模拟火星地表环境，火星土壤探究

来源：头条浏览：0 2022-12-06 08:41:01

摘要：火星土壤(简称土壤)是广泛分布于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中需要考虑的重要因素之一。回顾了土壤勘探的历史，根据不同的研发需求，对比分析了国内外模拟不同类型土壤的物质组成、物理性质、力学特征等。在此基础上，认为在土壤模拟研究开发中面临以下困难和问题。缺乏可供参考的土壤深层剖面数据；模拟土壤类型不完全的模拟土壤制备技术有待进一步改进。因此，未来模拟土壤的研制需要在以下几个方面加强：利用地表风化玄武岩剖面，进行模拟土壤剖面类比研究；开展冻土型、极端工况型等多种类型模拟土壤的研制；积极探索模拟火土壤开发新方法。

关键词：原位资源利用天文学模拟火中火星玄武岩

模拟火星地表环境，火星土壤探究

1、引言

火星是地球的邻星，也是太阳系内最接近地球的天体，也是人类深空探测的重要目标。目前火星气候寒冷干燥，表面覆盖大量未固结或固结不良的风化物质，称为火星土壤[1]，按其粒度和固结情况可分为尘、砂状、皮肤状-块状和块状4种[2]。多源勘探和位置探测数据均表明土壤主要物质组成与地球玄武岩相似[表1 ] [ 3，4 ]。

通过对“勇气”号和“机遇”号机载微热辐射光谱仪[mini-tes][5]、“型号”号机载化学和矿物学分析仪[chemin][6]的定位分析，发现，勇气号探测器所在的古谢夫撞击坑与“机遇号”探测器所在的子午线平原火土相似主要由橄榄石、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、硫酸氯化物或硫酸氯氧化物等蚀刻矿物组成[ 7，8，9，110 ] MSL )探测器所在盖尔撞击坑内的火土壤由镁橄榄石(~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

火星着陆探测困难，火土的物理力学性质对火星着陆和巡视探测非常重要。目前，只能利用现有的火星着陆器及巡视器机械臂来估计土壤的挖掘和车轮与土壤之间的相互作用试验[20]表3。为了更好地为火星着陆和巡视任务做准备，探测器发射前应尽可能模拟火星表面进行一系列工程试验[21]。例如着陆器冲击试验[ 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，科学研究还需要使用大量的火土壤，包括原位资源利用[27]、建筑材料加工[ 28，29 ]、火土壤原位取水技术[30]、生物培养技术[31]、水和含水流动性研究[32]等。

但是，人类在最近的50年中有40多次火星探测没有实现火星土壤的采样[33]。在火星探测工程的实施和科学研究中，可供地表实验室研究和测试的实际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。因此，为了进行一系列的科学研究和工程试验来代替真实的火土壤，开展模拟火土壤样品的研制是十分必要的。目前，美国多次成功开展火星着陆探测，其仿真技术比较成熟，欧空局和俄罗斯也做了相关工作，积累了大量经验。中国的火星探测才刚刚开始，计划于2020年发射火星探测轨道器和火星车，进行首次火星表面巡回探测[34]。

发射前需要大量模拟火土壤进行地面验证试验，国内对模拟火土壤的需求增大，由于国外模拟火土壤产量和销售受限等原因，我国难以进口大量成品模拟火土壤，这也促使国内科研团队研发模拟火土壤。本文在充分调查的基础上，对比分析了国内外不同类型土壤模拟的物理化学特征，总结了土壤模拟研制过程中面临的困难和问题，并对未来的土壤模拟工作进行了展望，以期为我国未来的火星探测提供参考。

2、模拟土壤的研制现状

由于实际土壤形成过程的复杂性和特殊性，地面人工模拟样品不能完全与实际土壤相似，因此模拟的土壤只能在某一方面与实际土壤相似，或者模拟某一极端情况下的土壤。目前公开报道的有40多种模拟火土壤，根据其研制之初的主要用途，通常可分为科研用模拟火土壤和工程试验用模拟火土壤，其制备技术也不尽相同。

