去太空找礦！NASA已在火星用無人設備開始地質勘探

2020-03-10 11:19:31
來源：地一眼
0
0
添加收藏

據外媒報道，不少人可能曾經有過反復發生的關于掉進坑里的噩夢。美國宇航局（以下簡稱NASA）的火星勘測軌道飛行器（又名MRO）的新圖像推動了這一童年噩夢。該圖像是1月24日由MRO的HiRise相機采集的，顯示出一個令人震驚的深坑，表面較淺。這就引出了一個大問題：黑暗深處藏著什么？

亞利桑那大學的HiRise團隊進行了亮度增強，以觀察這一深淵。HiRise的聯合調查員Ross Beyer在周五的聲明中寫道：“深坑的周圍似乎是光滑的沙子，并向東南傾斜。希望是要確定這是一個孤立的深坑，還是進入隧道的天窗，就像夏威夷的熔巖管中的天窗一樣。”

科學家懷疑這是火星火山洞穴的所在地，這些洞穴可能成為未來漫游車或人類探險者的迷人目的地。MRO正在調查的深坑可能是通往這些地下世界的門戶。Beyer寫道：“我們顯然看不到可見壁中的任何隧道，但它們可能位于其他不可見壁中。”

這只是廣袤宇宙中一次微不足道的發現。引力波，黑洞，近幾年宇宙研究領域出了不少重量級的發現，但是有一個最關鍵的領域常被人忽略，那就是行星地質學，天文、物理這些科研領域可以說是仰望星空，已經發展到了多少萬億光年以外，而行星地質學則是真正的腳踏實地，從地球到月球，到火星，到太陽系，行星地質學在一步一個腳印的發展。

行星地質學是什么？

行星地質學是研究太陽系中行星、衛星、小行星、彗星和行星環等固態天體形成和演化過程的一門交叉學科，是在地質學和天文學發展過程中逐漸發展形成的。

20世紀60年代，在世界地學界發生了兩件大事：一是地球海底擴張與板塊構造理論的提出，這極大地推進了我們對地球地質歷史與演化過程的認識，對地球科學起到了革命性的作用；二是起源于美國和前蘇聯軍事、政治競爭的空間探測，使科學家開始了對太陽系行星及其衛星的探測。

從20世紀60年代開始已經發射了十多個深空探測器。這些探測任務為地質學家提供了大量的直接探測數據，使我們有可能對地球的近鄰和遠親進行系統的研究。正如著名地質學家Head所言，現在我們已擁有大量空間探測數據，可以對包括所有行星在內的太陽系星體進行地質研究。

為什么去宇宙研究地質？

從16世紀中葉哥白尼提出“日心學說”開始，天文學經歷了幾百年的發展歷程，從主要純描述天體位置、運動的經典天體測量學，向著尋求造成這種運動力學機制的天體力學，再到研究天體的物理結構和物理過程的天體物理學方向不斷發展。

目前，我們已經開始清晰地展現天體表面錯綜復雜的地質現象，大量詳細地質現象和信息的獲取為我們研究太陽系天體的演化過程提供了契機。隨著空間探測的不斷發展，地質學和天文學的契合程度越來越高。一方面，天文觀測和太陽系探測需要利用地質學方法和積累的地學資料揭示觀測現象、指導工程探測；另一方面，研究太陽系類地行星和其他天體的地質演化，將之與地球研究相結合，可以闡明我們還不知道的地質歷史事件。現在我們知道，所有類地天體都具有類似的形成及分異過程，研究月球、火星、金星時，我們實際也在類比研究地球的早期地質歷史，而這些信息是不能僅從地球本身獲得的。

迄今為止，人類已經獲得了大量月球和火星的探測數據，對金星、水星、類木行星及其衛星的探測數據也正在源源不斷地獲得。鑒于此，西方地學界有越來越多的地質學家轉向行星地質的研究。我國地學界對于行星地質學的研究十分薄弱，幾乎所有對太陽系空間的科學認識都是來自西方國家的探測成果。這主要受制于我國過去的經濟和科技發展水平。著我國社會的巨大進步和科技實力的增強 , 尤其是以嫦娥月球探測計劃為起點，我國地學家將可以利用第一手探測數據來進行月球地質研究。以期盡快形成我國的行星地質研究體系和隊伍，為我國的行星地質教育和空間探測事業服務。

火星，是怎樣研究的？

人類對火星的探測一直都是空間探測的熱點。在19世紀初，基于望遠鏡的觀察，一些天文學家認為火星上可能存在生命。1960年前蘇聯發射的首顆火星探測器拉開了這一科學過程的序幕，此后，美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度和中國陸續實施了一系列的火星探測活動。由于火星是距離地球最近的類地行星，其是否存在水和生命，可否成為人類另外家園等問題是人類探測活動的最初動力。

但最近的探測活動又在改變對火星的認識。新的探測數據顯示，過去火星的表面存在流動的水體，現在很可能存在地下儲水層。因此，火星的過去不僅可能存在簡單的生命，而且還可能存在于現在的地表以下。NASA非常希望通過機器人的探測來尋找火星表面的水和生命，進行了一系列的探測活動。NASA將評估這些探測活動的結果。同時，地質學家根據火星表面的影像分析資料，初步建立其表面可能的地層分布情況，也進一步推動了人類認識火星的進程。

