能夠間接幫助我們了解地球早期生命的起源與演化，具有十分重要的天體生物學(xué)意義。

探測(cè)數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)在的火星表面寒冷、干燥、氧化、輻射強(qiáng)，這些條件都不利于生命的生存。然而，火星的次表層可能出現(xiàn)間歇性的液態(tài)水，并很可能是混合著冰的鹵水[16-17]，因而次表層可能比表面更適合生命的生存。在地表數(shù)千米以下，較高的溫度能夠讓孔隙水保持液態(tài)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水循環(huán)可以支持深部地下的生物圈[18-19]。最近研究人員在火星南半球中緯度地區(qū)某些撞擊坑的坑壁上觀察到了一些隨季節(jié)變化的線狀構(gòu)造——季節(jié)性斜坡線紋（Recurring Slope Lineae）。它們很可能是含高氯酸鹽的鹵水活動(dòng)的痕跡[20-22]，但其成因爭(zhēng)議很大。另一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是火星大氣中的甲烷。由于甲烷較為容易發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，很難長(zhǎng)期存在于大氣中，因此推測(cè)火星的某些區(qū)域現(xiàn)今仍在釋放甲烷[23]。甲烷的產(chǎn)生可能是生物成因或非生物成因，需要進(jìn)一步的研究。

火星軌道傾角的變動(dòng)，也會(huì)影響水冰的分布。現(xiàn)在其自轉(zhuǎn)軸的傾角大約在25°，但是在過(guò)去的一千萬(wàn)年中，其最大值可達(dá)46°[24]。如此高的傾角使得大氣中的水含量上升，表面的冰層從兩極轉(zhuǎn)移到較低的緯度，從而使得赤道附近的地下冰層穩(wěn)定存在[25-26]。在次表層可能形成了宜居的環(huán)境。

與現(xiàn)在的環(huán)境相比，諾亞紀(jì)的火星氣候更加溫暖和濕潤(rùn)。利用遙感數(shù)據(jù)，前人通過(guò)分析火星地貌和成分信息，發(fā)現(xiàn)了大量液態(tài)水在表面和地下活動(dòng)的痕跡[27-28]。早期的火星火山作用與撞擊作用非?；钴S，可能發(fā)育熱液系統(tǒng)，形成了能夠維持生命活動(dòng)的環(huán)境[29-31]。大約在西方紀(jì)，大部分有流水特征的河道可能是由于次表層水短時(shí)間大量釋放形成的[32]。在地下的深處，仍可能存在著適宜生命居住的環(huán)境。

即使現(xiàn)在有大量的證據(jù)表明火星曾經(jīng)適合生命生存，但一系列問(wèn)題仍未解決，火星在什么時(shí)間和區(qū)域適合生命生存，持續(xù)的時(shí)間有多長(zhǎng)？哪些物化條件影響著火星的宜居環(huán)境？是否有任何形式的生命存在過(guò)？如果有，怎樣才能尋找到這些可能存在的生命痕跡，如在宜居環(huán)境中尋找有特定分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物、微生物組織纖維等細(xì)胞化石、穩(wěn)定同位素特征、生物建造的沉積結(jié)構(gòu)和礦物證據(jù)等？

未來(lái)我們?nèi)孕柚攸c(diǎn)探測(cè)火星上多樣的適合生命生存的環(huán)境，如湖泊沉積環(huán)境、火山熱液環(huán)境、撞擊坑熱液系統(tǒng)等，對(duì)這些潛在的宜居環(huán)境進(jìn)行深入研究。其中就位探測(cè)和采樣返回是最有效的研究手段。對(duì)適合生命生存的地點(diǎn)和保存生物標(biāo)記物的地點(diǎn)的沉積物進(jìn)行探測(cè)，重建火星的沉積歷史，了解火星地質(zhì)、氣候和生物過(guò)程。采集樣品返回地球進(jìn)行更深入的礦物學(xué)和地球化學(xué)分析，研究礦物形成和保存的環(huán)境等[27,31,33]，有望解決火星是否存在地外生命的問(wèn)題。同時(shí)，可以在地球上與火星相似的極端環(huán)境（如柴達(dá)木盆地）開(kāi)展相關(guān)的天體生物學(xué)研究[34]，探索火星生命存在的可能性。對(duì)于次表層的宜居環(huán)境，可以通過(guò)研究火星大氣的微量元素或者利用地球物理等手段進(jìn)行探測(cè)。

1.2 氣 候

對(duì)氣候的研究目前仍是火星探測(cè)的一個(gè)重要方面。氣候深刻影響著可能的生命生存的環(huán)境，并與表面地貌相互作用。對(duì)火星氣候的研究也能夠幫助我們了解地球的氣候變化。

多年的探測(cè)任務(wù)獲取了大量的數(shù)據(jù)，表明現(xiàn)代的火星氣候系統(tǒng)非常復(fù)雜和多樣。最主要的過(guò)程是塵埃循環(huán)、二氧化碳循環(huán)、水循環(huán)和大氣之間的相互作用。塵埃會(huì)影響大氣的輻射特性。在火星上有多種與塵埃有關(guān)的氣候現(xiàn)象，如塵卷風(fēng)與沙塵暴等[35]，但是尚不清楚它們的成因，也不清楚沙塵暴是如何擴(kuò)大到全球范圍的[36-37]。在秋冬季節(jié)，大氣中的二氧化碳會(huì)在高緯度地區(qū)沉降下來(lái)形成干冰。在春夏季節(jié)，極冠中的干冰會(huì)升華。二氧化碳在大氣和極區(qū)表面之間的循環(huán)導(dǎo)致了火星大氣壓力的季節(jié)性變化[38]。水蒸氣也會(huì)在表面與大氣之間循環(huán)，形成云、霧和霜。近年來(lái)在南極極冠中發(fā)現(xiàn)了水冰[39]，推翻了前人南極極冠全部由干冰組成的認(rèn)識(shí)。極區(qū)堆積物的厚度達(dá)到3 000 m[40]，含有層狀的冰和塵埃，記錄了火星過(guò)去幾百萬(wàn)年來(lái)的二氧化碳循環(huán)、水循環(huán)和塵埃循環(huán)[41-42]，因此是相關(guān)研究重要的素材。

