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刁一鸣等-Icarus：首个针对火星乌托邦平原表层风化物的... 2025-06-30
自1976年“海盗2号”成功着陆火星以来，火星表土样本的返回仍是尚未突破的技术难题。在此背景下，火星土壤模拟物（Mars Soil Simulant）的研制成为支撑深空探测任务关键技术验证和行星科学研究的重要基础。近年来发展的火壤模拟物（如Mars Jezero Crater Delta simulant-1，简称JEZ-1、Mars Global Simulant-1，简称MGS-1）已能精确复现位于赤道附近的Jezero撞击坑及南部高地Gale撞击坑的土壤特征参数，但针对火星北部低地中的乌托邦平原（Utopia Planitia）的高仿真模拟物仍属空白。乌托邦平原不仅是“天问一号”的着陆区，更是未来“天问三号”采样返回任务的备选着陆区之一。火星显著的南北半球二分性（Planetary Dichotomy）显示北部低地土壤相比南部高地具有独特的矿物学特征。前期探测结果表明，该区域经历了复杂的多期次地质改造：例如诺亚纪-西方纪古外流河道沉积事件（outflow channel effluents）形成的北方荒原组（Vastitas Borealis Formation,简称VBF）地层在该区域广泛分布。这种特殊的地质演化历史导致其表土在物理力学特性、矿物组成和光谱性质等方面显著区别于其他区域。因此，建立乌托邦平原高仿真土壤模拟物，不仅可填补当前火星土壤模拟材料的研究空白，更能为后续着陆器设计、采样装置研制和原位资源利用试验等提供不可或缺的研究基础材料。
为此，中国科学院地质与地球物理研究所深层油气理论与智能勘探开发重点实验室的博士生刁一鸣与导师李守定正高级工程师，联合行星科学与前沿技术实验室的李娟研究员、林红磊特聘副研究员等组成跨学科研究团队，根据“天问一号”搭载的多光谱相机（MS Cam）、短波红外光谱仪（SWIR）、激光诱导击穿光谱仪（LIBS）、可见光近红外（VNIR）和“海盗二号”的X荧光光谱仪（XRFS）等科学载荷的原位探测数据构建多性质约束条件，研制了火星乌托邦平原土壤模拟物（Utopia Planitia Regolith Simulant-1，简称UPRS-1）。综合实现了在主量化学元素、光谱性质、颗粒级配、密度、内聚力和内摩擦角等关键性质方面与乌托邦平原火壤的高相似度，同时提出了化学成分、物理性质、光谱特征、孔隙结构、力学参数的5指标模拟火壤相似度定量评估方法（图1，图2）。
图1 UPRS-1研制过程
图2 UPRS-1模拟物各方面性质表征及相似度定量评价。(a-b) UPRS-1直剪试验结果（力学性质表征）；(c) 祝融号SWIR在轨定标结果与UPRS-1近红外光谱结果对比（光谱性质表征）；(d) UPRS-1粒径级配结果（物理性质表征）；(e) 祝融号多光谱（MS Cam）结果和UPRS-1可见光近红外光谱结果对比（光谱性质表征）；(f) 祝融号LIBS反演结果与UPRS-1主量化学元素对比（化学性质表征）；(g) UPRS-1 在化学成分、物理性质、光谱特征、孔隙结构、力学参数等五方面性质的相似度定量化评估
团队选用山东临沂蒙阴地区的玄武岩为模拟物的主要原材料来源，通过添加磁铁矿、赤铁矿、蛋白石、多水镁硫酸盐、石膏、蒙脱石等矿物进行混合，研制过程如图1所示。结果显示，UPRS-1的化学成分特征主要表现为含有11.5 wt%的FeOT，6.4 wt%的MgO，11.4 wt%的Al2O3，2.5 wt%的Na2O和8.0 wt%的SO3，十分接近基于LIBS的反演结果和海盗二号对S元素含量的探测结果（图2f）。物理性质方面，其中值粒径为93.4 μm，78.3 vol%的颗粒分布在10-1500 μm范围内（图2d），自然堆积状态下的体积密度为1.51±0.21g/cm3，颗粒密度为2.63±0.06g/cm3。力学性质方面，它的内摩擦角为33.1°，内聚力为1.84±0.37 kPa（图2a）。光谱性质方面UPRS-1在可见光及近红外反射光谱中0.9 μm，1.45 μm，1.95 μm, and 2.22 μm波段中心出现强、弱明显的吸收特征，与SWIR探测到的火壤中潜在水合矿物的吸收特征十分相似，并且它在0.85 μm-2.4 μm波段的整体反照率与SWIR的在轨定标结果相似度较高（图2c）。
相比现有火星土壤模拟物，UPRS-1是首款针对火星乌托邦平原特殊地质背景研发的高仿真土壤模拟物。其独特的矿物组成（如含水硫酸盐）既能准确复现该区域受古外流通道沉积和潜在古海洋影响形成的表土特征，满足光谱分析和物性研究等科学需求，又可支持着陆器-土壤相互作用测试、钻探模拟等工程验证试验，同时为原位资源利用技术开发（如原位水资源利用）和火星宜居环境方面研究（如黏土矿物对微生物生存的影响）提供了理想实验材料。尤为重要的是，UPRS-1作为一种开放标准的模拟物，其矿物配方和粒径分布可随“天问三号”等未来任务获取的新探测数据持续优化，从而建立起动态更新的高精度模拟标准，该标准有助于提升模拟物对实际探测任务的支撑能力。
图3 UPRS-1 样品照片
研究成果发表于国际学术期刊Icarus（刁一鸣，林红磊，李娟*，李守定*，徐长仪，张召彬，岳宗玉，郑博，孙修阔，徐涛，陈薪硕，武艳芳，李晓. UPRS-1: A regolith simulant of Utopia Planitia, Mars[J]. Icarus, 2025: 116692, DOI: 10.1016/j.icarus.2025.116692.）。研究受国家重点研发计划（2022YFF0504000，2022YFF0503100），国家自然科学基金项目（42230111，L2424213），中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202102，IGGCAS-201904）和所实验技术创新基金（TEC202302）联合资助。
刁一鸣（博士生）
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