海盗1号和2号着陆器落在火星表面的地点相距较远(约6500 km), 但所送回的火星表面景象却大同小异, 即荒凉的沙漠中点缀着长相各异, 大小不一的岩石。与月球上覆盖了一层厚厚的沉积物的基层岩不同, 火星上的基层岩裸露在地表。

在北半球的阿瑞斯谷的古洪水平原, 探路者着陆地点的大多数类土壤材料被称为块状沉积物, 与地球上中等土壤的密度相似且内聚力较小。这种沉积物主要由灰尘、土块、岩石和矿物颗粒组成, 表面散落着小碎片和卵石, 有些地方还被一层灰尘或者明亮的风化物覆盖^[1]。

在古谢夫撞击坑附近, 大部分火星壤是由非常细小的颗粒或者颗粒的聚集体组成, 并且约有5%的表面散落着部分埋入火星壤的碎屑岩和粗砂, 这些碎屑岩的直径从1 cm至40 cm不等。在碎屑岩和火星壤表面还覆盖一层厚约1 mm的灰尘, 随着这些灰尘聚集在巡视器太阳能电池板上, 会使得太阳能电池的能量输出以每火星日0.2%的速度降低。古谢夫撞击坑的风成沙纹与地球上的风成沙纹相似, 波峰上的颗粒粗糙而波底的颗粒尺寸细致。例如, 在被称为Arena的风成沙纹处, 波峰表层粗糙颗粒(粒径约1~2 mm)覆盖在细颗粒上, 而波谷颗粒的中心粒径则不大于210 μ m^[2]。

机遇号着陆于地势平坦的梅里迪亚尼平原(Meridiani Planum), 这里有厚度接近1 m的暗色调火星壤覆盖在明亮且富含硫酸盐的基层岩上, 着陆点火星壤由粒径不大于0.125 mm的玄武岩砂粒和灰尘组成, 上面不均匀的分布着球体(赤铁矿凝结物, 平均粒径大小是(2.9± 1.2 mm)^[3])和几毫米大小且形状不规则的陨石碎片以及其他碎片。在sol23、sol54和sol73, 机遇号通过轮子挖掘地面(深度8~10 cm)显示, 挖掘出与风化层表面一样的球体和颗粒, 但是其数量确远远低于表面。表面的大量小球和颗粒可能是来源于对沉积蒸发岩风化作用的结果^[4]。另外, 通过风的作用, 这些小球和颗粒覆盖在波纹上, 而波纹的内部则由小尺寸的玄武岩颗粒组成。

在好奇号着陆地点的Rocknest背风积砂区, 好奇号巡视器分别采集了5铲样品进行科学研究^[5]。在Rocknest背风积沙区的采样表面, 由主要为圆形的并且直径约为1~2 mm的砂粒覆盖, 这些砂粒形成了2~3 mm厚的保护层(硬壳)。硬壳下面的基底由非常细小的砂粒组成。当地表硬壳中粗糙的颗粒落入沟底, 并失去灰尘的覆盖后, 显示出了不同的颜色、光泽和形状。如图1所示, 在Rocknest背风积沙区, 好奇号巡视器的左前轮在沙丘上留下的车辙, 当地表硬壳被车轮扰动后, 这些地表硬壳中的颗粒散落在车辙表面上, 这些颗粒颜色不一, 有红灰色、灰色等, 而且其形状多样, 有椭圆、圆和不规则形状等, 这些小颗粒的粒径不大于1 mm^[5]。

图1

Fig.1

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	图1 好奇号巡视器在火星表面留下的车辙[5]Fig.1 The rut of curisity on Mars

行星表层土的强度一般均用内聚力和内摩擦角两个参数描述, 由于火星车上没有测量土壤力学参数的专用设备, 因此其测量方法主要有采样铲与土壤和车轮与土壤之间的相互作用进行反演求出^[6]。根据Moore等^[7]的假设, 火星壤的密度是2.65~3.0 g· cm^-3。

经统计, 表2列出了火星表面5次(不包括好奇号巡视器)降落点的火星壤力学参数估计。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 火星土壤的力学参数估计[8, 9, 10] Table 2 Estimated physical properties on Mars 体密度 /(g· cm-3) 粒径 /mm 内聚力 /kPa 摩擦角 /(° ) 热惯性 /(Jm-2K-1s-1/2) 漂浮物 1.0~1.3 0.001~0.01 0~3 15~21 40~125 砂粒 1.1~1.3 0.06~0.2 0~1 30 60~200 土块 1.1~1.6 0.005~0.5 0~4 30~40 200~326 硬化土 1.2~2.0 0.05~3 3~11 25~33 368~410 火山岩 2.6~2.8 2~2000 1000~10000 40~60 > 1200~2500 碎屑岩 ~2.0 - - - 620-1100 硫酸岩 < 2.0 - - - > 400~1100