環(huán)繞火星的“火星偵察衛(wèi)星”（Mars Reconnaissance Orbiter）探測(cè)器的“Mars Climate Sounder”載荷和“火星快車號(hào)”（Mars Express）探測(cè)器上的SPICAM載荷通過(guò)測(cè)量不同高度的大氣溫度來(lái)觀察大氣的循環(huán)，發(fā)現(xiàn)火星大氣非?；钴S[43-44]。2014年入軌的MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile Evolution）探測(cè)器也為火星氣候研究帶來(lái)大量新的認(rèn)識(shí)，如：測(cè)量了火星的熱層和電離層的成分結(jié)構(gòu)及其隨高度的變化特征，為火星大氣揮發(fā)分的逃逸過(guò)程提供了制約[15]；觀察到了極光[45]與距表面150～1 000 km的塵埃[46]；結(jié)合“好奇號(hào)”（Curiosity）火星車上搭載的采樣分析儀獲取的表面大氣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)火星在過(guò)去的40億年中損失了大量的大氣，這個(gè)結(jié)果表明火星早期的大氣比現(xiàn)今更加濃密[47]。雖然目前我們?nèi)詿o(wú)法了解火星大氣散失的全貌，但這些數(shù)據(jù)都表明火星上層大氣對(duì)于火星氣候的演化有著重要的影響，也間接地影響火星的水與環(huán)境宜居性[14]。另外一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是在火星大氣中檢測(cè)到甲烷[48]。在2016年底入軌的微量氣體軌道器（Trace Gas Orbiter）就是專門(mén)研究火星大氣的微量氣體，特別是甲烷，有望解決甲烷的成因。軌道器獲得的高分辨率影像，觀察到了大量的現(xiàn)象，如沙丘的移動(dòng)[49]和高緯度的二氧化碳升華形成不同形狀的形貌[50-51]，這也表明現(xiàn)在火星的氣候活動(dòng)十分活躍。

另一方面，通過(guò)分析火星表面的地貌和成分?jǐn)?shù)據(jù)，表明了火星曾經(jīng)的氣候系統(tǒng)可能與現(xiàn)在非常不同，古代火星的大氣壓力和溫度可能比現(xiàn)在高得多，液態(tài)水能夠間歇或長(zhǎng)期地存在于表面[5,28,32,52]。由于太陽(yáng)早期比現(xiàn)在要暗約25%，而且火星距離太陽(yáng)相對(duì)于地球更遠(yuǎn)，更難以形成溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境，因此多種假說(shuō)，如強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)、火山噴發(fā)、云、隕石撞擊等被用來(lái)解釋這種現(xiàn)象，但各自也存在著問(wèn)題[30,53-55]。

目前，關(guān)于火星氣候的認(rèn)識(shí)依然很少，一系列問(wèn)題仍需要深入研究，如確定高層大氣逃逸的速率、逃逸氣體的種類，從而了解火星大氣逃逸的機(jī)制，了解火星大氣的演化；研究火星大氣在垂直方向上不同氣體的分布，為大氣模型提供制約。同時(shí)，火星大氣的光化學(xué)反應(yīng)和動(dòng)力過(guò)程非常復(fù)雜，這些光化學(xué)反應(yīng)影響著火星的水循環(huán)、二氧化碳循環(huán)和塵埃循環(huán)，也影響著大氣的動(dòng)力過(guò)程。我們需要進(jìn)一步研究這些光化學(xué)反應(yīng)的種類、反應(yīng)速率和全球的分布情況以及光化學(xué)反應(yīng)對(duì)于火星大氣逃逸的影響。就位探測(cè)任務(wù)可以攜帶相關(guān)的氣象儀器，測(cè)量風(fēng)向、壓力、溫度和濕度等物理量，監(jiān)測(cè)水的蒸發(fā)、云的活動(dòng)、表面霜的活動(dòng)，揮發(fā)份的運(yùn)輸和存儲(chǔ)等，研究特定的氣候過(guò)程（如云的活動(dòng)），在全火星建立一個(gè)氣象網(wǎng)絡(luò)。此外，也可以尋找相關(guān)的地質(zhì)記錄，如對(duì)極地的層狀沉積物進(jìn)行就位探測(cè)，測(cè)量其粒度、灰塵的成分、層厚和年齡等。

1.3 地 質(zhì)

在地球上，早期（早于25億年的冥古宙和太古宙）的地質(zhì)記錄保存極少，大多被板塊活動(dòng)破壞掉。而火星地殼的平均年齡比地球老，不存在板塊活動(dòng)或在其早期就停止了，提供了一個(gè)窗口使我們了解類地行星形成早期的狀態(tài)以及演化過(guò)程。同時(shí)，火星的地質(zhì)演化歷史對(duì)于研究火星的生命和氣候也有非常重要的意義。

火星地殼的形成經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程，并受到后期地質(zhì)作用的不斷改造[5,56-57]?；鹦潜砻娉雎队写罅?5～37億年的地質(zhì)單元，是其早期的地質(zhì)記錄，主要分布在布滿大量撞擊坑的南部高地上。前人在這些單元上發(fā)現(xiàn)了表層液態(tài)水的痕跡，包括湖泊、河谷網(wǎng)絡(luò)和厚層狀沉積巖等[58-59]，但是水成礦物很少與這些峽谷網(wǎng)絡(luò)共生。近年來(lái)隨著遙感探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，儀器空間分辨率和光譜分辨率的提高，使軌道器發(fā)現(xiàn)了許多新礦物，如層狀硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽和氯鹽[5,60-63]。不同的礦物組合指示了環(huán)境的多樣性，如不同的水（鹵水）化學(xué)條件，pH的環(huán)境等[64-66]。如在早期火星的地層中發(fā)現(xiàn)碳酸鹽沉積物[67-68]，表明火星早期的環(huán)境不都是偏酸性的，更有利于生命的出現(xiàn)。

就位探測(cè)發(fā)現(xiàn)了更多的指示水活動(dòng)的礦物組合，如“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）巡視器在子午線高原（Meridiani Planum） 發(fā)現(xiàn)赤鐵礦[69-70]、黃鉀鐵礬[71]等硫酸鹽。對(duì)于地層序列的研究表明，可能是由于地下水上涌形成的，類似于地球的薩布哈（Sabkha）沉積環(huán)境[27,72]?！坝職馓?hào)”（Spirit）巡視器在古瑟夫（Gusev）撞擊坑的著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的巖漿巖、層狀硅酸鹽、碳酸鹽、含鐵硫酸鹽、鹵化物、高硅物質(zhì)，據(jù)此推測(cè)該區(qū)域存在過(guò)熱液系統(tǒng)環(huán)境[33]?！傍P凰號(hào)”著陸器發(fā)現(xiàn)其登陸點(diǎn)周圍土壤的化學(xué)成分具有中性的pH值，并含有高氯酸鹽[73-74]?！昂闷嫣?hào)”火星車相當(dāng)于一臺(tái)移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)蓋爾（Gale）撞擊坑進(jìn)行探測(cè)，認(rèn)為該著陸點(diǎn)可能為一個(gè)古湖泊，可能適合生命的生存[75]。

