據(jù)外媒報道，不少人可能曾經(jīng)有過反復(fù)發(fā)生的關(guān)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(xué)的HiRise團隊進行了亮度增強，以觀察這一深淵。HiRise的聯(lián)合調(diào)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(xué)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(diào)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(fā)現(xiàn)。引力波，黑洞，近幾年宇宙研究領(lǐng)域出了不少重量級的發(fā)現(xiàn)，但是有一個最關(guān)鍵的領(lǐng)域常被人忽略，那就是行星地質(zhì)學(xué)，天文、物理這些科研領(lǐng)域可以說是仰望星空，已經(jīng)發(fā)展到了多少萬億光年以外，而行星地質(zhì)學(xué)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(zhì)學(xué)在一步一個腳印的發(fā)展。

行星地質(zhì)學(xué)是什么？

行星地質(zhì)學(xué)是研究太陽系中行星、衛(wèi)星、小行星、彗星和行星環(huán)等固態(tài)天體形成和演化過程的一門交叉學(xué)科，是在地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)發(fā)展過程中逐漸發(fā)展形成的。

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

從20世紀(jì)60年代開始已經(jīng)發(fā)射了十多個深空探測器。這些探測任務(wù)為地質(zhì)學(xué)家提供了大量的直接探測數(shù)據(jù)，使我們有可能對地球的近鄰和遠親進行系統(tǒng)的研究。正如著名地質(zhì)學(xué)家Head所言，現(xiàn)在我們已擁有大量空間探測數(shù)據(jù)，可以對包括所有行星在內(nèi)的太陽系星體進行地質(zhì)研究。

為什么去宇宙研究地質(zhì)？

從16世紀(jì)中葉哥白尼提出“日心學(xué)說”開始，天文學(xué)經(jīng)歷了幾百年的發(fā)展歷程，從主要純描述天體位置、運動的經(jīng)典天體測量學(xué)，向著尋求造成這種運動力學(xué)機制的天體力學(xué)，再到研究天體的物理結(jié)構(gòu)和物理過程的天體物理學(xué)方向不斷發(fā)展。

目前，我們已經(jīng)開始清晰地展現(xiàn)天體表面錯綜復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，大量詳細地質(zhì)現(xiàn)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(fā)展，地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)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(zhì)學(xué)方法和積累的地學(xué)資料揭示觀測現(xiàn)象、指導(dǎo)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(zhì)演化，將之與地球研究相結(jié)合，可以闡明我們還不知道的地質(zhì)歷史事件。現(xiàn)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(zhì)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(jīng)獲得了大量月球和火星的探測數(shù)據(jù)，對金星、水星、類木行星及其衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)也正在源源不斷地獲得。鑒于此，西方地學(xué)界有越來越多的地質(zhì)學(xué)家轉(zhuǎn)向行星地質(zhì)的研究。我國地學(xué)界對于行星地質(zhì)學(xué)的研究十分薄弱，幾乎所有對太陽系空間的科學(xué)認(rèn)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(jīng)濟和科技發(fā)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(xué)家將可以利用第一手探測數(shù)據(jù)來進行月球地質(zhì)研究。以期盡快形成我國的行星地質(zhì)研究體系和隊伍，為我國的行星地質(zhì)教育和空間探測事業(yè)服務(wù)。

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(jì)初 ，基于望遠鏡的觀察，一些天文學(xué)家認(rèn)為火星上可能存在生命。1960年前蘇聯(lián)發(fā)射的首顆火星探測器拉開了這一科學(xué)過程的序幕，此后，美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度和中國陸續(xù)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(rèn)識。新的探測數(shù)據(jù)顯示，過去火星的表面存在流動的水體，現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果。同時，地質(zhì)學(xué)家根據(jù)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(rèn)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(jù)研究途徑，大致可劃分為3種：探測方法（數(shù)據(jù)獲取）、地質(zhì)方法（類比/推理/假設(shè)）和行星制圖法（行星地質(zhì)圖/綜合性認(rèn)知）。 探測方法是指利用地基觀測設(shè)備或通過向行星發(fā)射相關(guān)探測器獲取行星物質(zhì)組成、構(gòu)造特征、淺層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)信息的方法。行星制圖法通過地質(zhì)圖來總結(jié)和呈現(xiàn)地貌、地層、巖礦等的空間分布和時空關(guān)系。