火星研究通常采用多種研究手段和方法。根據研究途徑，大致可劃分為3種：探測方法（數據獲取）、地質方法（類比/推理/假設）和行星制圖法（行星地質圖/綜合性認知）。探測方法是指利用地基觀測設備或通過向行星發射相關探測器獲取行星物質組成、構造特征、淺層結構等地質信息的方法。行星制圖法通過地質圖來總結和呈現地貌、地層、巖礦等的空間分布和時空關系。

地質學家早就認識到對地球表面形態造成影響的主要有3種地質作用：構造作用、火山作用、夷平作用。而對其他行星表面的改造作用還需加上撞擊作用，而且這一作用對行星表面形貌的形成影響很大，在火星上依然可以沿用這種地球科學的研究思路。

根據傳統地質學的研究經驗和方法，火星研究通常涉及的地質方法包括：樣品分析、類比研究、模擬實驗和數值計算等。利用多種先進的地球科學分析設備，對探測返回的樣品及隕石樣品，開展詳細分析研究，能為認識火星地質過程及演化提供寶貴信息。類比研究則是參照地球已知的地質現象（如地球撞擊坑）和地質方法（如層序方法）等，利用比較行星學的研究思維，開展類比研究，從而獲得地外天體地質過程及演化過程的機理和新知。模擬實驗是通過在地面實驗室搭建模擬設施，實現相關地質過程和環境條件的模擬，以探索關鍵過程、關鍵邊界條件和制約因素的一種方法。目前在揭示地外天體演化規律，探測數據解譯，以及生命起源演化等方面都有廣泛的應用。

火星的研究領域幾乎包括地球科學的全部領域。目前和近期可以開展的研究對象和內容包括：生物學、沉積地層與環境學、火山學、全球構造模擬、礦物及巖石學、成分與演化、地質填圖、撞擊構造、與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，在某些領域甚至超過對地球的了解。目前在火星固體地球物理、基巖地質與地質單元、表面性質和過程、現代大氣圈、生態學等方面都有不少研究成果，而且都可以歸納到廣義的行星地質學范疇。

鉆探火星，要怎么做？

2018年5月，美國“好奇號”火星車探測結果顯示：火星上存在含硫的有機質，同時甲烷濃度隨季節更迭呈現規律性變化，而這重大發現是依賴于其鉆探樣品自動分析結果，因此，取樣鉆探是火星探測中不可或缺的關鍵技術。根據NASA的公開資料，“好奇號”火星車取樣鉆探概況、取樣鉆探要求和取樣系統組成情況如下:

1、火星表面不確定環境因素和取樣鉆探動力技術問題是系統設計中應考慮的主要技術因素，取樣鉆探工藝較全面鉆探對動力要求低；

2、取樣鉆探系統應圍繞智能化、模塊化、輕量化展開，從系統組成上可劃分為接觸式穩定系統、輔助結構系統、壓力和回轉傳遞系統、封閉保護殼（穩定器）系統、鉆頭系統、轉盤系統、主動軸系統和沖擊鉆進系統；

3、取樣鉆探系統技術原理同傳統取芯鉆探既有類似之處，也有自身特殊要求，特別是接口設計、樣品的收集、多因素影響下的密封和穩定性等需要綜合多學科先進技術完成；

4、由于對火星的取樣鉆探是人類的首次嘗試，實施中出現技術問題無法避免，如2016年底至2018年中旬，“好奇號”由于技術問題一度處于停滯狀態，加之相關技術資料的保密性，火星取樣鉆探的研究工作亟待加緊實施，也是進一步認識火星的關鍵基礎。

火星上有生命化石？

火星是除了太陽和月球之外，最讓地球人惦記的星球了。中國古人把她稱為“熒惑”。后來的觀測證實，她的橘紅色的外表是因為表面含有廣泛的赤鐵礦（即氧化鐵）。

學過地質的人肯定對赤鐵礦這個詞很敏感，因為赤鐵礦是鐵的重要存在形式，地球上分布最廣的赤鐵礦資源是屬于沉積類型的。如果火星上廣泛分布著赤鐵礦的資源，那么，理論上應該是有很大幾率發現沉積巖的。如果一個地方既發現了氧元素，又找到了沉積巖，那么說明這一地區在遠古的時候，具備存在生命的條件。

NASA在近些年不斷的公布新的火星照片，一張張突破性發現，不斷引起愛好者們的歡呼。看下面這張照片：

如果不告訴你，你肯定會以為這是地球上某個干旱湖泊的湖底。實際上，這是NASA火星科學實驗室“好奇號”項目組分析“好奇號”收集的數據后，證實在大約33-38億年前火星上存在一大片河流和湖泊，在之后的歲月里，這些湖泊沉積物慢慢形成了火星夏普山（Mount Sharp）最底部的一些沉積巖層。這實際上就說明了，數十億年前，火星上的環境與現在的地球環境十分接近。至于為什么會發生現在這種巨大的環境變化，留待NASA和其他科學家們繼續去探索。我們地質工作者最關心的就是，在這些沉積巖里，會有什么樣的發現。