火星內(nèi)部的演化也是火星地質(zhì)的重要研究?jī)?nèi)容?；鹦请E石的放射性同位素和地磁數(shù)據(jù)顯示火星分異于其形成的早期（大約在其形成后的25～100 Ma之間）。大量的盾形火山，如塔爾西斯（Tharsis）、埃律西昂（Elysium）和環(huán)海拉斯（Hellas）盆地區(qū)域的火山）釋放了大量的酸性揮發(fā)物到大氣中，影響著火星的氣候，也在地質(zhì)、構(gòu)造和熱演化方面發(fā)揮了顯著的作用[56,59,76]。同時(shí)，火星磁場(chǎng)的丟失也對(duì)火星大氣的逃逸過(guò)程有重要的影響[59,77]。總之，火星內(nèi)部的演化與火星表面及火星大氣有非常緊密的聯(lián)系。

過(guò)去20年對(duì)火星的探測(cè)任務(wù)帶來(lái)了大量新的認(rèn)識(shí)，但也帶來(lái)了大量重要的新問(wèn)題：火星早期的氣候變化是什么時(shí)候發(fā)生的，為什么發(fā)生和如何發(fā)生的？不同沉積單元反映了什么環(huán)境，其形成時(shí)間是什么時(shí)候？蝕變礦物的組成是什么，是怎樣形成的？檢測(cè)到的甲烷的成因是什么？火星的碳循環(huán)是怎樣的？火星的巖漿巖的特征怎么樣，是怎么形成的，形成年代是什么時(shí)候？火星隕石與火星表面關(guān)系是怎么樣的？極區(qū)層狀沉積物和沉積巖是如何記錄現(xiàn)在和過(guò)去的氣候、火山作用的？火星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是怎樣的？火星是怎樣分異的？是否存在板塊構(gòu)造？火星的發(fā)電機(jī)是怎樣演化的？火星現(xiàn)在的構(gòu)造、地震和火山活動(dòng)是怎樣的？火星的地殼為什么會(huì)出現(xiàn)二分性？火星的巖石圈結(jié)構(gòu)是怎樣的？火星的整體、地幔和地核的成分是什么？火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣影響磁場(chǎng)、大氣和環(huán)境宜居性的？火星磁場(chǎng)是怎么丟失的？

為了回答以上問(wèn)題，加深我們對(duì)火星地質(zhì)演化過(guò)程的了解，需要綜合利用遙感數(shù)據(jù)和就位探測(cè)數(shù)據(jù)，并開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。更有效的手段是返回重要的火星樣品，在地球?qū)嶒?yàn)室內(nèi)進(jìn)行深入的巖石學(xué)、礦物學(xué)、巖石地球化學(xué)的分析，從而了解火星的地質(zhì)演化。目前，對(duì)火星內(nèi)部的探測(cè)非常少，2018年將要發(fā)射的InSight探測(cè)器將會(huì)大大加深我們對(duì)火星內(nèi)部構(gòu)造的了解，包括巖石圈的結(jié)構(gòu)和厚度、現(xiàn)在的地震與火山活動(dòng)等。同時(shí)，也需要獲取更多的地球物理數(shù)據(jù)，如熱流值，從而更好地限定火星內(nèi)部的礦物、密度、溫度以及結(jié)構(gòu)等，為模型提供邊界條件。

2 美國(guó)2020火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)

NASA正在進(jìn)行2020火星探測(cè)任務(wù)的儀器研制和飛船建造工作，同時(shí)在遴選具有重要科學(xué)意義的著陸區(qū)。這個(gè)任務(wù)將搜尋火星的生命痕跡，并加深對(duì)火星的地質(zhì)演化和過(guò)去環(huán)境宜居性的認(rèn)識(shí)。整個(gè)項(xiàng)目的預(yù)算為21億美元，計(jì)劃于2020年發(fā)射。飛船將利用類似“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的飛行系統(tǒng)（如天空起重機(jī)等），對(duì)火星表面的著陸區(qū)進(jìn)行大約一個(gè)火星年（約690個(gè)地球日）的巡視探測(cè)，并對(duì)具有重要科學(xué)意義的樣品進(jìn)行采集和封裝，為將來(lái)樣品返回地球做準(zhǔn)備。同時(shí)，這個(gè)項(xiàng)目也能為未來(lái)載人火星任務(wù)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

該任務(wù)主要包括以下四大科學(xué)目標(biāo)：

1）探索與天體生物學(xué)相關(guān)的火星古環(huán)境，從而解譯其地質(zhì)過(guò)程與地質(zhì)歷史，包括評(píng)估以往的宜居性

探測(cè)火星潛在生物標(biāo)記物保存的區(qū)域，了解該區(qū)域的環(huán)境狀況及宏觀和微觀的過(guò)程。對(duì)比研究已知的有生命存在的類似環(huán)境，評(píng)價(jià)該區(qū)域的宜居性。探索相關(guān)的地質(zhì)過(guò)程，重建其地質(zhì)歷史。這些工作需要利用巡視器對(duì)火星著陸區(qū)進(jìn)行就位探測(cè)。巡視器搭載的科學(xué)載荷能夠?qū)χ憛^(qū)的巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物、化學(xué)成分和有機(jī)物進(jìn)行探測(cè)。結(jié)合軌道探測(cè)的遙感數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)的地質(zhì)情況，解釋包括地質(zhì)過(guò)程與地質(zhì)歷史等在內(nèi)的諸多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，如水的作用時(shí)間和范圍，巖漿作用活動(dòng)的時(shí)間，環(huán)境是否適合生命的生存。更重要的是尋找具有代表性的古環(huán)境樣品，采集并保存起來(lái)，為返回地球進(jìn)行更加全面和深入的研究做好準(zhǔn)備。

2）在選擇的地質(zhì)環(huán)境中評(píng)價(jià)生物標(biāo)記物保存的可能性并尋找潛在的生物標(biāo)記物

探索火星最主要的目的之一是確認(rèn)是否存在地外生命。在太陽(yáng)系中，火星與地球的氣候最為相似。目前一些證據(jù)支持火星曾經(jīng)有液態(tài)水的活動(dòng)，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)適合生命生存的環(huán)境。評(píng)估生物標(biāo)記物保存的可能性并尋找可能的生物標(biāo)記物，可以幫助確認(rèn)火星生命是否存在過(guò)。生物標(biāo)記物是由生物作用產(chǎn)生的物質(zhì)或痕跡，例如幾乎不可能在沒(méi)有生命存在的環(huán)境下形成和富集的復(fù)雜的有機(jī)分子。生物標(biāo)記物不可能孤立地出現(xiàn)，一般會(huì)和相關(guān)的環(huán)境緊密聯(lián)系在一起，因此尋找生物標(biāo)記物也對(duì)評(píng)估環(huán)境有著重要的作用。