表2 火星土壤的力学参数估计[8, 9, 10] Table 2 Estimated physical properties on Mars

火星表层的火星壤主要是玄武岩, 包含的主要矿物质是斜长石、辉石、橄榄石并有少量的磷灰石、磁铁矿和铬铁矿^[11]。经阿尔法粒子x射线分光仪对古谢夫撞击坑、梅里迪亚尼平原和盖尔撞击坑三处玄武岩的化学成分分析^[5], 三处地点玄武岩化学成分相似, 说明至少在火星赤道附近的玄武岩来源相近。

工程力学方向最具有代表性的模拟火星壤是JSC Mars-1模拟火星壤, 主要用于科学研究、工程试验和教学。这种模拟火星壤初始物质是粒径小于1 mm的火山灰, 来自于夏威夷的Pu’ u Nene。选择这种风化火山灰材料作为模拟火星壤的主要原因是它的反射光谱与火星表面明亮区域的反射光谱非常相似。通过对火星壤光谱(Olympus-Amazonis区域)和JSC Mars-1模拟火星壤光谱中三价铁的特征光谱(三价铁的特征光谱在600, 750和860 nm附近)进行对比分析, 火星壤所含有的良好结晶的红色赤铁矿要多于JSC Mars-1模拟火星壤^[13]。JSC Mars-1模拟火星壤由不同风化的火山灰颗粒(包括完全风化了的火山灰颗粒)组成。这些火山灰包含非常细小的结晶体和夏威夷岩玻璃颗粒。扫描电子显微镜显示磁性结晶体有长石、钛磁铁矿和少量的橄榄石、辉石和玻璃, 其密度为(0.87± 0.02) g/cm³。JSC Mars-1模拟火星壤的粒径小于1 mm, 约有75%的火山灰粒径大于149 μ m, 仅仅有1%的粒径小于5 μ m。通常随风漂浮的火星灰尘的平均粒径不大于2 μ m^[14], 可见JSC Mars-1模拟火星壤含少量可漂浮粒子。作为与其他模拟火星壤的材料对比, JSC Mars-1的粒径分布见图2, 力学特性见表3。

图2

Fig.2

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	图2 各种模拟火星壤的粒径分布曲线Fig.2 Grain size distribution of martian simulant regolith

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 模拟火星壤基本力学参数 Table 3 Basic mechanical and physical properties of martian simulant regolith 序号 名称 类型及状态 内摩擦角/(° ) 内聚力/104 Pa 密度/(g· cm-3) 材料 1 JSCMars-1 47 1.91 0.87± 0.02 火山灰 2 MMS 砂I 38 0.81 1.384 Saddleback玄武岩 砂II 39 1.96 1.341 灰尘I 31 0.38 1.078 灰尘II 32 0.53 0.911 3 ES ES-1 16~21 0.5~1.5 1.3 Nepheline Stjernoy 7 ES-2 23~27 0~1.5 1.45 Red Hill 110 ES-3 35~42 0~0.3 1.55 Leighton Buzzard DA 30 4 SSC SSC-1 39.4 0.644 1.65 石英砂 SSC-2 43.34 1.021 2.227 石榴石砂 5 JPL Lab107 轻压实 33.30 0.067 1.47 石英砂 重压实 33.7 0.141 1.67 6 JPL Lab 82 轻压实 33.70 0.069 2.44 石榴石混合物 重压实 38.3 0.099 2.56 7 MER Yard 317 轻压实 47.90 0.149 1.48 粉碎的火山岩 重压实 53.3 0.149 1.69 8 JPL Mars Yard 轻压实 35.10 0.093 1.62 风化的花岗岩灰尘和火山渣 重压实 37.20 0.099 1.79 9 Saten Skov - - - 1.2~1.62 丹麦日德兰半岛 10 Fohnsdorfer Halditt - - - 1.09~1.52 Fohns dorf矿场 11 Schwarzl UK4 - - - 1.28~1.57 格拉茨附近采石场

表3 模拟火星壤基本力学参数 Table 3 Basic mechanical and physical properties of martian simulant regolith

欧洲航天局(European space agency, ESA)的天外火星计划包括登陆火星表面的巡视器和寻找火星上的生命。在登陆火星之前, 必须对巡视器的移动系统进行测试。为了测试天外火星计划的火星巡视器的机动性能, 使用了三种模拟火星壤^[15]。这三种类型的模拟火星壤中, ES-1用于模拟火星壤表面的灰尘, ES-2和ES-3分别用于模拟火星壤中的中等砂和粗砂, 粒径分布和力学特性分别见图2(a)和表3。

萨里空间中心(Surrey space centre, SSC)的SSC-1模拟火星壤是中等粒径的石英砂, 颗粒的粒径在63 μ m~1.3 mm之间, 而SSC-2模拟火星壤则由石榴石级配而成, 其颗粒在45 μ m~90 μ m之间^[16]。这两种模拟火星壤主要用于测试火星巡视器的通过性能, 其粒径分布和力学特性分别见图2(a)和表3。

