火星土壤——地外土壤的新疆界

火星土壤是火星壳与火星大气相互作用的关键带，记录了火星表面复杂的地质环境过程。火星土壤是研究火星演化历史、表面地质过程（风化、撞击、流水等作用）、就位资源利用、火星生命等的重要研究对象。火星土壤的性质也是火星就位/巡视探测和未来载人探火工程上需要考虑的关键因素之一。

火星土壤与探测

广义上来说，火星表面广泛存在，覆盖着基岩的细粒松散物质被行星科学家称为“火星土壤”（Martian soil）。但在过去近六十年的火星探测研究中，这些物质在不同的研究背景下，还有着许多不同的叫法，例如：风化层（regolith）、（风成或河流）沉积物（aeolian/fluvial deposit）、沉积物(sediment)，尘埃（dust）或土壤（soil）。但整体上，它们都可以统称为“火星土壤”。

通过一系列的火星着陆/巡视任务，我们已经对火星土壤的基本性质有了较好的了解，包括土壤颗粒特征、化学与矿物组成和物理与力学性质等。历史上，海盗1号（Viking Lander 1）、海盗2号（Viking Lander 2）、探路者号（Mars Pathfinder）、勇气号（Spirit）、机遇号（Opportunity）、凤凰号（Phoenix）都对各自着陆区的土壤开展了多种探测。

到了2012年的好奇号（Curiosity），美国火星车任务对土壤的关注度减弱，但新的探测数据仍然不断扩充着对火星土壤的认识。比如好奇号（Curiosity）科学团队通过对比静止沙丘（Rocknest aeolian deposit）和活动沙丘（Bagnold dune），获得了沙丘移动对表面物质特征的影响。

洞察号着陆器（InSight Lander）经过长期持续尝试，仍然无法把地温温度计按计划插入土壤深处，使人们意识到，纵然经过常年的探测积累，我们对火星土壤的特性仍未能完全掌握；未来向火星次表层或更深处的探测和采样，依然存在挑战。

中国祝融号火星车的着陆区存在许多从遥感上看起来浅色发亮的，有着几米至十几米波长的沙脊。这种特殊的沙脊被称为“横向沙脊”（transverse aeolian ridge; TAS），是在火星低重力低气压下形成的，在地球上很难找到对应物。祝融号正在开展的就位探测将为我们了解这类特殊沙脊的特征和演化路径提供新的启示。

图1 火星着陆点观察到的土壤特征。（a）好奇号着陆点观察到的活动沙丘Bagnold dunes；（b）勇气号火星车失灵的车轮翻动出埋藏在表土下的高硅物质（白色）；（c）凤凰号用机械臂在火星北极土壤中挖掘出埋藏的水冰（白色和暗色），这些水冰源自大气向土壤的扩散；（d）好奇号在静止沙丘Rocknest挖掘采样进行分析，静止的沙丘表面是较粗的颗粒而内部是更细的颗粒（图源：NASA/JPL-Caltech/MSSS；NASA/JPL-Caltech/Cornell；NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Texas A&M University）

火星土壤的物质组成特征

火星土壤以玄武质为主，其中火成岩造岩矿物质量占比达80 ~ 85%，主要包括橄榄石、辉石、斜长石、铁的氧化物等。土壤中还含有约占总量10 ~20%的蚀变矿物（又名次生矿物），主要包括层状硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐、铁（氢）氧化物等。土壤中广泛存在造岩矿物中最易被化学风化的橄榄石，指示着火星土壤形成过程中，以物理风化（机械破碎）为主，化学风化（水蚀变）相对较弱。

好奇号火星车通过X射线衍射分析，发现火星土壤中普遍存在占比约40 ~ 60%的非晶组分，这些组分富铁，是挥发分（水、硫、碳、磷、卤素）的主要赋存形式。对非晶物质的进一步研究认为，这些非晶物质可能包含多种组分，例如玻璃质（火山玻璃或冲击玻璃）、硅铁石（hisingerite）或者二氧化硅和水铁矿（ferrihydrite）的混合物、非晶态硫酸盐（或者吸附硫酸根的铁氧化物）和纳米颗粒的铁（氢）氧化物。盐类还可进一步分为硫酸盐、碳酸盐、氯氧化物（高氯酸盐、氯酸盐）等形式。这些长期存在于火星土壤中的非晶物质，对火星表面的水和气候环境有着重要的指示意义。