3）為后續(xù)帶回具有重要科學(xué)意義并具有詳細(xì)記錄的樣品進(jìn)行技術(shù)積累

通過(guò)軌道探測(cè)和就位探測(cè)，大大加深了我們對(duì)于火星的認(rèn)識(shí)，但是一些非常重要的科學(xué)問(wèn)題，如精確定年、尋找生命、重建環(huán)境演化歷史（地表、水下、還原、氧化）和地質(zhì)事件（火山灰的沉降、熔巖流動(dòng)、斷層活動(dòng)、巖脈充填），都需要通過(guò)對(duì)帶回的樣品進(jìn)行深入的研究才能解決。然而火星采樣返回是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)的任務(wù)，基于經(jīng)費(fèi)和技術(shù)的限制，2020火星探測(cè)任務(wù)只是整個(gè)采樣返回任務(wù)的第一步。其將驗(yàn)證新的技術(shù)，并為帶回樣品的后續(xù)任務(wù)提供技術(shù)積累。

4）為載人探測(cè)和操控任務(wù)指揮部或空間技術(shù)計(jì)劃提供參與機(jī)會(huì)

NASA的載人探測(cè)和操控任務(wù)指揮部（Human Exploration and Operations Mission Directorate,HEOMD）計(jì)劃開(kāi)展地月空間、近地小行星、火星及其衛(wèi)星的載人探測(cè)任務(wù)。火星2020任務(wù)主要可以從以下3個(gè)方面支持計(jì)劃2035年發(fā)射的載人火星探測(cè)任務(wù)：①任務(wù)設(shè)計(jì)，如通過(guò)對(duì)火星大氣密度和風(fēng)的研究改進(jìn)現(xiàn)有的火星進(jìn)入、下降和著陸技術(shù)等；②人員的生命安全，如行星間航行和火星表面的輻射、有毒物質(zhì)（如塵埃）或可能的地外生命的威脅；③任務(wù)的實(shí)施，如避免污染火星的特定區(qū)域，以及避免火星塵埃導(dǎo)致電子設(shè)備的故障等。

3 科學(xué)載荷簡(jiǎn)介

以上述科學(xué)目標(biāo)為指引，NASA向全世界公開(kāi)征集火星2020任務(wù)的科學(xué)載荷，經(jīng)過(guò)評(píng)審選擇了下列科學(xué)儀器①https://mars.nasa.gov/mars2020/mission/instruments/。。

3.1 桅桿相機(jī)（Mastcam-Z）

桅桿相機(jī)是一個(gè)能夠獲得立體像對(duì)的多光譜相機(jī)，將會(huì)安裝在2020火星車的桅桿上。這個(gè)設(shè)備能夠拍攝極高分辨率的彩色圖像和立體全景圖像，也能獲取每秒4幀的錄像，從而記錄一些動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象，如沙塵暴、云的活動(dòng)和天文現(xiàn)象等。桅桿相機(jī)還配備了帶通濾波器（400～1 000 nm），可獲得多光譜數(shù)據(jù)，從而區(qū)分沒(méi)有風(fēng)化和已經(jīng)風(fēng)化了的物質(zhì)，也可區(qū)分硅酸鹽、氧化物、氫氧化物以及一些與水環(huán)境相關(guān)的礦物等。

通過(guò)這個(gè)載荷，我們可以獲取火星車周圍的地形地貌、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物形態(tài)等信息。其還能約束火星巖石的類型，了解地質(zhì)單元的成因，重建地質(zhì)歷史。同時(shí)也可以獲取大氣與表面相互作用的信息，從而評(píng)估現(xiàn)今的大氣和天氣狀況。

3.2 火星環(huán)境動(dòng)力分析儀

火星環(huán)境動(dòng)力分析儀（Mars Environmental Dynamics Analyzer）是一套用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器集合，能夠記錄塵埃的光學(xué)性質(zhì)和大氣參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、相對(duì)濕度、空氣溫度和地面溫度），也可以獲取大氣氣溶膠的性質(zhì)。該載荷能夠幫助我們了解火星的以下情況：①中尺度的表面環(huán)流現(xiàn)象的痕跡；②小尺度的氣象系統(tǒng)（熱流，邊界層湍流、漩渦和沙塵暴）；③當(dāng)?shù)氐乃h(huán)（空間和時(shí)間的多樣性、風(fēng)化層的擴(kuò)散傳輸）；④塵埃的光學(xué)性質(zhì)、光解的速率、臭氧氣柱、氧化產(chǎn)物等。

3.3 火星氧元素原位資源利用實(shí)驗(yàn)儀

火星氧元素原位資源利用實(shí)驗(yàn)儀（Mars Oxygen ISRU Experiment）能夠消耗火星大氣中的二氧化碳來(lái)生產(chǎn)氧氣，主要由二氧化碳獲取壓縮系統(tǒng)和固體氧化物電解槽兩部分組成。首先，二氧化碳獲取壓縮系統(tǒng)收集并且過(guò)濾火星大氣中的二氧化碳，然后通過(guò)固體氧化物電解槽，利用電化學(xué)的方法將二氧化碳分解成氧氣和一氧化碳，最后將廢氣排出。

這個(gè)載荷不僅能在該任務(wù)中驗(yàn)證原位資源利用技術(shù)，利用火星大氣生產(chǎn)可供呼吸的和作為火箭燃料的氧氣，為人類探測(cè)火星任務(wù)做準(zhǔn)備，也能測(cè)量大氣塵埃的大小和形態(tài)，了解塵埃對(duì)火星表面環(huán)境的影響。

3.4 X射線巖石化學(xué)行星載荷

X射線巖石化學(xué)行星載荷（Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry）是2020火星車的X光熒光微成像儀，對(duì)目標(biāo)巖石和土壤發(fā)射X射線，然后通過(guò)分析其誘發(fā)出來(lái)的X光熒光獲取亞毫米級(jí)的物質(zhì)化學(xué)成分。該載荷能夠探測(cè)以下元素：Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Y、Ga、Ge、As、Zr，其中包含一些重要的示蹤元素如Rb、Sr、Y和Zr，檢出限為10 ppm。

大量地質(zhì)現(xiàn)象，如紋層、粒度、膠結(jié)物、脈體和結(jié)核的化學(xué)成分在空間上會(huì)有變化，該儀器能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)這些結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進(jìn)行掃描，獲取不同部位的化學(xué)成分。其還能獲取全巖的化學(xué)成分，與以往行星探測(cè)任務(wù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.5 火星次表層雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)儀

