去太空找矿！NASA已在火星用无人设备开始地质勘探

2020-03-10 11:19:31
来源：地一眼
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据外媒报道，不少人可能曾经有过反复发生的关于掉进坑里的噩梦。美国宇航局（以下简称NASA）的火星勘测轨道飞行器（又名MRO）的新图像推动了这一童年噩梦。该图像是1月24日由MRO的HiRise相机采集的，显示出一个令人震惊的深坑，表面较浅。这就引出了一个大问题：黑暗深处藏着什么？

亚利桑那大学的HiRise团队进行了亮度增强，以观察这一深渊。HiRise的联合调查员Ross Beyer在周五的声明中写道：“深坑的周围似乎是光滑的沙子，并向东南倾斜。希望是要确定这是一个孤立的深坑，还是进入隧道的天窗，就像夏威夷的熔岩管中的天窗一样。”

科学家怀疑这是火星火山洞穴的所在地，这些洞穴可能成为未来漫游车或人类探险者的迷人目的地。MRO正在调查的深坑可能是通往这些地下世界的门户。Beyer写道：“我们显然看不到可见壁中的任何隧道，但它们可能位于其他不可见壁中。”

这只是广袤宇宙中一次微不足道的发现。引力波，黑洞，近几年宇宙研究领域出了不少重量级的发现，但是有一个最关键的领域常被人忽略，那就是行星地质学，天文、物理这些科研领域可以说是仰望星空，已经发展到了多少万亿光年以外，而行星地质学则是真正的脚踏实地，从地球到月球，到火星，到太阳系，行星地质学在一步一个脚印的发展。

行星地质学是什么？

行星地质学是研究太阳系中行星、卫星、小行星、彗星和行星环等固态天体形成和演化过程的一门交叉学科，是在地质学和天文学发展过程中逐渐发展形成的。

20世纪60年代，在世界地学界发生了两件大事：一是地球海底扩张与板块构造理论的提出，这极大地推进了我们对地球地质历史与演化过程的认识，对地球科学起到了革命性的作用；二是起源于美国和前苏联军事、政治竞争的空间探测，使科学家开始了对太阳系行星及其卫星的探测。

从20世纪60年代开始已经发射了十多个深空探测器。这些探测任务为地质学家提供了大量的直接探测数据，使我们有可能对地球的近邻和远亲进行系统的研究。正如著名地质学家Head所言，现在我们已拥有大量空间探测数据，可以对包括所有行星在内的太阳系星体进行地质研究。

为什么去宇宙研究地质？

从16世纪中叶哥白尼提出“日心学说”开始，天文学经历了几百年的发展历程，从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学，再到研究天体的物理结构和物理过程的天体物理学方向不断发展。

目前，我们已经开始清晰地展现天体表面错综复杂的地质现象，大量详细地质现象和信息的获取为我们研究太阳系天体的演化过程提供了契机。随着空间探测的不断发展，地质学和天文学的契合程度越来越高。一方面，天文观测和太阳系探测需要利用地质学方法和积累的地学资料揭示观测现象、指导工程探测；另一方面，研究太阳系类地行星和其他天体的地质演化，将之与地球研究相结合，可以阐明我们还不知道的地质历史事件。现在我们知道，所有类地天体都具有类似的形成及分异过程，研究月球、火星、金星时，我们实际也在类比研究地球的早期地质历史，而这些信息是不能仅从地球本身获得的。

迄今为止，人类已经获得了大量月球和火星的探测数据，对金星、水星、类木行星及其卫星的探测数据也正在源源不断地获得。鉴于此，西方地学界有越来越多的地质学家转向行星地质的研究。我国地学界对于行星地质学的研究十分薄弱，几乎所有对太阳系空间的科学认识都是来自西方国家的探测成果。这主要受制于我国过去的经济和科技发展水平。着我国社会的巨大进步和科技实力的增强 , 尤其是以嫦娥月球探测计划为起点，我国地学家将可以利用第一手探测数据来进行月球地质研究。以期尽快形成我国的行星地质研究体系和队伍，为我国的行星地质教育和空间探测事业服务。

火星，是怎样研究的？

人类对火星的探测一直都是空间探测的热点。在19世纪初，基于望远镜的观察，一些天文学家认为火星上可能存在生命。1960年前苏联发射的首颗火星探测器拉开了这一科学过程的序幕，此后，美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度和中国陆续实施了一系列的火星探测活动。由于火星是距离地球最近的类地行星，其是否存在水和生命，可否成为人类另外家园等问题是人类探测活动的最初动力。

但最近的探测活动又在改变对火星的认识。新的探测数据显示，过去火星的表面存在流动的水体，现在很可能存在地下储水层。因此，火星的过去不仅可能存在简单的生命，而且还可能存在于现在的地表以下。NASA非常希望通过机器人的探测来寻找火星表面的水和生命，进行了一系列的探测活动。NASA将评估这些探测活动的结果。同时，地质学家根据火星表面的影像分析资料，初步建立其表面可能的地层分布情况，也进一步推动了人类认识火星的进程。