2.1科研模拟土壤

这种类型的模拟土壤首先要保证物质组成和化学成分与实际土壤尽可能相似，然后考虑其他性质的相似性。根据研发目的，主要分为谱系模拟土壤、天体生物学研究系模拟土壤和原位资源利用系模拟土壤。

2.1.1谱系模拟土壤

谱系模拟土壤为美国johnsonspacecentermarssimulant ( JSC mars-1 )型、 marsglobalsimulant ) MGS-1 )型和jezerodeltasoilsimulant ) JEZ-1 )的JSCMars-1型模拟土壤于1998年由美国约翰逊空间中心( JohnsonSpaceCenter

2005年美国Orbitec公司得到JSC的JSCMars-1授权，从同一来源提取原料开发销售新样品，命名为JSCMars-1A。 JSCMars-1研制之初为光谱模拟土壤，现已广泛应用于科学界各种科研和探测器工程试验[44]。 JSCMars-1是粒径小于1mm的颗粒物，颗粒类型分为两种，有磁性的部分侵蚀较少，主要由斜长石、钛磁铁矿及少量辉石、橄榄石和玻璃组成，粘土矿物含量小于1 wt % [ 39 ]。非磁性部分和磁性部分矿物种类相同，但随着冲蚀程度的增加，矿物含量降低，非晶铁氧化物含量增加。相比之下，JSCMars-1化学成分中的SiO2、Fe2O3和CaO与火星表面相近，但Al2O3和TiO2含量相对较高，MnO含量低，挥发成分含量高(表4 )，但体密度相对较小(表3 )。

JSCMars-1是典型的光谱用途模拟土壤，可见光-近红外反射光谱与火星奥林巴斯-亚马逊的明亮区域的(热辐射分光器) TES )数据反射率) 0.2 )光谱特性非常接近(图1 ) ) 39、44、光谱数据表明，在波长400~1000nm范围内，两者极为相似，三价铁的特征光谱表明在JSCMars-1下结晶赤铁矿低于火星表面。 JSCMars-1的光谱在1400nm和1900nm处显示出明显的水吸收峰，这与原料取自火山灰和火山渣的吸水性强的特性相关。 JSCMars-1含水率高，100时脱水率达7.8wt%，600时烧毁量达21.1wt%[39]，这一特点与土壤明显不同。海盗1号和海盗2号着陆区土壤加热至500时测得含水率均为0.1~1.0wt%[48]，型号火星车将凝胶撞击基坑的石巢Rocknest风积件加热至约835后含水量为1.5~3wt% 根据土壤中存在该分水的非火星奥德赛探测器搭载的伽马射线能谱仪数据，该挥发弥散失温度在全球火中的水分含量基本在3wt%以下[50]。

由MGS-1型模拟土壤由美国佛罗里达大学开发，代表火星表面低硫矿物类型的土壤，模拟对象为盖尔撞击坑石巢区域的风积土壤[51]。原材料选择了来自Stillwater的杂岩、来自Madagascar的福拉玄武岩、来自NorthCarolina的斜长石、来自巴西的古铜辉石和来自SanCarlos的高镁橄榄石。根据型号上搭载的XRD结晶矿物的分析结果和非晶质成分的推测，将矿物(长石、辉石、橄榄石)和玄武质玻璃按配合比例混合后，将混合物粒子与水及五氢偏硅酸钠)粘合剂)以100:20:2的重量比用微波炉加热除去水分，形成固体块状物质，进行机械研磨，然后，加入二次矿物(水合二氧化硅、硫酸镁、水铁矿、硬石膏、菱铁矿、赤铁矿)，边搅拌边研磨成微粉末，筛分粒径小于1mm的物质，最终