火星次表層雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)儀（Radar Imager for Mars’ subsurFAce eXperiment,RIMFAX）是一個(gè)探地雷達(dá)，能夠獲取高分辨率的火星次表層的結(jié)構(gòu)，約束著陸區(qū)下伏物質(zhì)的性質(zhì)。它由安裝在火星車內(nèi)部的電子單元和固定在外部的天線組成，能夠發(fā)射150 MHz～1.2 GHz頻率的雷達(dá)脈沖信號(hào)，理論上在垂直方向上的分辨率為14.2 cm。它在火星車的行進(jìn)過(guò)程中工作，并能夠運(yùn)行在不同模式?；鹦擒嚸啃旭?0 cm，其會(huì)默認(rèn)切換成深部穿透或淺部穿透模式。該儀器預(yù)計(jì)能獲取次表層10 m內(nèi)的信息。如果次表層的物質(zhì)對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的衰減作用較小，其可能會(huì)獲得更深的信息。利用該儀器，可以探測(cè)：①風(fēng)化層的厚度和范圍；②次表層的地層，并與地面的地層露頭進(jìn)行對(duì)比；③采集和保存樣品所在地層剖面的特征。

3.6 宜居環(huán)境有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)拉曼與冷發(fā)光掃描探測(cè)儀

宜居環(huán)境有機(jī)物和化學(xué)物質(zhì)拉曼與冷發(fā)光掃描探測(cè)儀（Scanning Habitable Environments with Raman &Luminescence for Organics & Chemicals）是一種深紫外共振拉曼和熒光光譜儀，它將被固定在機(jī)械臂上，利用248.6 nm的激光獲取小于100 μm束斑內(nèi)物質(zhì)的成分。該儀器對(duì)于芳香族有機(jī)物和碳聚合物的探測(cè)非常靈敏，也可以探測(cè)到脂肪族有機(jī)物。除了有機(jī)物，還能夠檢測(cè)到粒度在20 μm以下與水環(huán)境相關(guān)的礦物。

該載荷的目標(biāo)是評(píng)估火星過(guò)去的水歷史，探測(cè)生物標(biāo)記物，協(xié)助挑選火星樣品返回地球。其將測(cè)量礦物中的C、H、N、O、P和S等元素，測(cè)量火星表面的有機(jī)物的種類和分布，并探測(cè)具有相關(guān)紋理特征的物質(zhì)。

3.7 超級(jí)相機(jī)

超級(jí)相機(jī)（SuperCam）是一個(gè)遙感載荷，包含有遙感光學(xué)測(cè)量和激光光譜儀，能夠高效快捷地遠(yuǎn)距離獲取樣品高精度的礦物和化學(xué)信息、原子和分子的組成。該載荷包含4個(gè)光譜儀：①激光誘導(dǎo)剝蝕光譜儀（LIBS），使用1 064 nm的激光探測(cè)7 m以內(nèi)的目標(biāo)；②拉曼光譜儀，使用532 nm的激光探測(cè)12 m以內(nèi)的目標(biāo)；③時(shí)間分辨熒光光譜儀；④可見(jiàn)光和紅外反射光譜儀，波長(zhǎng)范圍400～900 nm和1.3～2.6 μm。利用這些光譜儀能夠獲取樣品的礦物信息、分子結(jié)構(gòu)，也能夠直接搜索有機(jī)物。同時(shí)，SuperCam的激光能夠清除樣品表面的灰塵，從遠(yuǎn)距離獲取灰塵下的表面物質(zhì)信息。該載荷還含有彩色遠(yuǎn)程微成像儀，能夠獲取高分辨率的樣品影像。

4 工程條件限制

NASA公布的火星2020探測(cè)任務(wù)的著陸區(qū)工程限制條件見(jiàn)表1，詳細(xì)說(shuō)明可以參考文獻(xiàn)[78]。

表1 2020火星車著陸區(qū)工程限制條件Table 1 Engineering constraints of Mars 2020 landing site selection

5 美國(guó)2020火星車備選著陸區(qū)（前3名簡(jiǎn)介）

圖1為本文介紹的所有備選著陸區(qū)。經(jīng)過(guò)3次著陸區(qū)選擇研討會(huì)，上百位行星科學(xué)家投票選取了3個(gè)預(yù)選著陸區(qū)：Jezero撞擊坑、NE Syrtis與Colunmbia Hills（Gusev），分別代表了可能的湖泊環(huán)境（Jezero）、地下熱液環(huán)境（NE Syrtis）和地表熱泉環(huán)境（Colunmbia Hill），都很可能孕育過(guò)生命，符合美國(guó)2020火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)與工程條件限制。下面將簡(jiǎn)要介紹這3個(gè)預(yù)選著陸區(qū)的地質(zhì)情況。經(jīng)過(guò)前兩次著陸區(qū)選擇研討會(huì)排名靠前的備選著陸區(qū)（3個(gè)預(yù)選著陸區(qū)除外）仍具有重要的科學(xué)意義，可以為后續(xù)的探測(cè)任務(wù)提供參考，它們的地質(zhì)特征詳見(jiàn)第8節(jié)附錄。全文制圖使用了美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的JMARS軟件。

5.1 Jezero撞擊坑

Jezero撞擊坑的中心位置為18.8 °N，77.5 °E，直徑約為49 km，位于大瑟提斯（Syrtis Major）火山的東部。該撞擊坑很可能曾經(jīng)是一個(gè)250 km3的湖泊。匯入其中的河流經(jīng)過(guò)了大面積區(qū)域，攜帶了不同地區(qū)的沉積物，在撞擊坑內(nèi)堆積形成了兩個(gè)三角洲，并出露了非常明顯的層狀沉積結(jié)構(gòu)[80-82]（圖2）。前人在該地區(qū)探測(cè)到大量與水環(huán)境相關(guān)的礦物：含F(xiàn)e/Mg的粘土礦物和碳酸鹽[82]，揭示了該區(qū)域曾經(jīng)存在穩(wěn)定的中性水體環(huán)境。特別是碳酸鹽，能夠幫助我們研究早期火星的碳循環(huán)。Fe/Mg粘土有利于有機(jī)物的保存[82]。撞擊坑內(nèi)有尚未蝕變的巖漿巖基底單元，可以利用其來(lái)改進(jìn)撞擊坑直徑分布統(tǒng)計(jì)定年的方法，對(duì)其進(jìn)行撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年的結(jié)果差異非常大[83-84]。