火星研究通常采用多种研究手段和方法。根据研究途径，大致可划分为3种：探测方法（数据获取）、地质方法（类比/推理/假设）和行星制图法（行星地质图/综合性认知）。探测方法是指利用地基观测设备或通过向行星发射相关探测器获取行星物质组成、构造特征、浅层结构等地质信息的方法。行星制图法通过地质图来总结和呈现地貌、地层、岩矿等的空间分布和时空关系。

地质学家早就认识到对地球表面形态造成影响的主要有3种地质作用：构造作用、火山作用、夷平作用。而对其他行星表面的改造作用还需加上撞击作用，而且这一作用对行星表面形貌的形成影响很大，在火星上依然可以沿用这种地球科学的研究思路。

根据传统地质学的研究经验和方法，火星研究通常涉及的地质方法包括：样品分析、类比研究、模拟实验和数值计算等。利用多种先进的地球科学分析设备，对探测返回的样品及陨石样品，开展详细分析研究，能为认识火星地质过程及演化提供宝贵信息。类比研究则是参照地球已知的地质现象（如地球撞击坑）和地质方法（如层序方法）等，利用比较行星学的研究思维，开展类比研究，从而获得地外天体地质过程及演化过程的机理和新知。模拟实验是通过在地面实验室搭建模拟设施，实现相关地质过程和环境条件的模拟，以探索关键过程、关键边界条件和制约因素的一种方法。目前在揭示地外天体演化规律，探测数据解译，以及生命起源演化等方面都有广泛的应用。

火星的研究领域几乎包括地球科学的全部领域。目前和近期可以开展的研究对象和内容包括：生物学、沉积地层与环境学、火山学、全球构造模拟、矿物及岩石学、成分与演化、地质填图、撞击构造、与地球的相似性研究等等。火星是除地球之外研究程度最高的行星，在某些领域甚至超过对地球的了解。目前在火星固体地球物理、基岩地质与地质单元、表面性质和过程、现代大气圈、生态学等方面都有不少研究成果，而且都可以归纳到广义的行星地质学范畴。

钻探火星，要怎么做？

2018年5月，美国“好奇号”火星车探测结果显示：火星上存在含硫的有机质，同时甲烷浓度随季节更迭呈现规律性变化，而这重大发现是依赖于其钻探样品自动分析结果，因此，取样钻探是火星探测中不可或缺的关键技术。根据NASA的公开资料，“好奇号”火星车取样钻探概况、取样钻探要求和取样系统组成情况如下:

1、火星表面不确定环境因素和取样钻探动力技术问题是系统设计中应考虑的主要技术因素，取样钻探工艺较全面钻探对动力要求低；

2、取样钻探系统应围绕智能化、模块化、轻量化展开，从系统组成上可划分为接触式稳定系统、辅助结构系统、压力和回转传递系统、封闭保护壳（稳定器）系统、钻头系统、转盘系统、主动轴系统和冲击钻进系统；

3、取样钻探系统技术原理同传统取芯钻探既有类似之处，也有自身特殊要求，特别是接口设计、样品的收集、多因素影响下的密封和稳定性等需要综合多学科先进技术完成；

4、由于对火星的取样钻探是人类的首次尝试，实施中出现技术问题无法避免，如2016年底至2018年中旬，“好奇号”由于技术问题一度处于停滞状态，加之相关技术资料的保密性，火星取样钻探的研究工作亟待加紧实施，也是进一步认识火星的关键基础。

火星上有生命化石？

火星是除了太阳和月球之外，最让地球人惦记的星球了。中国古人把她称为“荧惑”。后来的观测证实，她的橘红色的外表是因为表面含有广泛的赤铁矿（即氧化铁）。

学过地质的人肯定对赤铁矿这个词很敏感，因为赤铁矿是铁的重要存在形式，地球上分布最广的赤铁矿资源是属于沉积类型的。如果火星上广泛分布着赤铁矿的资源，那么，理论上应该是有很大几率发现沉积岩的。如果一个地方既发现了氧元素，又找到了沉积岩，那么说明这一地区在远古的时候，具备存在生命的条件。

NASA在近些年不断的公布新的火星照片，一张张突破性发现，不断引起爱好者们的欢呼。看下面这张照片：

如果不告诉你，你肯定会以为这是地球上某个干旱湖泊的湖底。实际上，这是NASA火星科学实验室“好奇号”项目组分析“好奇号”收集的数据后，证实在大约33-38亿年前火星上存在一大片河流和湖泊，在之后的岁月里，这些湖泊沉积物慢慢形成了火星夏普山（Mount Sharp）最底部的一些沉积岩层。这实际上就说明了，数十亿年前，火星上的环境与现在的地球环境十分接近。至于为什么会发生现在这种巨大的环境变化，留待NASA和其他科学家们继续去探索。我们地质工作者最关心的就是，在这些沉积岩里，会有什么样的发现。