将MGS-1的模拟火床的反射光谱与来自以前的模拟火床、火星车和轨道器的数据进行了比较，结果表明，在短波长( 400(1100nm ) )下，MGS-1的波形和反射率与由号桅杆照相机得到的石巢地区的火床的光谱大致相似(图10 ) 在较长的波长下，与火星快车上搭载的OMEGA分光器测量的地面反射率区域相似[54]。 MGS-1型模拟火土壤自然体密度为1.29g/cm3，而火星探测器号着陆区模拟火土壤体密度为1.07~1.64g/cm3，海盗1号着陆区表面松散沉积物天然密度约为1.15g/cm3，与已知火星着陆器和巡视器探测结果基本一致目前，还没有关于MGS-1型模拟月面表土的土力学相关研究数据。

图1模拟火土壤相对反射光谱与火星遥感光谱的比较研究[ 33，36，44，51 ]

JEZ-1型模拟壤土由MGS-1开发，用于模拟美国Mars2020勘探任务预着陆地点Jezero撞击坑内三角洲的壤土[52]。根据轨道遥感数据检测Jezero撞击坑内三角洲沉积物的结果，在MGS-1中添加了粘土矿物(蒙脱石)、碳酸镁、硫酸镁和额外的橄榄石。 JEZ-1粒度小于1mm，平均粒径约为38m，天然体密度为1.45g/cm3。其他性质尚未见报道。

JMSS-1型模拟土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开发[33]。 JMSS-1以内蒙古集宁玄武岩为原材料，添加磁铁矿和赤铁矿，配比为9352，弥补了集宁玄武岩含铁量少于火土的不足。 JMSS-1粒子粒径小于1mm，粒子形态呈角-次角状。矿物组成主要为斜长石(灰长石)、辉石)、橄榄石(透铁橄榄石)、少量钛铁矿、磁铁矿和赤铁矿，未见蚀变矿物。 JMSS-1和JSCMars-1模拟土壤及海贼号、火星探测者号、勇气舰、机遇号、好奇号着陆点实际土壤主量元素含量比较接近，天然体密度为1.45g/cm3，粒子密度为2.88g/cm3，孔隙度为49.65%，内摩擦角约40.6的JMSS-1型模拟土壤具有与火星玄武岩质土壤相似的化学成分、矿物学和物理力学性质，可用于我国未来火星探测科学研究和工程试验。

2.1.2天体生物学研究系模拟土壤

火星表面存在稀薄的大气和液态水，为生命的存在创造了条件。为了模拟地表火星不同环境下生物的生存状况，多个团队开发了一系列模拟土壤，代表性类型是德国的phyllosilicaticmarsregolithsimulant ( p-Mrs )型和sulfaticmarsregolithsimulant ( s-Mrs )型，即美国的通用光学系统tbasaltanalogsoils )系列和yellowknifemarssimulate(y-mars )型模拟土壤，Yelllowknifemarsimulate

P-MRS型和S-MRS型模拟土壤由德国航空航天中心( GermanAerospaceCenter、 DLR )开发，其原材料主要为火成岩、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，与其他添加的P-MRS和S-MRS的物质组成

P-MRS用于模拟火成岩在中性pH流体环境下部分矿物被蒙脱石组(蒙脱石、绿泥石和高岭石(矿物( 58、59 ) )侵蚀，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，除火成岩和无水氧化铁外，还包括铁矿石和石膏[57]。安装在ExoMars2018上的拉曼激光光谱仪也被DLR用于测试识别有机物和矿物的能力[55]。此外，两者还广泛应用于许多天体生物学实验，如微生物研究[ 56，57 ]和国际空间站实验[ 60，61 ]。关于P-MRS和S-MRS的其他性质未见报道。

UF系列模拟土壤由美国佛罗里达大学开发，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生存状况。主要为玄武岩(无毒对照)、酸性土壤(机遇号着陆地点(黄钾)铁铝土壤)、碱性土壤)富碳酸盐)、风成土壤)火星全球)、高氯酸盐土壤)、凤凰号着陆地点)、高盐土壤)勇气号着陆地点

