火星土壤——地外土壤的新疆界_風聞

火星土壤是火星殼與火星大氣相互作用的關鍵帶，記錄了火星表面複雜的地質環境過程。火星土壤是研究火星演化歷史、表面地質過程（風化、撞擊、流水等作用）、就位資源利用、火星生命等的重要研究對象。火星土壤的性質也是火星就位/巡視探測和未來載人探火工程上需要考慮的關鍵因素之一。

火星土壤與探測

廣義上來説，火星表面廣泛存在，覆蓋着基岩的細粒鬆散物質被行星科學家稱為“火星土壤”（Martian soil）。但在過去近六十年的火星探測研究中，這些物質在不同的研究背景下，還有着許多不同的叫法，例如：風化層（regolith）、（風成或河流）沉積物（aeolian/fluvial deposit）、沉積物(sediment)，塵埃（dust）或土壤（soil）。但整體上，它們都可以統稱為“火星土壤”。

通過一系列的火星着陸/巡視任務，我們已經對火星土壤的基本性質有了較好的瞭解，包括土壤顆粒特徵、化學與礦物組成和物理與力學性質等。歷史上，海盜1號（Viking Lander 1）、海盜2號（Viking Lander 2）、探路者號（Mars Pathfinder）、勇氣號（Spirit）、機遇號（Opportunity）、鳳凰號（Phoenix）都對各自着陸區的土壤開展了多種探測。

到了2012年的好奇號（Curiosity），美國火星車任務對土壤的關注度減弱，但新的探測數據仍然不斷擴充着對火星土壤的認識。比如好奇號（Curiosity）科學團隊通過對比靜止沙丘（Rocknest aeolian deposit）和活動沙丘（Bagnold dune），獲得了沙丘移動對錶面物質特徵的影響。

洞察號着陸器（InSight Lander）經過長期持續嘗試，仍然無法把地温温度計按計劃插入土壤深處，使人們意識到，縱然經過常年的探測積累，我們對火星土壤的特性仍未能完全掌握；未來向火星次表層或更深處的探測和採樣，依然存在挑戰。

中國祝融號火星車的着陸區存在許多從遙感上看起來淺色發亮的，有着幾米至十幾米波長的沙脊。這種特殊的沙脊被稱為“橫向沙脊”（transverse aeolian ridge; TAS），是在火星低重力低氣壓下形成的，在地球上很難找到對應物。祝融號正在開展的就位探測將為我們瞭解這類特殊沙脊的特徵和演化路徑提供新的啓示。

圖1 火星着陸點觀察到的土壤特徵。（a）好奇號着陸點觀察到的活動沙丘Bagnold dunes；（b）勇氣號火星車失靈的車輪翻動出埋藏在表土下的高硅物質（白色）；（c）鳳凰號用機械臂在火星北極土壤中挖掘出埋藏的水冰（白色和暗色），這些水冰源自大氣向土壤的擴散；（d）好奇號在靜止沙丘Rocknest挖掘採樣進行分析，靜止的沙丘表面是較粗的顆粒而內部是更細的顆粒（圖源：NASA/JPL-Caltech/MSSS；NASA/JPL-Caltech/Cornell；NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Texas A&M University）

火星土壤的物質組成特徵

火星土壤以玄武質為主，其中火成岩造岩礦物質量佔比達80 ~ 85%，主要包括橄欖石、輝石、斜長石、鐵的氧化物等。土壤中還含有約佔總量10 ~20%的蝕變礦物（又名次生礦物），主要包括層狀硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、鐵（氫）氧化物等。土壤中廣泛存在造岩礦物中最易被化學風化的橄欖石，指示着火星土壤形成過程中，以物理風化（機械破碎）為主，化學風化（水蝕變）相對較弱。

好奇號火星車通過X射線衍射分析，發現火星土壤中普遍存在佔比約40 ~ 60%的非晶組分，這些組分富鐵，是揮發分（水、硫、碳、磷、鹵素）的主要賦存形式。對非晶物質的進一步研究認為，這些非晶物質可能包含多種組分，例如玻璃質（火山玻璃或衝擊玻璃）、硅鐵石（hisingerite）或者二氧化硅和水鐵礦（ferrihydrite）的混合物、非晶態硫酸鹽（或者吸附硫酸根的鐵氧化物）和納米顆粒的鐵（氫）氧化物。鹽類還可進一步分為硫酸鹽、碳酸鹽、氯氧化物（高氯酸鹽、氯酸鹽）等形式。這些長期存在於火星土壤中的非晶物質，對火星表面的水和氣候環境有着重要的指示意義。