总体而言，火星表层土壤的粒径从几微米到几毫米都有分布，主要由砂粒级大小的颗粒物质组成，粒径一般在60 ~ 200 μm范围内，也含有一些厘米级的岩石碎屑。火星土壤的化学组分主要由硅（Si）、铁（Fe）、铝（Al）、镁（Mg）、钙（Ca）等元素组成。不同着陆点土壤主量元素上成分基本相似，仅有某些元素可能由于当地基岩的突出贡献而出现区别。

火星全球土壤的平均组成为：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%）。

火星土壤表层还沉淀了薄薄一层黏土级颗粒的尘埃层，平均粒径约为2 ~ 4μm，具有较高的反射率，是火星土壤的一个重要组成部分。尘埃颗粒在火星全球尘暴的作用下充分混合，具有比火星土壤更为均一的化学组成。火星尘埃几乎随处可见，覆盖在岩石、土壤表层，是挥发分的主要载体，富含硫（S）和氯（Cl）。

火星土壤独特的化学活性

火星土壤另一个显著的特征是表土层普遍存在化学活性。早在海盗号时代，火星土壤中存在活性氧物质（ROS）的假说就开始被提出。这些可能源自电化学作用和紫外辐照的活性物质，例如过氧化氢（H2O2）和超氧化物等，可能是海盗号生命实验中没有探测到生命物质的潜在原因。通过凤凰号和好奇号的探测，人们进一步认识到，火星表面还普遍存在氯氧化物及一系列的相关自由基，这些物质可能通过光化学、尘暴或宇宙射线等作用产生。与地球的沙漠区相比，火星表面的水活动更少，大气和磁场对辐射的保护也更少，这使得火星成为一个地表土壤ROS不断积累的极端案例。这些普遍存在土壤中的化学活性物质，一旦与有机物和水接触，可以很快地氧化和分解有机物，这使得火星表层并不适宜生命存活，也给未来登陆的宇航员健康提出了挑战。

火星土壤的物理特征

火星车和火星着陆器利用车轮、机械臂、磨具等与火星土壤相互作用，再结合地面实验室内的模拟实验，就能够在火星表面原位获得火星土壤的体密度、内聚力、摩擦角、承压强度以及休止角等机械力学性质。配合探测器所携带的磁性装置和成像相机，还可以观察土壤中磁性组分的性状和磁性特征。这些重要的物理参数，为火星车设计、探测计划的制定、火星车自动驾驶等提供了重要的基础数据。我国天问一号火星车也正利用类似方法，获取祝融号火星车着陆区的土壤物理力学特性。

对地外天体的探测正改变着土壤定义

长期以来，人们认为土壤形成至少需要五个要素：母岩物质、气候、生物、地形和时间。我们对地球土壤的定义主要集中在：土壤的形成因素，维持植物生长的能力和清晰的土壤层结构。但是这些源自地球土壤的定义几乎没有考虑非生物环境中形成的土壤。那么，“地外土壤”算不算真正意义上的“土壤”？

2017 年，美国土壤科学协会委员会批准了一个新定义：土壤是“行星表面（或附近）受物理、化学和/或生物过程影响的成层状松散矿物和/或有机物质，通常含有液体、气体、生物群并支持植物生长”。这一新定义意味着，“化学风化”成为定义土壤的充分必要条件，不再需要生物圈的参与；水、生命和有机物对于地球或其他天体的土壤而言，不再是必不可少。这使得地外土壤——火壤、月壤、小行星表面的风化层，都算得上是土壤科学意义上真正的“土壤”。 

可能在未来十年里，人类的脚步将踏上火星。届时，我们将需要利用火星土壤，获取水、种植粮食、建设驻地等等。这些都迫切需要人类在踏足火星之前，对火星土壤的特性和分类有相当的认识，并对不同类型土壤在火星全球的分布等有所掌握，例如土层厚度、盐度、含石量、结构、有毒物质等级、是否适用于就位利用等等。随着人类对于太阳系其他岩质天体的探测，更多类型的地外土壤可能会一一呈现。构建一个类地天体可以广泛适用的标准化土壤分类体系已成为土壤科学和土壤分类学的新前沿。

来源：中国科学院地球化学研究所