5.2 NE Syrtis

NE Syrtis的中心位置位于17.8 °N，77.1 °E，鄰近Jezero撞擊坑。該區(qū)域廣泛出露多個(gè)不同年齡的巖漿巖單元，從前諾亞紀(jì)的基底到早西方紀(jì)的熔巖流（圖3），對(duì)返回的樣品進(jìn)行精確定年能極大改進(jìn)現(xiàn)有的火星表面撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年的方法。同時(shí)，該區(qū)域廣泛分布含Al或Fe/Mg的層狀硅酸巖礦物、橄欖石、高嶺土、硫酸鹽和碳酸鹽[85-87]。大量的層狀硅酸鹽與碳酸鹽的發(fā)現(xiàn)表明該地區(qū)曾經(jīng)存在過(guò)堿性或中性水環(huán)境。因此，這樣的環(huán)境很可能孕育了生命，這些地質(zhì)記錄保存了過(guò)去氣候的信息。

NE Syrtis分布有大量的平頂山建造（圖3c）。自上而下，由蓋層、淺色塊狀單元、橄欖石與碳酸鹽混合的單元和含F(xiàn)e/Mg的層狀硅酸鹽單元組成，其成因有很大爭(zhēng)議。大量寬約10 m，長(zhǎng)約幾百米的脊?fàn)顦?gòu)造出露在這個(gè)區(qū)域（圖3d），其成因非常復(fù)雜，可能為破裂、斷層、剪切帶、巖墻和差異風(fēng)化的產(chǎn)物，也可能與Isidis撞擊后的熱液活動(dòng)有關(guān)[88]。

多種潛在的宜居環(huán)境、完整的諾亞紀(jì)到西方紀(jì)地層、多樣的礦物和多個(gè)巖漿巖單元能夠幫助我們解決火星諸多關(guān)鍵的天體生物學(xué)和行星演化的科學(xué)問(wèn)題。該地區(qū)曾經(jīng)入選為“好奇號(hào)”的預(yù)選著陸區(qū)。

圖1 本文介紹的所有備選著陸區(qū)Fig.1 Locations of landing site candidates discussed in this study

圖2 Jezero撞擊坑的地形地貌Fig.2 Landforms and topography of Jezero Crater

圖3 NE Syrtis的地形地貌Fig.3 Landforms and topography of NE Syrtis

5.3 Columbia Hills（Gusev）

Gusev撞擊坑的中心位置約為14.0 °S，175.4 °E，直徑約166 km。Columbia Hills位于Gusev撞擊坑的坑底（圖4a和圖4b）。著陸于此的“勇氣號(hào)”火星車翻越了Columbia Hills在Home Plate單元觀察到了地表出露的乳白色、微指突起狀的蛋白石（圖4c）。這些蛋白石的宏觀形貌和中紅外光譜特征非常類似在智利阿塔卡馬沙漠的熱液系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的生物成因的蛋白石（圖4d）。據(jù)此，Ruff和Farmer[90-91]認(rèn)為Home Plate單元中發(fā)現(xiàn)的微指突起狀蛋白石很可能是與生物相關(guān)的熱液系統(tǒng)形成的。這一點(diǎn)是支持該備選著陸區(qū)排名靠前的重要原因。

圖4 Gusev撞擊坑的地形地貌Fig.4 Landforms and topography of Gusev Crater

另外，Gusev撞擊坑內(nèi)還分布與橄欖石共存的Fe/Mg層狀硅酸鹽礦物、碳酸鹽、蛇紋石、硫酸鹽[92]。該區(qū)域廣泛出露多套尚未蝕變的玄武巖，可以作為年代學(xué)研究的重要樣品，校準(zhǔn)目前行星地質(zhì)學(xué)界廣泛用來(lái)確定火星表面絕對(duì)模式年齡的撞擊坑直徑-頻率分布統(tǒng)計(jì)法。

該備選區(qū)目前最主要的問(wèn)題是“勇氣號(hào)”火星車在該區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的科學(xué)探測(cè)，公眾心理上很難接受在有限的經(jīng)費(fèi)條件下，兩次探測(cè)同一片火星表面區(qū)域。

6 對(duì)于我國(guó)2020火星任務(wù)探測(cè)著陸部分的一些思考

我國(guó)的首次火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)立項(xiàng)并開(kāi)始實(shí)施。任務(wù)包括軌道器、著陸器和巡視器，并預(yù)計(jì)在2020年發(fā)射。這將是我國(guó)首次獨(dú)立自主地對(duì)火星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，選擇具有重大科學(xué)意義同時(shí)又符合工程限制條件的著陸點(diǎn)，將是獲得可能的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要保障。NASA是火星探測(cè)領(lǐng)域獲得最多重大科學(xué)成果的研究機(jī)構(gòu)，其歷次火星著陸探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，特別是其2020火星車的著陸區(qū)遴選策略值得認(rèn)真思考。

6.1 科學(xué)載荷的遴選和信息公開(kāi)

美國(guó)科學(xué)院在廣泛征集行星科學(xué)領(lǐng)域研究者的建議后，組織同行公認(rèn)的資深科學(xué)家對(duì)這些建議進(jìn)行總結(jié)，于2011年出版了2013—2022行星科學(xué)10年愿景[93]。在這份報(bào)告的火星探測(cè)部分，采樣返回被一致認(rèn)為是下一步火星探測(cè)最重要的任務(wù)。由于技術(shù)和資金的限制，火星采樣返回任務(wù)將分為3個(gè)階段：①表面探測(cè)、樣品采集和封裝保存，即2020火星車任務(wù)；②發(fā)射樣品采集器到火星軌道；③樣品采集器返回地球。隨后，NASA組織行星科學(xué)界的一線科學(xué)家，對(duì)火星2020巡視器任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的科學(xué)定義。在此基礎(chǔ)上，NASA向全世界公開(kāi)征集由首席科學(xué)家負(fù)責(zé)的科學(xué)載荷，經(jīng)過(guò)行星科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜覕?shù)輪評(píng)審，于2014年7月公布了入圍的科學(xué)載荷，其中包括一個(gè)美國(guó)高校提出的載荷和3個(gè)國(guó)外載荷。隨后，這些科學(xué)載荷的關(guān)鍵科學(xué)探測(cè)指標(biāo)均向全世界公開(kāi)①http://mars.nasa.gov/mars2020/mission/instruments/。。

6.2 科學(xué)家主導(dǎo)著陸區(qū)選擇

NASA向行星科學(xué)家公布2020火星車任務(wù)的工程技術(shù)的限制（第4節(jié)），科學(xué)家在此框架內(nèi)，提出具有重要科學(xué)意義的備選著陸區(qū)，并在著陸區(qū)研討會(huì)上向行星科學(xué)界報(bào)告這些備選區(qū)域預(yù)計(jì)可以探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)和獲得的科學(xué)認(rèn)識(shí)②http://marsnext.jpl.nasa.gov/。。然后行星科學(xué)領(lǐng)域的研究者對(duì)這些備選區(qū)域的科學(xué)意義進(jìn)行綜合排名，并向全世界公布討論會(huì)的詳細(xì)信息，鼓勵(lì)更加廣泛的討論。通過(guò)大約6次討論會(huì)，NASA會(huì)在發(fā)射前一年最終確認(rèn)最具科學(xué)價(jià)值的著陸區(qū)。