Y-Mars型模拟土壤由英国天体生物学中心研制，模拟对象为盖尔撞击坑黄刀湾的Sheepbed泥岩，根据MSL射线衍射仪分析结果[65]，在地表选择替代相同或相似矿物，按一定重量比Y-Mars粒径范围为0.5~3.0m，平均值为1.2m，标准偏差为0.5m。可见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(通常覆盖有灰尘)的反射率相同。在红外阶段有一定的相似性，但缺乏与~1.4m和1.9m的OH/H2O相关的吸收特性，而在2.15~2.3m表现出与Al-和Fe/Mg-OH相似的特征。没有关于其他关联性的报告。 Y-Mars的研发主要目的是用于未来的天体生物学研究，与常用的火山物质模拟物相比，火星沉积环境模拟物具有更大的天体生物学意义[62]。

OU系列模拟土壤由英国开放大学开发，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，是一种Fe2 /Fe3比值与火星相似的模拟土壤[63]。根据火星表面4种不同的化学环境，开发了4种新的模拟土壤和4种Fe改良品种。玄初期玄武质( EarlyBasaltic，EB )土壤OUEB-1和OUEB-2模拟对象为Zagamishergottite陨石；富硫( Sulfur-rich，SR )土壤、OUSR-1和OUSR-2模拟对象为机会号着陆点PasoRobles样品；赤铁矿( Haematite-rich，HR )土壤、OUHR-1和OUHR-2模拟对象为子午线平原Hema2样品；现代火星土壤( ContemporaryMars，CM )、OUCM-1和OUCM-2的模拟对象为盖尔撞击坑Rocknest样品。 OU系列模拟土壤原料为德国艾菲尔地区马延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

样品经过破碎和筛分，根据不同模拟对象的成分和粒度配置不同的样品。其化学性质均相当于它们模拟的目标化学性质(~5wt%范围内)。 OU系列模拟火土壤粒度主要集中在400~900m，小于300m样品含量较少。 OUSR-1和OUSR-2的天然体密度分别为1.95和1.81g/cm3 (最高，OUEB-1和OUEB-2的密度分别为1.58和1.56g/cm3 )最低。其疏松度在47~52%之间，OUHR-1最高，OUSR-1最低。海贼号着陆着火土壤体密度估计为0.57~1.60g/cm3，疏松估计为31 %~58 % [ 35，66，67，68 ]，火星探测者探测区域最高估计可达2.0g/cm3[69]。 OU系列模拟土壤是为天体生物学开发的，但其物理性质也与土壤具有一定的相似性，可用于未来工程测试。

2.1.3原位资源利用类模拟土壤

原位资源利用( In-SituResourceUtilization，ISRU )技术是指利用近地天体表面的土壤、大气、水冰、矿物等资源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，产生了许多模拟火的土壤。代表性类型为新西兰universityofcanterburymarssimulant ( UC mars1)型模拟火土壤，美国marsglobalsimulant-clay variety ( MGS-1c )型，mmm

UC(universityofcanterbury ) Mars1型模拟土壤由新西兰坎特伯雷大学开发[ 52，73 ]。模拟的对象是火星的古谢夫撞击坑火的土壤。 UCMars1以新西兰班克斯半岛橄榄玄武岩和火山玻璃为原料，分别将清洗干燥后的样品用液压机破碎后送入颚式破碎机，筛分粒度大于700m的样品(~50% )，用0.53mm平板研磨2种原料采用不同的研磨方式获得4种样品，由于样品中灰尘数量( 45m )多于火星表面，部分样品经过清洗后降低了灰尘含量。

然后在50下干燥以去除多余的水分。迄今已生成8种样品，根据古厨师撞击基坑样品的特性，从未清洗过的橄榄玄武岩和火山玻璃中去除了小于590m的细粒，从清洗过的橄榄玄武岩和火山玻璃中去除了300m以上的粗粒。最终，47wt%的橄榄玄武岩(颚式破碎机，2000~590m )、37wt%的洗涤橄榄玄武岩) 0.53mm平板研磨、300m )、7wt%的洗涤火山玻璃)颚式破碎机，2000~5990 m 9wt%清洗火山玻璃) 0.550 )的UCMars1颗粒形貌主要为棱角分明、少量棱角分明，颗粒密度为2.7g/cm3，内摩擦角为35，其他模拟火土34~53内摩擦角和古谢夫冲击坑为坡面没有关于凝聚力的报道。 UCMars1型模拟土壤的研发目的是测试ISRU技术，目前主要用于建筑和基础设施开发。