總體而言，火星表層土壤的粒徑從幾微米到幾毫米都有分佈，主要由砂粒級大小的顆粒物質組成，粒徑一般在60 ~ 200 μm範圍內，也含有一些釐米級的岩石碎屑。火星土壤的化學組分主要由硅（Si）、鐵（Fe）、鋁（Al）、鎂（Mg）、鈣（Ca）等元素組成。不同着陸點土壤主量元素上成分基本相似，僅有某些元素可能由於當地基岩的突出貢獻而出現區別。

火星全球土壤的平均組成為：SiO2（45.41%），FeOT（16.73%），Al2O3（9.71%），MgO（8.35%），CaO（6.37%），Na2O（2.73%），K2O（0.44%），P2O5（0.83%），TiO2（0.90%），Cr2O3（0.36%），MnO（0.33%），SO3（6.16%），Cl（0.68%）。

火星土壤表層還沉澱了薄薄一層黏土級顆粒的塵埃層，平均粒徑約為2 ~ 4μm，具有較高的反射率，是火星土壤的一個重要組成部分。塵埃顆粒在火星全球塵暴的作用下充分混合，具有比火星土壤更為均一的化學組成。火星塵埃幾乎隨處可見，覆蓋在岩石、土壤表層，是揮發分的主要載體，富含硫（S）和氯（Cl）。

火星土壤獨特的化學活性

火星土壤另一個顯著的特徵是表土層普遍存在化學活性。早在海盜號時代，火星土壤中存在活性氧物質（ROS）的假説就開始被提出。這些可能源自電化學作用和紫外輻照的活性物質，例如過氧化氫（H2O2）和超氧化物等，可能是海盜號生命實驗中沒有探測到生命物質的潛在原因。通過鳳凰號和好奇號的探測，人們進一步認識到，火星表面還普遍存在氯氧化物及一系列的相關自由基，這些物質可能通過光化學、塵暴或宇宙射線等作用產生。與地球的沙漠區相比，火星表面的水活動更少，大氣和磁場對輻射的保護也更少，這使得火星成為一個地表土壤ROS不斷積累的極端案例。這些普遍存在土壤中的化學活性物質，一旦與有機物和水接觸，可以很快地氧化和分解有機物，這使得火星表層並不適宜生命存活，也給未來登陸的宇航員健康提出了挑戰。

火星土壤的物理特徵

火星車和火星着陸器利用車輪、機械臂、磨具等與火星土壤相互作用，再結合地面實驗室內的模擬實驗，就能夠在火星表面原位獲得火星土壤的體密度、內聚力、摩擦角、承壓強度以及休止角等機械力學性質。配合探測器所攜帶的磁性裝置和成像相機，還可以觀察土壤中磁性組分的性狀和磁性特徵。這些重要的物理參數，為火星車設計、探測計劃的制定、火星車自動駕駛等提供了重要的基礎數據。我國天問一號火星車也正利用類似方法，獲取祝融號火星車着陸區的土壤物理力學特性。

對地外天體的探測正改變着土壤定義

長期以來，人們認為土壤形成至少需要五個要素：母巖物質、氣候、生物、地形和時間。我們對地球土壤的定義主要集中在：土壤的形成因素，維持植物生長的能力和清晰的土壤層結構。但是這些源自地球土壤的定義幾乎沒有考慮非生物環境中形成的土壤。那麼，“地外土壤”算不算真正意義上的“土壤”？

2017 年，美國土壤科學協會委員會批准了一個新定義：土壤是“行星表面（或附近）受物理、化學和/或生物過程影響的成層狀鬆散礦物和/或有機物質，通常含有液體、氣體、生物羣並支持植物生長”。這一新定義意味着，“化學風化”成為定義土壤的充分必要條件，不再需要生物圈的參與；水、生命和有機物對於地球或其他天體的土壤而言，不再是必不可少。這使得地外土壤——火壤、月壤、小行星表面的風化層，都算得上是土壤科學意義上真正的“土壤”。 

可能在未來十年裏，人類的腳步將踏上火星。屆時，我們將需要利用火星土壤，獲取水、種植糧食、建設駐地等等。這些都迫切需要人類在踏足火星之前，對火星土壤的特性和分類有相當的認識，並對不同類型土壤在火星全球的分佈等有所掌握，例如土層厚度、鹽度、含石量、結構、有毒物質等級、是否適用於就位利用等等。隨着人類對於太陽系其他巖質天體的探測，更多類型的地外土壤可能會一一呈現。構建一個類地天體可以廣泛適用的標準化土壤分類體系已成為土壤科學和土壤分類學的新前沿。

來源：中國科學院地球化學研究所