劉漢生，王 江?，趙健楠，舒文祥，趙佳偉，楊 振，肖 龍

(1. 中國地質(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. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094)

1 引言

火星是地球的鄰星，是太陽系內(nèi)與地球最為相似的天體，也是人類深空探測的重要目標(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]。 多源遙感探測和就位探測數(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)探測器所在的古謝夫撞擊坑和機(jī)遇號(hào)探測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[7-10]，而好奇號(hào)(Mars Science Laboratory，MSL)探測器所在的蓋爾撞擊坑內(nèi)的火壤則由鎂橄欖石(～Fo 62)、輝石、斜長石(～An 57)、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±14 wt%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]。

表1 火星土壤和地球表面巖石主量元素的對(duì)比Table 1 Comparison of major elements abundances of soils and rocks between Mars and the Earth/質(zhì)量百分比含量wt%

表2 火星土壤的礦物組成Table 2 Mineral composition of Martian soil /質(zhì)量百分比含量wt %

火星著陸探測困難重重，火壤的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)火星著陸及巡視探測十分重要。 目前僅能通過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 余次火星探測均未實(shí)現(xiàn)火星土壤的采樣返回[33]。 在火星探測工程實(shí)施和科學(xué)研究中，可在地表實(shí)驗(yàn)室里用于研究和測試的真實(shí)火星樣品只有火星隕石，且數(shù)量極為有限，無法滿足地面工程試驗(yàn)的大量需求。 因而，開展模擬火壤樣品研制工作用來代替真實(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，美國已經(jīng)多次成功進(jìn)行火星著陸探測工作，其模擬火壤技術(shù)較為成熟，歐空局和俄羅斯也進(jìn)行過相關(guān)工作，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。而中國的火星探測還處在起步階段，計(jì)劃在2020 年發(fā)射火星探測軌道器和火星車，首次進(jìn)行火星表面巡視探測工作[34]。 發(fā)射前需要大量模擬火壤進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)，國內(nèi)對(duì)模擬火壤的需求增大，由于國外模擬火壤產(chǎn)量和出售限制等原因，中國難以進(jìn)口大量成品模擬火壤，這也促使國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)開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程中面臨的困難和問題，并對(duì)未來模擬火壤工作提出展望，期望為我國將來的火星探測提供參考。

表3 火星土壤與典型模擬火壤的物理力學(xué)性質(zhì)Table 3 Physical and mechanical properties of Martian soil and Martian Soil Simulants

2 模擬火壤的研制現(xiàn)狀

由于真實(shí)火壤形成過程的復(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?？煞譃榭茖W(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的Johnson Space Center Mars Simulant(JSC Mars-1)型、Mars Global Simulant(MGS-1)型和Jezero Delta Soil Simulant(JEZ-1)型模擬火壤為代表，而國內(nèi)的則是Jining Martian Soil Simulant(JMSS-1)型模擬火壤(表4)。 JSC Mars-1 型模擬火壤于1998 年由美國約翰遜空間中心(Johnson Space Center，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Orbitec 公司從JSC 獲得JSC Mars-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JSC Mars-1A。 JSC Mars-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)研究和探測器工程試驗(yàn)中[44]。 JSC Mars-1 為粒徑小于1 mm 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1 wt%[39]。 無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，JSC Mars-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)。 JSC Mars-1 是典型的光譜用途模擬火壤，其可見光-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400 ～1000 nm 范圍內(nèi)，二者極為相似，三價(jià)鐵特征光譜顯示JSC Mars-1 中結(jié)晶赤鐵礦要低于火星表面。 JSC Mars-1 的光譜在1400 nm和1900 nm 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)。 JSC Mars-1 的含水率較高，其在100 ℃時(shí)失水7.8 wt%，在600 ℃時(shí)燒失量可達(dá)21.1 wt%[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)測得的含水率均為0.1 ～1.0 wt%[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 ℃后測得其含水量為1.5 ～3 wt%，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3 wt%以下[50]。

MGS-1 型模擬火壤由美國中佛羅里達(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]。 原材料選取了來自Stillwater 的雜巖、Madagascar 的富拉玄武巖和North Carolina 的斜長石、來自巴西的古銅輝石和來自San Carlos 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)嚢杌旌希缓笫褂梦⒉t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1 mm 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(400 ～1100 nm)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]。 而在較長波長下，則與火星快車(Mars Express)搭載的OMEGA 光譜儀測得的地反照率區(qū)域相似[54]。MGS-1 型模擬火壤的自然體密度為1.29 g/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 ～1.64 g/cm3、海盜1 號(hào)著陸區(qū)表面的松散堆積物天然密度約為1.15 g/cm3，與已知的火星著陸器和巡視器探測結(jié)果基本相符。目前，尚沒有關(guān)于MGS-1 型模擬月壤的土力學(xué)相關(guān)研究數(shù)據(jù)。