MGS-1S型和MGS-1C型模拟土壤由MGS-1研制团队开发[51]，专门用于火星水原位置资源利用规划[ marswaterin-situresourceutilizationplan，m-WIP][74] MGS-1S型模拟火土在MGS-1中添加多水硫酸盐石膏，MGS-1C型模拟火土添加含水粘土矿物蒙脱石。 MGS-1S和MGS-1C粒度均小于1mm，但MGS-1S相对较粗，平均粒度达119m，MGS-1C的平均粒度只有24m。 M-WIP研究结果表明，MGS-1C含水粘土型模拟土壤有利于火星上水的提取。对于提水质量和所需功率，MGS-1S硫酸盐型模拟土壤明显优于一般土壤和粘土富集型沉积物，且两种沉积物比永久冻土更易获取和开采[52]。目前尚无MGS-1S和MGS-1C土力学相关研究数据。

NEUMars-1型模拟壤土由中国东北大学研制[70]。以内蒙古乌兰察哈尔火山群玄武岩为原材料，经清洗、干燥、研磨、筛选成不同粒径后，添加磁铁矿和赤铁矿，按9343的重量比混合，使铁含量达到16~22wt%。 NEU-Mars-1的矿物组成主要为斜长石( 47wt%、辉石) 24wt%、橄榄石( 15wt% )、伊利石( 9wt% )、褐铁矿( 3wt%及其他成分) 2wt%，它是“号” NEUMars-1粒径主要分布在0.1m~1200m，少数粒径小于100m，中值粒径为247.172m。 NEUMars-1的玻璃化转变温度为547.8，结晶温度为795.7。目前没有关于NEUMars-1土力学的研究数据。 NEUMars-1型模拟土壤研发的主要目的是ISRU技术研究需求，目前主要用于金属和氧的提取。

除以上3种用于ISRU技术的模拟水土外，美国JSC研究小组[75]基于mojavemarssimulant(MMS，见下文)开发了RocknestAugmentedMMS型模拟水土，用于ISRU水提工艺的测试通过在MMS样品中添加含水硫酸盐( MgSO47HO、FeSO47H2O )、高氯酸盐) NaClO4)和粘土矿物(伊利石IMt-2 )匹配盖尔撞击坑Rocknest样品的水挥发曲线。

除以上典型模拟火土壤外，科研用模拟火土壤还有koreamarssimulant(KMS-1 )型模拟火土壤，kms-1由韩国汉阳大学开发，用于科研和相关工程试验[ 52，71，72 ]。其原料为韩国京畿道北部延川市汉唐岗河沿岸玄武岩，主要矿物为斜长石( 48.9wt% )和橄榄石( 31wt% )，含少量辉石( 14.2wt% )和磁铁矿( 5.8wt% )。 KMS-1用研磨机粉碎分成两个粒度，分为粒度小于3mm的细砂和粒度小于1mm的细尘。其化学成分比真火富含Al2O3、CaO和K2O，贫FeOT、MgO[52]多。由于相关资料较少，其具体用途和其他特性尚不清楚。

2.2工程试验用模拟土壤

由于火星表面的重力约为地球表面的三分之一，即使化学成分和矿物组成一致，模拟地表土壤的力学特性也与实际土壤略有不同，无法满足探测器的工程试验和极端情况下的试验。为此，一些团队开始研制专用于研发工程试验的模拟土壤。该类型模拟土壤的首要考虑因素是其物理力学特性，如颗粒形态、粒径梯度、密度、含水率、内聚力、摩擦角、受压等尽可能接近真实土壤。因此，其原材料选择范围更广，除玄武岩外，还考虑石英等低密度矿物，模拟火星表面低重力环境下火土的力学特性。目前工程试验用模拟土壤的研制种类很多，如mojavemarssimulant(MMS )、SaltenSkovI、surreyspacecentremarssimulate ( SSC )、engineering SSC ) jilinuniving etpropulsionlaboratory ( JPL lab )系列、marsexplorationrover系列模拟火土等。