在发现沉积岩之前，已经有科研团队发表过研究成果，声称在来自火星的陨石中，发现了生命甚至是化石的痕迹：

▲“Nakhla”陨石编号1151-1样本中的炸面圈结构

▲“Nakhla”陨石编号e4150ed样本中的较大“微化石”

▲“Nakhla”陨石中的“足迹”状坑结构

这些科研成果在当年引发了极大的轰动。但是呢，很多人还是表示怀疑：你怎么就能够确定这些石头就是来自火星的呢？而且，陨石在降落的过程中，高温促使岩石结构发生奇特的改变，这也是有可能的。直到这一张图片被公布，所有的古生物爱好者看到后纷纷表示：这分明就是虫管化石或者是珊瑚化石啊！

▲疑似火星化石

最重要的，NASA不但有火星过去存在流水的证据，而且已经发现，火星的南极，现在还存在有大量的水冰。有氧气，有水，有沉积岩，如果能把一个地质科考小队送到火星上去，那么我们有信心会发现生命存在的重大线索。

太空地质勘查？可以有

对于行星地质学的研究，从最实际的目的来看，人类未来肯定要进行利用，目前研究利用最可能的就是月球，对于月球资源的利用研究开展最好的是美国。美国研究机构和矿业部门对月球资源的利用开展了多年的研究，例如对于在月球表面如何进行采矿、选矿、后勤、通讯等，NASA专门设立了月球资源的原地利用部门，并提供了多种采选设备的原型机，成果总结如下 :

1、资源原地利用和对月球环境的影响。包括如何进行封闭作业而不对月球环境造成破坏。提出了用原地的“水”吸附粉尘、适应月球环境的运输袋、月球表面电磁场与粉尘的关系、月球表面可能存在的有毒气体或粉尘处理方案。

2、有关交通和商务。建议建立私人、企业和公用的交通设施，主要指在地月空间建立低轨的共用平台、与之相关的支撑系统。银河系矿业有限公司提出了业务计划、市场定义和收入构成方案。

3、探矿。月球探矿的设备，如利用中子和伽马射线进行资源勘探的方法和设备、原地资源的勘探和评价、填图、矿山建立地点的选择、机器人进行勘探的过程等。

4、开采和运输。开采计划的制定、自动钻探与地下开采、月壤的机械力学性质模拟、挖掘设备的设计与选择、月壤及粉尘在月球表面的运动方式、月球表面物质处理系统等等。

5、有用物质的提取。运用真空高温分解技术、电化学分解技术、通过氢还原技术对获得月壤模拟样品中水的动力学过程研究。

6、在月球建立工厂，为未来火星采矿服务。模拟火星表面原地资源利用中的水提取技术、火星原地的推进技术、用于火星勘探任务的金属-CO2推进技术。

总结

进入21世纪，为满足人类探索外太空的好奇心及人类社会可持续发展的需求，行星探测活动已逐步成了世界各航天大国的“竞技场”。美国、欧空局、日本等航天强国或部门都先后推出了各自的太阳系探测规划，引领着行星地质学的发展。当前，欧美行星地质学研究已经进入到定量化和精细化的阶段，对一些特定区域开展了综合性研究。例如，NASA开展了“Mars 2020”火星探测器预选着陆区的地质、水文、气象等方面的综合研究，月球南极-艾肯盆地的遥感地质学特征综合研究，以及水星南北极永久阴影区水冰的多探测方式深度研究等。而对一些具体的地质过程研究，如高速撞击、火山活动、冰川活动、沙丘运动等，国际上已形成了各自的研究群体。

相比而言，我国在行星地质学研究领域的发展较为缓慢，1978年，欧阳自远利用美国总统卡特赠送的1克月岩样品开展了月球地质的研究，编著了《月质学研究进展》，开创了我国行星地质学研究的先河。但是，受制于我国当时的经济和科技发展水平，未能开展相应的空间探测任务，研究资料严重匮乏，以致这一学科长期裹足不前。

随着我国社会的巨大进步和科技实力的增强，尤其是以2007年10月24日“嫦娥一号”月球探测器发射成功为标志和起点，我国地球科学家可以利用第一手探测数据来进行月球地质研究。随着其他深空探测任务的成功实施和推进，我国行星地质学正在快速发展，已初步形成了一定规模的研究群体。但是，由于起步较晚，与欧盟、美国、日本等发达国家和地区相比均存在较大差距。我国积极参与深空探测将获得第一手行星地质数据，国际深空探测计划的持续实施和数据的广泛共享为中国科学家参与行星地质学的研究提供了广阔空间。有利的研究条件吸引了一批青年人投身行星地质学的研究，从事天体表面环境过程、月球早期演化、火星地貌等方面的研究，这有望使我国在国际行星地质学领域占据一席之地。