表4 光譜類模擬火壤的主量元素含量Table 4 The content of major elements in spectroscopic Martian Soil Simulants wt%

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]Fig.1 Comparison of relative reflectance of Martian simulants and remote sensing spectrum

JEZ-1 型模擬火壤由MGS-1 研制，用于模擬美國Mars 2020 探測任務(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1 mm，平 均 粒 徑 約 38 μm， 天 然 體 密 度 為1.45 g/cm3。 其他性質(zhì)尚未見相關(guān)報(bào)道。

JMSS-1 型模擬火壤由中國科學(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1 mm，顆粒形態(tài)呈棱角-次棱角狀。 礦物組成主要為斜長石(鈣長石)、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JSC Mars-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1.45 g/cm3，顆粒密度為2.88 g/cm3，孔隙度為49.65%，內(nèi)摩擦角約為40.6°，內(nèi)聚力為0.33 kPa，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)，可用于中國未來火星探測科學(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，代表類型為德國的Phyllosilicatic Mars Regolith Simulant(P-MRS)型和Sulfatic Mars Regolith Simulant(S-MRS)型模擬火壤，美國的University of Florida Mars Simulates (UF Acid-Alkaline-Salt Basalt Analog Soils)系列和Yellowknife Mars simulate(YMars)型模擬火壤，英國的Open University Mars simulate(OUEB/SR/HR/CM)系列模擬火壤。

P-MRS 和S-MRS 型模擬火壤由德國航空航天中心(German Aerospace Center，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、斜長石(輝長巖)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)過混合、破碎，篩分出粒度小于1 mm 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。 PMRS 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，除了火成巖和無水氧化鐵外，還包括針鐵礦和石膏[57]。 也曾被DLR 用來測試ExoMars 2018 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]和國際空間站實(shí)驗(yàn)[60-61]。 P-MRS 和S-MRS 的其他性質(zhì)未見相關(guān)報(bào)道。]

表5 天體生物學(xué)研究類模擬火壤的主量元素含量Table 5 The content of major elements in Martian Soil Simulants for astrobiology /wt %

UF 系列模擬火壤由美國佛羅里達(dá)大學(xué)研制，主要用于測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)過研磨后，篩分出粒度小于200 μm 樣品[64]。

Y-Mars 型模擬火壤由英國天體生物學(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 ～3.0 μm，平均值1.2 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5 μm。 可見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～1.4 μm 和1.9 μm 與OH/H2O 相關(guān)的吸收特征，但在2.15～2.3 μm 卻表現(xiàn)出Al-和Fe/Mg-OH 相似的特征。 其他相關(guān)性質(zhì)未見有報(bào)道。 Y-Mars 研制的主要目的用于未來的天體生物學(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開放大學(xué)研制，用于測試過去或現(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)(Early Basaltic，EB)土壤OUEB-1和OUEB-2 的模擬對(duì)象為Zagami shergottite 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)Paso Robles 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Hema 2 樣品；④現(xiàn) 代 火 星 土 壤(Contemporary Mars， 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德國埃菲爾地區(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買。 樣品經(jīng)過破碎和篩分，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～5 wt%范圍內(nèi))。 OU 系列模擬火壤的粒度主要集中在400 ～900 μm，小于300 μm樣品含量較少。 OUSR-1 和OUSR-2 天然體密度最高(分別為1.95 和1.81 g/cm3)，而OUEB-1 和OUEB-2 的最低(分別為1.58 和1.56 g/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0.57～1.60 g/cm3，孔隙率為31%～58%[35，66-68]，而火星探路者探測區(qū)域最高估算可以達(dá)到2.0 g/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，也可用于未來工程測試。

2.1.3 原位資源利用類模擬火壤

原位資源利用(In-Situ Resource Utilization，ISRU)技術(shù)是指就地利用地外天體表面的土壤、大氣、水冰、礦物等資源來制造人類長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University of Canterbury Mars Simulant(UC Mars 1)型模擬火壤，美國的Mars Global Simulant-Clay Variety(MGS-1C)型、Mars Global Simulant-Sulfate Variety(MGS-1S) 型、 Northeastern University Mars Simulant(NEU Mars 1)型和Rocknest Augmented MMS 型模擬火壤(表6)。