JSCMars-1型模拟土壤在实际使用中因吸水性问题在一些试验中无效。例如，在美国凤凰号探测器发射前在地面进行了工程试验，模拟了火星环境下挖掘的永久冻土中水的升华损失，发现干燥的JSCMars-1吸水速度太快，难以重现实验结果[76]。为了解决这一难题，研究人员需要选择替代吸水性低的物质，为此开发了MMS型模拟土壤[36]。 MMS原材料采自美国加利福尼亚州莫哈维( Mojave )沙漠西部玄武岩，破碎成砂，收集破碎过程中的粉尘，最终用玄武岩石、玄武质砂、灰尘分别模拟火星表面石、火土、灰尘[36]。 ms主要由斜长石、锂蒙脱石和少量磁铁矿组成，也含有微量钛铁矿和镁橄榄石。

与实际土壤检测结果相比，MMS化学成分中SiO2、Al2O3和CaO含量相对较高，Fe2O3、P2O5和SO3含量较低。紫外-可见-近红外反射光谱表明MMS砂与JSCMars-1比较相似(图1 )。 2016年，美国火星花园( MartianGarden )公司使用与MMS相同的原料开发了MMS-1型模拟土壤用于商业销售。之后，开发了强化型模拟土壤MMS-2。 MMS-2基于MMS-1，向试样中添加Fe2O3、MgO、硫酸盐、硅酸盐，在化学成分上与火星非常相似(表4 )。 ms型模拟土壤曾用于测试初始型号凤凰号的机械挖掘斗和快速主动样品包装系统，也用于测试奇号的挖掘、移动、着陆系统。此外，MMS曾用于模拟火星高纬度地区年水循环试验[76]。

SaltenSkovI型模拟土壤由丹麦奥尔胡斯大学开发，用于模拟火星尘埃，旨在通过风洞实验研究火星尘埃的带电特征、运动特性和粒子间吸附性等。 SaltenSkovI的原材料来自丹麦中日德兰半岛的暗红色沉积物，这些沉积物富含铁矿石、赤铁矿和磁铁矿。 SaltenSkovI的粒径小于63m，且粒子单一粒子的中值粒径为1m，这与实际的火星尘埃的粒径比较接近。 SaltenSkovI的磁性、光学性质和电学性质与火星的尘埃也很接近。但是，因为SaltenSkovI是由纯铁氧化物构成的，所以与实际的火星尘(硅酸盐成分)的差别很大。火星尘模拟SaltenSkovI广泛用于空气动力学、黏附性、内聚力、电学实验等测试，也用于风洞实验[ 42，77 ]。

SSC系列模拟火床由萨里空间中心( SurreySpaceCenter，SSC )开发，用于测试不同类型模拟火床中火星车的通过性能。 SSC-1型模拟土壤原料为未清洗的石英砂，粒度为~63m~1.3mm，含有少量粉砂。 SSC-2型模拟土壤原料为石榴子石，由不同粒度的石榴子石级配而成，粒度从~45~90m不等，中值粒径约为260m，接近JSCMars-1型模拟土壤中值粒径( 250m )。两种模拟土壤的土力学性质也存在部分差异。 SSC-1的体密度从1.615g/cm3增加到1.708g/cm3，摩擦角从39.44增加到43.97，凝聚力从644Pa降低到616Pa。 SSC-2密度从2.227g/cm3增加到2.384g/cm3，摩擦角反而从43.34降低到41.93，凝聚力从1021Pa增加到2246Pa。这一异常的出现与模拟火土壤原料颗粒大小、级配和体密度的差异有关[43]。