在發現沉積巖之前，已經有科研團隊發表過研究成果，聲稱在來自火星的隕石中，發現了生命甚至是化石的痕跡：

▲“Nakhla”隕石編號1151-1樣本中的炸面圈結構

▲“Nakhla”隕石編號e4150ed樣本中的較大“微化石”

▲“Nakhla”隕石中的“足跡”狀坑結構

這些科研成果在當年引發了極大的轟動。但是呢，很多人還是表示懷疑：你怎么就能夠確定這些石頭就是來自火星的呢？而且，隕石在降落的過程中，高溫促使巖石結構發生奇特的改變，這也是有可能的。直到這一張圖片被公布，所有的古生物愛好者看到后紛紛表示：這分明就是蟲管化石或者是珊瑚化石啊！

▲疑似火星化石

最重要的，NASA不但有火星過去存在流水的證據，而且已經發現，火星的南極，現在還存在有大量的水冰。有氧氣，有水，有沉積巖，如果能把一個地質科考小隊送到火星上去，那么我們有信心會發現生命存在的重大線索。

太空地質勘查？可以有

對于行星地質學的研究，從最實際的目的來看，人類未來肯定要進行利用，目前研究利用最可能的就是月球，對于月球資源的利用研究開展最好的是美國。美國研究機構和礦業部門對月球資源的利用開展了多年的研究，例如對于在月球表面如何進行采礦、選礦、后勤、通訊等，NASA專門設立了月球資源的原地利用部門，并提供了多種采選設備的原型機，成果總結如下 :

1、資源原地利用和對月球環境的影響。包括如何進行封閉作業而不對月球環境造成破壞。提出了用原地的“水”吸附粉塵、適應月球環境的運輸袋、月球表面電磁場與粉塵的關系、月球表面可能存在的有毒氣體或粉塵處理方案。

2、有關交通和商務。建議建立私人、企業和公用的交通設施，主要指在地月空間建立低軌的共用平臺、與之相關的支撐系統。銀河系礦業有限公司提出了業務計劃、市場定義和收入構成方案。

3、探礦。月球探礦的設備，如利用中子和伽馬射線進行資源勘探的方法和設備、原地資源的勘探和評價、填圖、礦山建立地點的選擇、機器人進行勘探的過程等。

4、開采和運輸。開采計劃的制定、自動鉆探與地下開采、月壤的機械力學性質模擬、挖掘設備的設計與選擇、月壤及粉塵在月球表面的運動方式、月球表面物質處理系統等等。

5、有用物質的提取。運用真空高溫分解技術、電化學分解技術、通過氫還原技術對獲得月壤模擬樣品中水的動力學過程研究。

6、在月球建立工廠，為未來火星采礦服務。模擬火星表面原地資源利用中的水提取技術、火星原地的推進技術、用于火星勘探任務的金屬-CO2推進技術。

總結

進入21世紀，為滿足人類探索外太空的好奇心及人類社會可持續發展的需求，行星探測活動已逐步成了世界各航天大國的“競技場”。美國、歐空局、日本等航天強國或部門都先后推出了各自的太陽系探測規劃，引領著行星地質學的發展。當前，歐美行星地質學研究已經進入到定量化和精細化的階段，對一些特定區域開展了綜合性研究。例如，NASA開展了“Mars 2020”火星探測器預選著陸區的地質、水文、氣象等方面的綜合研究，月球南極-艾肯盆地的遙感地質學特征綜合研究，以及水星南北極永久陰影區水冰的多探測方式深度研究等。而對一些具體的地質過程研究，如高速撞擊、火山活動、冰川活動、沙丘運動等，國際上已形成了各自的研究群體。

相比而言，我國在行星地質學研究領域的發展較為緩慢，1978年，歐陽自遠利用美國總統卡特贈送的1克月巖樣品開展了月球地質的研究，編著了《月質學研究進展》，開創了我國行星地質學研究的先河。但是，受制于我國當時的經濟和科技發展水平，未能開展相應的空間探測任務，研究資料嚴重匱乏，以致這一學科長期裹足不前。

隨著我國社會的巨大進步和科技實力的增強，尤其是以2007年10月24日“嫦娥一號”月球探測器發射成功為標志和起點，我國地球科學家可以利用第一手探測數據來進行月球地質研究。隨著其他深空探測任務的成功實施和推進，我國行星地質學正在快速發展，已初步形成了一定規模的研究群體。但是，由于起步較晚，與歐盟、美國、日本等發達國家和地區相比均存在較大差距。我國積極參與深空探測將獲得第一手行星地質數據，國際深空探測計劃的持續實施和數據的廣泛共享為中國科學家參與行星地質學的研究提供了廣闊空間。有利的研究條件吸引了一批青年人投身行星地質學的研究，從事天體表面環境過程、月球早期演化、火星地貌等方面的研究，這有望使我國在國際行星地質學領域占據一席之地。