地質(zhì)學(xué)家早就認(rèn)識到對地球表面形態(tài)造成影響的主要有3種地質(zhì)作用：構(gòu)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(xué)的研究思路。

根據(jù)傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)的研究經(jīng)驗和方法，火星研究通常涉及的地質(zhì)方法包括：樣品分析、類比研究、模擬實驗和數(shù)值計算等。利用多種先進的地球科學(xué)分析設(shè)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(rèn)識火星地質(zhì)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(zhì)現(xiàn)象（如地球撞擊坑）和地質(zhì)方法（如層序方法）等，利用比較行星學(xué)的研究思維，開展類比研究，從而獲得地外天體地質(zhì)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(shè)施，實現(xiàn)相關(guān)地質(zhì)過程和環(huán)境條件的模擬，以探索關(guān)鍵過程、關(guān)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(guī)律，探測數(shù)據(jù)解譯，以及生命起源演化等方面都有廣泛的應(yīng)用。

火星的研究領(lǐng)域幾乎包括地球科學(xué)的全部領(lǐng)域。目前和近期可以開展的研究對象和內(nèi)容包括：生物學(xué)、沉積地層與環(huán)境學(xué)、火山學(xué)、全球構(gòu)造模擬、礦物及巖石學(xué)、成分與演化、地質(zhì)填圖、撞擊構(gòu)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(lǐng)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(zhì)與地質(zhì)單元、表面性質(zhì)和過程、現(xiàn)代大氣圈、生態(tài)學(xué)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(zhì)學(xué)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(jié)果顯示：火星上存在含硫的有機質(zhì)，同時甲烷濃度隨季節(jié)更迭呈現(xiàn)規(guī)律性變化，而這重大發(fā)現(xiàn)是依賴于其鉆探樣品自動分析結(jié)果，因此，取樣鉆探是火星探測中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)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(tǒng)組成情況如下:

1、火星表面不確定環(huán)境因素和取樣鉆探動力技術(shù)問題是系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮的主要技術(shù)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(tǒng)應(yīng)圍繞智能化、模塊化、輕量化展開，從系統(tǒng)組成上可劃分為接觸式穩(wěn)定系統(tǒng)、輔助結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、壓力和回轉(zhuǎn)傳遞系統(tǒng)、封閉保護殼（穩(wěn)定器）系統(tǒng)、鉆頭系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)、主動軸系統(tǒng)和沖擊鉆進系統(tǒng)；

3、取樣鉆探系統(tǒng)技術(shù)原理同傳統(tǒng)取芯鉆探既有類似之處，也有自身特殊要求，特別是接口設(shè)計、樣品的收集、多因素影響下的密封和穩(wěn)定性等需要綜合多學(xué)科先進技術(shù)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(xiàn)技術(shù)問題無法避免，如2016年底至2018年中旬，“好奇號”由于技術(shù)問題一度處于停滯狀態(tài)，加之相關(guān)技術(shù)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(rèn)識火星的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

 

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(xué)過地質(zhì)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(yīng)該是有很大幾率發(fā)現(xiàn)沉積巖的。如果一個地方既發(fā)現(xiàn)了氧元素，又找到了沉積巖，那么說明這一地區(qū)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(fā)現(xiàn)，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(xué)實驗室“好奇號”項目組分析“好奇號”收集的數(shù)據(jù)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(shù)十億年前，火星上的環(huán)境與現(xiàn)在的地球環(huán)境十分接近。至于為什么會發(fā)生現(xiàn)在這種巨大的環(huán)境變化，留待NASA和其他科學(xué)家們繼續(xù)去探索。我們地質(zhì)工作者最關(guān)心的就是，在這些沉積巖里，會有什么樣的發(fā)現(xiàn)。