es-x(engineeringsoil )系列模拟火的土壤由欧洲空间局开发，用于ExoMars火星车的机动性。 ES-X包括火星尘埃模拟物( ES-1 )、火星细粒风成砂模拟物( ES-2 )、火星粗砂模拟物( ES-3 )。其原材料为霞石和石英粉末，通过粒径配合开发而成。 ES-X的矿物组成、化学成分和磁学性质均与实际火土壤性质差异较大，但ES-X的粒度分布、颗粒形态均与火土壤相似[ 41，78 ]。 ES-1模拟火土壤棱角分明，最大粒径约32m，最小粒径小于10m，接近火星表面尘埃粒度； ES-2呈角-次角状，粒径在30~125m之间，与火星表面风成砂类似； ES-3呈以下圆-圆状，粒径为30~20000m，可表示火星表面的粗砂[41]。

JLUMars系列模拟土壤由吉林大学开发，包括JLUMars1、JLUMars2、JLUMars3种不同粒径分布的模拟土壤。主要用于不同粒径条件下火星巡视探测器的移动性、通过性、试验和土壤相互作用验证[ 20，79 ]。 JLUMars系列模拟土壤原料采用吉林省靖宇县双山火山的火山渣，经过干燥、机械破碎和筛分，根据设计的粒径分布曲线将不同粒度的半成品混合到不同类型的模拟土壤中。 JLUMars系列模拟土壤的颗粒形态呈长条状和二次角状，与JSCMars-1的主成分元素含量相近，但与机遇号、勇气号测得的土壤平均成分存在一定差距。 JLUMars系列模拟火土壤天然密度为0.95~1.52g/cm3，疏松在43.07%~64.42%之间，颗粒密度为2.67g/cm3，粘聚力范围为0~1.4kPa，摩擦角范围为37~52 JLU5Mars-4天然密度为0.95~1.13g/cm3，中值粒径为194m，含水率为0.19%，其摩擦系数为0.39~0.56，平均值为0.46，承载强度为6.3~22.5kPa[26]。

除上述典型模拟火土壤外，工程试验用模拟火土壤还有DLR-A、DLR-B、JPLlab107、JPLLab82、MERYard317和JPLMarsYard几种类型。德国DLR在ExoMars项目研发过程中，开发了DLR-A和DLR-B两种模拟火土壤，研究了用于测试的车轮与火土壤的相互作用。 DLR-A和DLR-B的内聚力分别为0.19kPa和0.41kPa，摩擦角分别为24.8和17.8[ 78，81 ]。美国JPL利用JPL系列和MER系列模拟火土壤，进行了火星斜坡稳定性分析和火星探测车及其他设备的测试。这4种模拟火土壤均经过清洗去除粉砂，使JPLlab107、JPLLab82、JPLMarsYard的粒度主要分布在0.4~1.0mm的范围内。其中JPLMarsYard仍含2%的粉砂物质，这可能与含花岗岩粉末有关。 MERYard在这4种模拟火土中粒度分布最均匀[25]。

3、模拟土壤开发面临的困难和问题

3.1缺乏可供参考的土壤深层剖面数据

目前人类对土壤特性的认识滞后于月面表土，尚未实现土壤回样，因此只有火星着陆器和火星车在表面以下十几厘米的范围内进行抓取、挖掘、刨削、挖掘等原位采样分析工作，火星表面以下几米根据轨道器的遥感数据可以得到表面以下部分区域土壤剖面的形态特征，但无法知道其物理力学特性。例如，在美国的随钻( InSight )火星探测任务中，事先通过高分辨率图像获取着陆地点的剖面数据，结合事先对土壤的认识，设计了可自动挖掘的热流和物理特性探测器。原计划自动钻至距离火星表面约5m以下的位置( 82 )，最初钻至约30cm左右的位置时，无法深钻，原因可能是深部火的特性比预想的要密，火的特性造成的，因此可以作为参考的火星表面以下几米深的断面