6.3 適合中國(guó)2020火星探測(cè)著陸部分的潛在備選著陸區(qū)

如前所述，NASA通常需要數(shù)年的時(shí)間，召集上百名行星科學(xué)領(lǐng)域一線的研究者進(jìn)行多次研討會(huì)，才能最終確定具有重大科學(xué)意義的著陸點(diǎn)。由于目前我國(guó)火星2020著陸探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)和工程技術(shù)限制尚未向外公布，因此本文根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)提出3個(gè)備選著陸區(qū)，希望起到拋磚引玉的作用，引發(fā)我國(guó)行星科研人員的廣泛討論。

6.3.1 Knobel撞擊坑西部盆地——聚焦火星生命、氣候和地質(zhì)問(wèn)題

Knobel撞擊坑西部盆地符合NASA2020火星車的工程限制條件，位于火星二分性邊界附近，面積約為3 000 km2。其基底是古老的諾亞紀(jì)物質(zhì)，無(wú)數(shù)的溝渠切割了其周圍的高地，一條主要的排水渠道（深約300 m）切割了盆地的北部（圖5）。該盆地的底部出露了熱慣量較高（圖5b）的含氯鹽（很可能是NaCl）的沉積物和含層狀硅酸鹽（Fe/Mg蒙脫石）礦物的沉積物（圖5c和圖5d）。這些水成礦物揭示了該區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)歷史，可能代表了不同時(shí)期的氣候特征。該盆地還具有特別重要的天體生物學(xué)意義，可能在含氯鹽沉積物中保存了生物標(biāo)記物、化石甚至仍在休眠的微生物[94]。

6.3.2 德特羅尼魯斯·門(mén)薩（Deuteronilus Mensae）——為載人火星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行前期勘察

圖5 Knobel撞擊坑西部盆地的地形地貌Fig.5 Landforms and topography of the basin in the west of Knobel Crater

Deuteronilus Mensae正位于火星二分性邊界上，Arabia Terra區(qū)域的北部。區(qū)域以南為年代較老、密布撞擊坑的高原，北部為較年輕、撞擊坑較少的平原。這個(gè)區(qū)域最顯著的地質(zhì)單元是平頂?shù)纳角穑▓D6）。對(duì)火星軌道器獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析表明，該區(qū)域的次表層分布了一定量的水冰[95]。這些水冰對(duì)于未來(lái)載人火星探測(cè)任務(wù)具有非常重要的意義。然而這些水冰的詳細(xì)分布特征、儲(chǔ)量等信息尚不清楚，需要著陸器和巡視器的系統(tǒng)勘察。

6.3.3 子午線高原（Meridiani Planum）——工程技術(shù)較為容易實(shí)現(xiàn)的區(qū)域

Meridiani Planum是火星表面最為平坦的區(qū)域之一（圖7），并且在赤道附近，著陸和通信相對(duì)較為容易控制，并且能提供充足的太陽(yáng)能?！盎鹦侨蚩辈煺咛?hào)”上的熱發(fā)射光譜儀發(fā)現(xiàn)其為火星表面最富集赤鐵礦的區(qū)域[96]，因此NASA發(fā)射了“機(jī)遇號(hào)”火星車前往該區(qū)域進(jìn)行表面巡視探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了更加豐富的礦物類型和更加復(fù)雜的地質(zhì)歷史[97]。由于該區(qū)域面積較大，如果我國(guó)的火星著陸器和巡視器到達(dá)該區(qū)域，也將會(huì)有一些新的發(fā)現(xiàn)。

圖6 Deuteronilus Mensae（中心坐標(biāo)約為44 °N，27.75 °E）的地形地貌Fig.6 Landforms and topography of Deuteronilus Mensae（centered at 44 °N，27.75 °E）

圖7 “機(jī)遇號(hào)”著陸Meridiani Planum后拍攝的照片F(xiàn)ig.7 A photo taken by Opportunity rover after landing in Merdiani Planum

7 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)已經(jīng)立項(xiàng)并開(kāi)始實(shí)施，選擇具有重大科學(xué)意義同時(shí)又符合工程限制條件的著陸點(diǎn)，是整個(gè)任務(wù)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。NASA作為火星探測(cè)成果最多的研究機(jī)構(gòu)，其多次火星著陸探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，特別是2020火星車探測(cè)任務(wù)的策略，如科學(xué)載荷的遴選和科學(xué)家主導(dǎo)的著陸區(qū)選擇等，都很值得我們學(xué)習(xí)。本文根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)，聚焦火星生命、氣候和地質(zhì)問(wèn)題，針對(duì)載人火星探測(cè)任務(wù)和工程技術(shù)驗(yàn)證分別提出備選的著陸點(diǎn)，希望對(duì)我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的著陸點(diǎn)選取起到拋磚引玉的作用。同時(shí)，我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)的選取也需要科學(xué)家與工程技術(shù)人員之間緊密合作，才能在符合我國(guó)的工程條件限制下選取最具科學(xué)價(jià)值的著陸點(diǎn)，獲取最大的科學(xué)回報(bào)。

8 附 錄

本附錄簡(jiǎn)要介紹經(jīng)過(guò)兩次著陸區(qū)選擇研討會(huì)選取的地點(diǎn)（3個(gè)預(yù)選著陸區(qū)除外）。這些區(qū)域綜合考慮了工程條件限制并且符合美國(guó)火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)，雖然在第三次研討會(huì)中落選，但仍有十分重要的意義，能夠?yàn)楹罄m(xù)的探測(cè)任務(wù)提供參考。

8.1 Eberwalde撞擊坑

Eberwalde撞擊坑中心位置約為24.0 °S，327.0 °E，直徑約65.3 km，位于火星Erythraeum區(qū)域，是Uzboi-Ladon-Morava（ULM）河谷盆地系統(tǒng)的一部分（圖8a），可觀察到大量水活動(dòng)的痕跡（圖8c），可能記錄著火星諾亞紀(jì)到西方紀(jì)水文系統(tǒng)和氣候的信息[98]。該區(qū)域可觀察到河流三角洲和大量彎曲的河道，反映了長(zhǎng)時(shí)間的水活動(dòng)[99]（圖8c）。并且，三角洲處出露了大量的黏土礦物，有利于生命痕跡的保存，有十分重要的天體生物學(xué)意義。同時(shí)，在著陸區(qū)內(nèi)還可以探測(cè)到Holden撞擊坑的撞擊角礫巖與一些巨大的脈體。該地區(qū)最吸引人的地方是著陸區(qū)小范圍內(nèi)分布了大量值得探測(cè)的目標(biāo)。