UC(University of Canterbury)Mars 1 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。 UC Mars 1 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)過液壓機(jī)破碎后送入顎式破碎機(jī)，篩分出粒度大于700 μm 樣品(～50%)，采用0.53 mm 平板研磨。 兩種原料經(jīng)過不同研磨方式獲得四種樣品，由于樣品中灰塵數(shù)量(＜45 μm)高于火星表面，通過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，從未洗過的橄欖玄武巖和火山玻璃中除去小于590 μm 的細(xì)粒，并從洗過的橄欖玄武巖和火山玻璃中除去大于300 μm 的粗粒。 最終按照47 wt%的橄欖玄武巖(顎式破碎機(jī)，2000 ～590 μm)，37 wt%的洗過的橄欖玄武巖(0.53 mm 平板研磨，≤300 μm)，7 wt%的洗過的火山玻璃(顎式破碎機(jī)，2000～590 μm)和9 wt%的洗過的火山玻璃(0.53 mm 平板研磨，≤300 μm)的比例混合得到UC Mars 1 型模擬火壤。 UC Mars 1 的顆粒形態(tài)主要為棱角狀，少量呈次棱角狀，顆粒密度為2.7 g/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邊坡穩(wěn)定性估算的內(nèi)摩擦角13°～38°相符[25]。 內(nèi)聚力沒有相關(guān)報(bào)道。 UC Mars 1 型模擬火壤研制目的是為了測試ISRU 技術(shù)，目前主要用于建筑和基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)。

表6 原位資源利用類模擬火壤的主量元素含量Table 6 The content of major elements in Martian Soil Simulants for ISRU /wt %

MGS-1S 型和MGS-1C 型模擬火壤由MGS-1研制團(tuán)隊(duì)開發(fā)[51]，專門用于火星水原位資源利用計(jì)劃(Mars Water In-Situ Resource Utilization Plan，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1 mm，但MGS-1S 相對(duì)較粗，平均粒度達(dá)到119 μm，而MGS-1C 平均粒度只有24 μm。 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采[52]。 目前尚沒有關(guān)于MGS-1S 和MGS-1C 的土力學(xué)相關(guān)研究數(shù)據(jù)。

NEU Mars-1 型模擬火壤由中國東北大學(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 ～22 wt%。 NEUMars-1 的礦物組成主要為斜長石(47 wt%)、輝石(24 wt%)、橄欖石(15 wt%)、伊利石(9 wt%)、褐鐵礦(3 wt%)以及其他成分(2 wt%)，這與“好奇號(hào)”探測火壤礦物成分相似，只是NEU Mars-1 斜長石含量相對(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，NEU Mars-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。 NEU Mars-1 粒徑主要分布在0.1 μm～1200 μm，少數(shù)粒徑小于100 μm，中值直徑為247.172 μm。NEU Mars-1 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為547.8 ℃，結(jié)晶溫度為795.7 ℃。 目前，尚沒有關(guān)于NEU Mars-1土力學(xué)相關(guān)研究數(shù)據(jù)。 NEU Mars-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JSC 研究團(tuán)隊(duì)的[75]基于Mojave Mars Simulant(MMS，后文詳細(xì)介紹)開發(fā)了Rocknest Augmented MMS 型模擬火壤，用于測試ISRU 水提取技術(shù)。 通過向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Korea Mars Simulant(KMS-1)型模擬火壤，KMS-1 由韓國漢陽大學(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，主要礦物為斜長石(48.9 wt%)和橄欖石(31 wt%)，含少量輝石(14.2 wt%)和磁鐵礦(5.8 wt%)。 KMS-1 經(jīng)過磨盤破碎篩分成兩種粒度，粒度小于3 mm 的細(xì)沙和粒度小于1 mm 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，無法滿足探測器的工程試驗(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Mojave Mars Simulant (MMS)、 Salten Skov I、Surrey Space Centre Mars Simulate(SSC)系列、Engineering Soil (ES-X)系列、Jilin University Mars Simulant(JLU Mars)系列、DLR 系列、Jet Propulsion Laboratory(JPL lab)系列、Mars Exploration Rover(MER)系列模擬火壤等。

JSC Mars-1 型模擬火壤在實(shí)際使用中由于吸水性問題在一些試驗(yàn)中效果不佳。 如美國鳳凰號(hào)探測器升空前在地面開展工程試驗(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JSC Mars-1 由于吸水速度過快而很難重現(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 的原材料取自美國加利福尼亞州莫哈維(Mojave)沙漠西部的玄武巖，經(jīng)過破碎成砂，并收集破碎過程中的粉塵，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-近紅外反射光譜表明MMS 砂與JSC Mars-1 較為相似(圖1)。 2016 年，美國火星花園(Martian Garden)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測試早期型號(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)，也被用來測試好奇號(hào)的鉆取、移動(dòng)和著陸系統(tǒng)。 除此之外，MMS 也曾被用來模擬火星高緯度地區(qū)年度水循環(huán)試驗(yàn)[76]。