3.2模拟火类型不足

目前公开的模拟火土种类有40多种，涵盖火星表面不同化学环境下的土壤，除典型的玄武质土壤外，还包括酸性、碱性、粘土型、泥岩型、高氯酸盐型、氯盐型、硫酸盐型、碳酸盐型、赤铁矿型等模拟火土但许多证据表明火星表面存在流水活动[ 84，85 ]，还发现了与水有关的沉积结构[ 86，87 ]和矿物[ 4，84，88，89 ]，凤凰号探测器钻井实验也直接观测到火星表面有水冰存在[ 999 ] 遥感探测研究结果表明，火星浅表层存在大量水冰，复盖火星表面1/3面积，稳定存在于40以上中高纬度或表以下几厘米至几十厘米深处[ 92，93，94 ]。这些地区是最有可能保存生命和生命遗迹的地方，是目前火星探测的热点。火星上的水不全是纯水，也有含盐卤的水[95]，存在于浅表层火中的状态可能是[含盐]水冰混合冻土或纯冰层[95、96、97、98]。地表含盐冻土研究表明，(含盐)水冰参与改变了土壤结构，使土壤物理力学性质发生较大变化，不同成分的盐类(如氯酸盐、碳酸盐、硫酸盐)和不同浓度盐类对土壤的影响不同[ 99，100，101 ]。凤凰号在火星表面反铲作业中遇到的阻力在3~5cm深的冻土界面处随着土壤深度的增加而增强，这些土壤与海盗2号拍摄和挖掘的粘性较弱的壶状-块状土壤外观和性质相似，吸附的H2O随着土壤性质的变化和凝聚力强度的变化但相关类型土壤模拟的研究开发起步较晚，虽然有少量学者进行了相关试验，例如国外学者在JSCMars-1中添加不同含量的蒸馏水冷冻后测试抗折强度和弹性模量，但没有进行抽样试验[ 国内有学者对模拟含冰土壤进行了钻孔试验[94]，但公开资料较少。

3.3模拟土壤的制备技术有待进一步改进

从模拟土壤研发的历史来看，其研发目的决定原料的选择，原料的不同决定制造技术的不同。传统的模拟火土壤制备方法归纳为全岩模拟法和单矿物模拟法。全岩模拟法通常选择矿物成分和化学成分与模拟对象相似的岩石，将原料干燥后破碎筛选成不同的粒级半成品，然后根据模拟对象的特性进行混合，原料为单一来源。单一矿物模拟法根据研发目的选用单一矿物为原料，或根据模拟对象的物质组成比选用不同的矿物为原料，干燥后分别破碎筛分成不同粒级的半成品，根据模拟对象的特性将原料的成分和比例土壤是岩石经过物理和化学风化的综合作用，由于地球和火星岩石演化的差异，全岩模拟方法中地球天然岩石样品不能兼顾所有矿物和化学成分的比例相似。而单矿物模拟方法中，样品颗粒形态多以矿物碎屑而非火中岩石碎屑为主，其物理力学性质存在一定差异，不能兼得。

四、结论与展望

本文对典型模拟火土壤的化学性质、矿物种类和物理力学性质进行了统计，提出了目前模拟火土壤研究中存在的问题，针对上述问题，认为未来模拟火土壤的研究开发有以下趋势和方向：

1 )进行模拟火土壤剖面的研究。在野外选择风化玄武岩的天然剖面进行相关测试工作，结合火星其他数据与土壤的相互作用，可以在室内建立模拟火土壤剖面。

2 )开展不同类型模拟土壤的研制。模拟火星低温环境，开展(含盐)冻土型模拟土壤、极端状况型等不同类型模拟土壤的研究开发，丰富模拟土壤种类。

3 )积极探索模拟火土壤建立新方法。目前，JMSS-1型模拟土壤采用全岩模拟法尝试添加单矿物进行成分优化，MGS-1型模拟土壤采用新方法融合并破碎多种矿物在化学成分、光谱特征和物理力学性质方面达到了一定的相似性，取得了一定的成果。不断开展新技术和新方法的研究，将全岩模拟法和单矿物模拟法有机结合起来，是未来模拟土壤制备方法的发展趋势。