圖8 Eberwalde撞擊坑的地形地貌Fig.8 Landforms and topography of Eberwalde Crater

8.2 Mawrth Vallis

Mawrth Vallis中心位置為22.3°N，343.5°E，位于火星二分性邊界上的河道內(nèi)（圖9a）。該區(qū)域出露復(fù)雜多樣的物質(zhì)，如含A1層狀鋁硅酸鹽和含F(xiàn)e/Mg層狀硅酸鹽等[100-103]，它們記錄了該區(qū)域氣候變化和多種地質(zhì)過(guò)程。然而該區(qū)復(fù)雜多樣的物質(zhì)成分也是其作為備選著陸區(qū)最大的弱點(diǎn)，因?yàn)榈刭|(zhì)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，很難厘清地層關(guān)系。

圖9 Mawrth Vallis的地形地貌Fig.9 Landforms and topography of Mawrth Vallis

8.3 霍頓（Holden）撞擊坑

Holden撞擊坑中心位置為26.4 °S，325.1 °E，直徑為155 km，深約2 km，也是Uzboi-Ladon-Morava（ULM）河谷盆地系統(tǒng)的一部分（圖10a）。Holden撞擊坑出露了大量的水活動(dòng)痕跡和沉積物，可能是一個(gè)穩(wěn)定的水體（圖10a）[104-106]。著陸區(qū)內(nèi)出露大量的礦物，包括低鈣輝石、高鈣輝石、富Mg橄欖石、富Fe橄欖石和層狀鐵鎂硅酸鹽等[107]。該地區(qū)底部為一套撞擊角礫巖（圖10b），中部色調(diào)較淺的區(qū)域可能為湖泊沉積（圖10c，10d），含層狀硅酸鹽礦物，可能保存有古老的生命痕跡，具有重要的天體生物學(xué)意義[104]。該區(qū)域的露頭非常多，可能記錄了火星諾亞紀(jì)到西方紀(jì)的環(huán)境的變化（圖10c，10d，10e）。

8.4 尼利槽溝（Nili Fossae）

Nili Fossae地區(qū)是一個(gè)巨大的凹槽（圖11a），位于21.0 °N，74.5 °E，Syrtis火山省的東北方，Hargraves撞擊坑和Isidis盆地的外緣。該區(qū)域出露清晰的諾亞紀(jì)和西方紀(jì)的地層序列，并廣泛分布層狀硅酸鹽、碳酸鹽沉積物、橄欖石、低鈣輝石和高鈣輝石等（圖11b，11c，11d，11e）[108-110]。同時(shí)，Nili Fossae地區(qū)有著很重要的年代學(xué)意義，Hargraves撞擊事件和Isidis撞擊事件挖掘出的火星地殼物質(zhì)可能賦存于濺射物中，能夠幫助我們了解火星諾亞紀(jì)地殼的組成。獲取Hargraves撞擊事件、Isidis撞擊事件和Syrtis熔巖流未蝕變物質(zhì)的樣品，將可用于優(yōu)化撞擊坑直徑-頻率分布統(tǒng)計(jì)法。

在著陸點(diǎn)半徑10 km以內(nèi)，如此小的范圍出露了多樣的物質(zhì)，以及具有重要的年代學(xué)研究意義，是科學(xué)家們支持該區(qū)域成為著陸區(qū)的重要原因。

圖10 Holden撞擊坑的地形地貌Fig.10 Landforms and topography of Holden Crater

圖11 Nili Fossae的地形地貌Fig.11 Landforms and topography of Nili Fossae

8.5 SW Melas

SW Melas中心位置為9.8 °S，283.6 °E，位于水手峽谷之中（圖12a），可能是最年輕的撞擊坑湖泊。該地區(qū)有著復(fù)雜的地貌特征，如扇形的水下三角洲（圖12b），反映其長(zhǎng)時(shí)間的水流活動(dòng)。該區(qū)域出露了厚度約300 m的較為清晰的地層序列[112]，可能記錄了火星地質(zhì)與氣候等信息。另外，該區(qū)域分布著許多零散的蛋白石土露頭（圖12c），是值得探測(cè)的目標(biāo)之一。

圖12 SW Melas的地形地貌Fig.12 Landforms and topography of SW Melas

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The Status of NASA Mars 2020 Rover Landing Site Selection and Some Thoughts on the Landing Part of China 2020 Mars Mission

YE Binlong1,2，ZHAO Jiannan1,2，HUANG Jun1,2*
（1.Planetary Science Institute，School of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.State Key Lab for Geological Processes and Mineral Resources,School of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China）

The important discoveries of Mars exploration in the past 20 years and the major unsolved questions on Martian life,climate and geology were reviewed.The scientific goals,payloads information and engineering constrains of the National Aeronautics and Space Administration(NASA)2020 Mars mission were presented.In addition,the geologic characteristics of the top 8 candidate landing sites selected by hundreds of planetary scientists in three landing site selection workshops were described.Three candidate landing zones for China’s 2020 Mars mission were proposed based on the different mission goals: 1)addressing key life,climate and geology questions; 2)resource reconnaissance for future human missions; 3)engineering demonstration.

Mars exploration；landing site selection；planetary geology；astrobiology；planetary climate

V476.4

A

2095-7777（2017）04-0310-15

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.002

葉斌龍，趙健楠，黃俊.美國(guó)2020火星車著陸區(qū)遴選進(jìn)展及對(duì)2020中國(guó)火星任務(wù)著陸探測(cè)部分的一些思考[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（4）：310-324.

Reference format：Ye B L，Zhao J N，Huang J.The status of NASA Mars 2020 Rover Landing Site Selection and some thoughts on the Landing Part of China 2020 Mars Mission[J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（4）：310-324.

2016-12-10

2017-07-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41403052，41773061）；博士點(diǎn)優(yōu)先領(lǐng)域基金資助項(xiàng)目（20130145130001）；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（CUGL160402，CUG2017G02）

葉斌龍（1995- ），男，本科，主要研究方向：行星地質(zhì)學(xué)。

通信地址：中國(guó)湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（430000）

E-mail:blye@cug.edu.cn

趙健楠（1990- ），男，博士研究生，主要研究方向：月球與火星地貌學(xué)、礦物巖石學(xué)、年代學(xué)。主要側(cè)重于行星火山作用、火星古湖泊、火星含水礦物和鹽類礦物研究。

通信地址：中國(guó)湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（430000）

黃?。?985- ），男，博士，副教授，主要研究方向：行星地質(zhì)學(xué)。本文通訊作者。

通信地址：中國(guó)湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（430000）

E-mail:junhuang@cug.edu.cn

[責(zé)任編輯：高莎，英文審校：朱恬]