Salten Skov I 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。 Salten Skov I 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。 Salten Skov I 粒徑小于63 μm，且顆粒單個(gè)粒子的中值粒徑為1 μm，這與真實(shí)火星塵埃的粒徑比較相近。 Salten Skov I 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Salten Skov I 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Salten Skov I 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(Surrey Space Center， SSC)研制，用于測試火星車在不同類型模擬火壤中的通過性能。 SSC-1 型模擬火壤原材料為未清洗的石英砂，粒度從～63 μm ～1.3 mm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 ～90 μm 不等，中值粒徑約為260 μm，與JSC Mars-1 型模擬火壤中值粒徑(～250 μm)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1.615 g/cm3增加至1.708 g/cm3， 內(nèi) 摩 擦 角 從39.44° 增 加 至43.97°，內(nèi)聚力從644 Pa 降低至616 Pa。 SSC-2密度從2.227 g/cm3增加至2.384 g/cm3，內(nèi)摩擦角反而從43.34°降低至41.93°，內(nèi)聚力從1021 Pa 增加至2 246 Pa。 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(Engineering Soil)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。 ESX 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32 μm，最小粒徑小于10 μm，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 ～125 μm 之間，與火星表面風(fēng)成沙類似；ES-3 呈次圓-圓狀，粒徑30 ～20 000 μm，能代表火星表面的粗砂[41]。

JLU Mars 系列模擬火壤由吉林大學(xué)研制，包括JLU Mars1、JLU Mars 2 和JLU Mars 3 三種不同粒徑分布的模擬火壤。 其主要用于測試不同粒徑條件下火星巡視探測器的移動(dòng)性、通過性、試驗(yàn)和驗(yàn)證輪壤相互作用[20，79]。 JLU Mars 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。 JLU Mars 系列模擬火壤的顆粒形態(tài)呈長條狀和次棱角狀，與JSC Mars-1 的主量元素含量相近，但與機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)測得的火壤平均成分存在一定的差距。 JLU Mars 系列模擬火壤天然密度為0.95 ～1.52 g/cm3， 孔 隙 率 在43.07%～64.42%之間，顆粒密度為2.67 g/cm3，內(nèi)聚力范圍為0～1.4 kPa，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)利用相同原料還開發(fā)了JLU5 Mars-4 型模擬火壤，主要用于著陸器沖擊試驗(yàn)。 JLU5 Mars-4 的天然密度為0.95～1.13 g/cm3，中值粒徑為194 μm，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6.3～22.5 kPa[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、JPL lab 107、JPL Lab 82、MER Yard 317 和JPL Mars Yard 幾種類型。 德國DLR 在ExoMars 項(xiàng)目研制過程中，研制了DLR-A和DLR-B 兩種類型模擬火壤，用于測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0.19 kPa和0.41 kPa，內(nèi)摩擦角分別為24.8°和17.8°[78，81]。 美國JPL 曾利用JPL 系列和MER系列模擬火壤進(jìn)行火星斜坡穩(wěn)定性分析及測試火星探測車和其他設(shè)備。 這四種模擬火壤均經(jīng)過洗滌去除粉砂，使JPL lab 107、JPL Lab 82、JPL Mars Yard 的粒度主要分布在0.4 ～1.0 mm 的范圍。其中JPL Mars Yard 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MER Yard 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，但無法獲知其物理力學(xué)特性。 如在美國洞察號(hào)(In-Sight)火星探測任務(wù)中，提前通過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儀，原計(jì)劃自動(dòng)鉆探到火表以下約5 m 的位置[82]，但在第一次鉆探到大約30 cm 位置時(shí)，便無法深入，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)探測器的挖掘?qū)嶒?yàn)也直接觀測到了火星表面水冰的存在[90-91]。 遙感探測的研究結(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[92-94]。 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)前火星探測的熱點(diǎn)?；鹦巧系乃蝗羌兯?，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[95-98]。 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[99-101]。 鳳凰號(hào)在火星表面的反鏟作業(yè)中遇到的阻力在3 ～5 cm 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)行過相關(guān)試驗(yàn)，如國外學(xué)者在JSC Mars-1 中添加不同含量的蒸餾水冷凍后測試了抗彎強(qiáng)度和彈性模量，未進(jìn)行取樣試驗(yàn)[103]。 有國內(nèi)學(xué)者利用含冰模擬火壤開展了鉆取試驗(yàn)[94]，但公開資料較少。

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題，針對(duì)上述問題，本文認(rèn)為未來模擬火壤的研制工作存在以下趨勢(shì)和方向：

1)開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)開展不同類型模擬火壤研制工作。 模擬火星低溫環(huán)境，開展(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，將是未來模擬火壤制備方法的發(fā)展趨勢(shì)。