制作MMS(Mojave mars simulant)模拟火星壤的Saddleback玄武岩位于加利福尼亚以东和莫哈维沙漠以西(西经117.62507, 纬度为35.05751)。选择这种玄武岩的主要原因是它的低吸湿率。MMS模拟火星壤主要用来研究在冻土中样品和取样工具的相互作用^[17]。MMS系列模拟火星壤的粒径分布和力学特性分别见图2(b)和表3。

国际上常用的模拟火星壤还包括:①Salten Skov^[18]模拟火星壤, 它是一种沉积在地表以下的暗红色的富含氧化铁的土壤, 源之于丹麦日德兰半岛的中心区域; ②机械性质与JSCMars-1类似的UK4模拟火星壤, 其粒径不大于1 mm; ③原料为风化后的矿井采掘残留物的Fohnsdorfer Halditt模拟火星壤; ④JPL系列模拟火星壤, 其主要粒径分布在0.4~1.0 mm之间; ⑤MER Yard317模拟火星壤的颗粒粒径范围分布较大, 大的比直径为0.5 cm的颗粒还大, 小的比粉尘粒径还小。以上各种模拟火星壤的粒径分布曲线和力学特性见图2(c)(d)和表3。

模拟火星壤原料的选择主要依据反射光谱相似程度、矿物组成、化学组成和颜色。国际上很多模拟火星壤采用的是火山岩(火山渣)作为主要的原料, 例如JSC Mars-1、MER Yard 317、JPL Mars Yard等, 见表3。选择火山渣作为模拟火星壤的优点是:地下深处的高温岩浆及气体、碎屑从地壳中喷出而形成的火山渣, 具有特殊形态的物质结构和火星壤相似; 化学成分主要是SiO₂(占40%~50%)与火星壤中SiO₂的含量相近; 火山渣中的氧化铁的含量与火星壤相近。因此, 经过现场考察决定采用与原模拟月壤不同的吉林靖宇双山火山灰作为模拟火星壤的基础物质。

模拟火星壤的力学性质与其粒径的分布有非常密切的关系, 它影响到土壤的力学性质。对于登陆器所涉及到的表层火星壤, 其表层容重总体上要小于月壤表层容重, 火星壤表层的粒径要大于月壤表层粒径, 并且火星壤粒径的分布范围广, 火星壤的内摩擦角要小于月壤的内摩擦角。另外, 人们已经从月球取得了真实的月壤, 并且绘制了真实月壤的粒径分布曲线^[19]。依据参考文献[2, 20, 21]对火星壤显微图像的统计数据, 绘制火星壤粒径分布曲线如图3所示。从图3可见, 火星壤的粒径不超过3 mm, 并且粒径的级配良好。根据图3中火星壤粒径分布曲线的边界, 绘制火星壤粒径分布曲线的上限和下限, 如图4所示。

图3

Fig.3

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	图3 火星壤的粒径分布曲线Fig.3 Grain size distributions for martian regolith

图4

Fig.4

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	图4 模拟火星壤的粒径分布曲线Fig.4 Grain size distributions for martian simulant regolith

经过对国际上模拟火星壤的研制和使用情况分析, 模拟火星壤几乎均为粉碎后的粉状颗粒混合物, 粒径分布也不相同, 但几乎都以JSC Mars-1模拟火星壤为主要参考进行设计, 并且模拟火星壤的最大粒径一般不超过1 mm。因此, 根据我国模拟月壤研究情况^{[22, 23, 24]}并参照JSC Mars-1模拟火星壤, 在火星壤粒径分布曲线的上限和下限范围内研制多种不同粒径分布的系列模拟火星壤, 如图4所示。

根据图4模拟火星壤的粒径分布曲线, 配置系列模拟火星壤, 采用应变控制式直剪仪(南京土壤仪器有限公司)测量模拟火星壤的内聚力和内摩擦角, 测量结果见表4。其内聚力和内摩擦角分别是0~0.316 kPa和38.4° ~46.1° 。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 不同粒径分布模拟火星壤的力学特性 Table 4 Terra-mechanics Characters of Martian Simulant Regolith 序号 名称 内摩擦角 /(° ) 内聚力 /kPa 密度 /(g· cm-3) 1 JLU Mars 1 45.1± 1.0 0.216± 0.1 0.95-1.13 2 JLU Mars 2 40.4± 1.0 0.167± 0.1 1.05-1.26 3 JLU Mars 3 39.4± 1.0 0.05± 0.05 1.12-1.45

表4 不同粒径分布模拟火星壤的力学特性 Table 4 Terra-mechanics Characters of Martian Simulant Regolith