4火星表面含水矿物定量反演方法与成果-遥感学报.doc

火星表面矿物探测进展 中国科学院遥感与数字地球研究所 遥感科学国家重点实验室,北京 100101 摘要：火星表面含水矿物类型识别和空间分布特征研究对圈定火星表面生命活动有利区域和探索可能存在的火星生命形式具有重要科学意义。本文总结了20世纪90年代以来火星表面含水矿物探测进展，从光谱仪着陆器和巡视器就位两方面介绍矿物探测使用的数据源，重点阐述了目前火星表面已经探测到的各类含水硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物、氯盐及高氯酸盐矿物等含水矿物的光谱特征、矿物具体类别及分布特征，分析了火星表面定量反演的主要方法与地质意义。最后从比较行星学角度开展地球和火星含水矿物形成环境和形成过程的类比研究。 关键词：火星表面，含水矿物，遥感探测定量反演比较行星学 9 文献标志码: A 引言 火星作为太阳系八大行星中与地球最为相似的星球，。1960年，前苏联发射的首颗火星探测器Mars 1960A，正式拉开了人类探测火星的序幕。美国、欧洲空间局、印度等国家和组织相继实施了一系列火星的探测任务，科学目标涉及到火星演化历史、火星磁场、火星地质构造与地貌、火星古气候古地理环境等方面，获取了大量的科学数据和成果。 火星表面存在撞击坑和大型撞击盆地、盾形火山、风成沙丘、极区极冠、峡谷系统、干涸河床和沟渠等多种地貌。广泛发育的干涸河床、三角洲、冲积扇和沟渠等反映了火星表面曾经存在液态水环境，这些流水地貌记录了火星表面不断被侵蚀改造的过程。在地球上，水环境的存在往往与生命活动密切相关，因此，各类火星探测任务的重点目标之一总是包括探寻和追踪水曾经或目前在火星表面不同的存在形式和证据(Hubbard等, 2002)，如极冠永久水冰、地下水冰、地表短时液态水 在许多矿物的形成过程中，水都发挥了重要作用，它对矿物的物理化学性质有显著影响。水合或水化矿物（hydrous/hydrated minerals）是指水以吸附水、结晶水、结构水三种基本类型存在于矿物晶体结构中而形成的矿物。火星表面常见的水合或水化矿物是含水硅酸盐类粘土矿物，它们通常是水参与条件下热液蚀变和变质的产物，能够指示矿物形成时的温压条件和揭示古气候环境演变过程(汤艳杰等, 2002)。蒸发盐矿物形成于有水环境，是水溶液蒸发干涸后水体中溶解的成盐离子析出的产物，它反映了矿物沉积时水活动的线索，意味着火星表面曾被水侵蚀(郑绵平等, 2014; 王洪浩等, 2015)。（aqueous minerals）(JHU/APL, 2016) 火星表面与水溶液活动密切相关是火星表面曾经存在水环境的最明显和最直接的地质证据。水溶液环境具备孕育和维持生命的条件，含水矿物的类别与丰度提供了这些矿物形成时水溶液的温度、盐度、酸碱度等信息，且它们具有保存生命遗迹的能力，因此含水矿物研究逐渐成为火星地质研究的热点问题，它们的富集区是搜寻可能的火星古老生命迹象、开展火星表面古气候古环境研究等工作的良好候选地区。研究人员在开展火星古地理古气候研究以及搜寻火星早期可能存在的生命证据时，重点关注火星发现含水矿物的地区。因此火星表面各种类型含水矿物的识别、空间分布和地质环境研究对圈定火星表面生命活动有利区域和探索可能存在的火星生命形式具有重要科学意义。本文从火星表面矿物探测数据源、含水矿物成果反演方法与成果三个方面对火星表面含水矿物探测的最新科研成果进行，并在此基础上未来的研究方向，。 火星表面矿物探测数据源 火星表面矿物种类识别岩性划分是研究火星地质演化历史的基础工作。火星表面矿物探测既可以利用太空望远镜数据开展分析工作(Bell等, 1997; Elmahboub和Yankey, 2005)，也可通过火星陨石开展识别研究(McSween, 1985; Bridges和Grady, 2000)，但目前主要还是基于轨道器搭载的光谱仪携带的开展火星表面矿物的遥感探测与就位。遥感探测主要是利用矿物在热红外光谱范围内的发射光谱特征和矿物在可见红外光谱范围内的谱带特征探测和识别矿物。搭载的科学仪器对火星表面土壤、矿物、岩石等开展详细的成分鉴定、含量检测等分析工作。下文将简要介绍20世纪90年代以来就位探测 火星遥感探测轨道器光谱仪 热辐射光谱仪 热辐射光谱仪(Thermal Emission Spectrometer, TES)搭载于1996 年 11 月美国发射的火星全球勘探者(Mars Global Surveyor, MGS)轨道器(表 1)。它通过测量火星表面和大气辐射研究：(1)火星表面矿物、岩石以及冰的成分；(2)火星大气层温度与动力学特征；(3)火星大气气溶胶与云的性质；(4)火星极区性质；(5)火星表面物质热物理性质(Christensen等, 2001)。TES探测结果使人们对火星地质概况与火星大气层等有了较为全面的