在發(fā)現(xiàn)沉積巖之前，已經(jīng)有科研團隊發(fā)表過研究成果，聲稱在來自火星的隕石中，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)

▲“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(jié)構(gòu)

這些科研成果在當(dāng)年引發(fā)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(jié)構(gòu)發(fā)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(jù)，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，火星的南極，現(xiàn)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(zhì)科考小隊送到火星上去，那么我們有信心會發(fā)現(xiàn)生命存在的重大線索。

太空地質(zhì)勘查？可以有

對于行星地質(zhì)學(xué)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(gòu)和礦業(yè)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(shè)立了月球資源的原地利用部門，并提供了多種采選設(shè)備的原型機，成果總結(jié)如下 :

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

2、有關(guān)交通和商務(wù)。建議建立私人、企業(yè)和公用的交通設(shè)施，主要指在地月空間建立低軌的共用平臺、與之相關(guān)的支撐系統(tǒng)。銀河系礦業(yè)有限公司提出了業(yè)務(wù)計劃、市場定義和收入構(gòu)成方案。

3、探礦。月球探礦的設(shè)備，如利用中子和伽馬射線進行資源勘探的方法和設(shè)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(xué)性質(zhì)模擬、挖掘設(shè)備的設(shè)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(zhì)處理系統(tǒng)等等。

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

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

總結(jié)

進入21世紀(jì)，為滿足人類探索外太空的好奇心及人類社會可持續(xù)發(fā)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(guī)劃，引領(lǐng)著行星地質(zhì)學(xué)的發(fā)展。當(dāng)前，歐美行星地質(zhì)學(xué)研究已經(jīng)進入到定量化和精細化的階段，對一些特定區(qū)域開展了綜合性研究。例如，NASA開展了“Mars 2020”火星探測器預(yù)選著陸區(qū)的地質(zhì)、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(zhì)學(xué)特征綜合研究 ，以及水星南北極永久陰影區(qū)水冰的多探測方式深度研究等。而對一些具體的地質(zhì)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(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展較為緩慢，1978年，歐陽自遠利用美國總統(tǒng)卡特贈送的1克月巖樣品開展了月球地質(zhì)的研究，編著了《月質(zhì)學(xué)研究進展》，開創(chuàng)了我國行星地質(zhì)學(xué)研究的先河。但是，受制于我國當(dāng)時的經(jīng)濟和科技發(fā)展水平，未能開展相應(yīng)的空間探測任務(wù)，研究資料嚴(yán)重匱乏，以致這一學(xué)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(fā)射成功為標(biāo)志和起點，我國地球科學(xué)家可以利用第一手探測數(shù)據(jù)來進行月球地質(zhì)研究。隨著其他深空探測任務(wù)的成功實施和推進，我國行星地質(zhì)學(xué)正在快速發(fā)展，已初步形成了一定規(guī)模的研究群體。但是，由于起步較晚，與歐盟、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)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(zhì)數(shù)據(jù)，國際深空探測計劃的持續(xù)實施和數(shù)據(jù)的廣泛共享為中國科學(xué)家參與行星地質(zhì)學(xué)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(zhì)學(xué)的研究，從事天體表面環(huán)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(zhì)學(xué)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

部分內(nèi)容引用來源：

比較行星地質(zhì)學(xué)的研究方法 、現(xiàn)狀和展望，肖龍，Greeley Ronald2，曾佐勛，黃定華

行星地質(zhì)學(xué):地質(zhì)學(xué)的“地外”模式，李雄耀，林巍，肖智勇，唐紅，趙宇鴳，曾小家

火星取樣鉆探技術(shù)分析，孫平賀

以及網(wǎng)絡(luò)資料

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