侵蚀型沙丘:来自火星的启示

风沙地貌分为风积地貌和风蚀地貌两大范畴,风积地貌即指各种沙丘.沙丘地貌虽然是风沙堆积的产物,但其形态和类型是风沙蚀积时空变化规律的表现,在堆积形成之后,风蚀作用在沙丘形态塑造过程中有时会具有重要作用,从而形成独特的侵蚀型沙丘.但由于有悖于传统风积地貌的理解,侵蚀型沙丘长期被忽视.然而,在火星沙丘地貌的形态和分布规律研究中,已发现大量的与地球常见沙丘地貌具有微妙差异的沙丘地貌形态,并将其归咎于沙源供应不充分的发育环境.重温法国学者Mainguet沙丘分类方案中关于侵蚀型沙丘的论述,以及经典风沙地貌学理论关于沙丘形态控制因素的概念框架,明确指出研究侵蚀型沙丘的必要性.系统分析了火星沙丘地貌形态特征后,初步辨认出火星的10种侵蚀型沙丘,分析其形态特征、发育环境及可能的形成机制.地球干旱区广袤的盐碱地是极有可能发育侵蚀型沙丘的地区,具有类似火星沙源供应不足的环境,在中国柴达木盆地沙漠中发现了多种侵蚀型沙丘地貌.据此推断,侵蚀型沙丘在地球上比较普遍,其研究对发展风沙地貌学理论具有重要意义,对中国未来的火星探测与研究具有参考意义.     

火星雅丹地貌研究进展

雅丹地貌是一种典型的风蚀地貌.多源遥感探测和就位探测均表明火星表面分布着大量的雅丹地貌,其形态特征和物质组成记录了火星气候环境变化的信息,是当前火星探测和研究的热点之一.本文对火星雅丹地貌的探测历史、分布、类型、几何特征、物质组成、年代学、发育过程及对古气候指示意义等方面的研究进展进行了总结,在此基础上,提出了当前火星雅丹地貌研究存在的主要问题,建议在未来研究中重点加强雅丹地貌定量化和比较行星学研究,并结合其物质组成、年代学等方面工作,探讨其发育过程与气候环境协同演化的机制,为深入认识火星雅丹地貌发育过程,了解火星古气候环境变化提供支持.     

火星独特风沙地貌之横向沙脊

横向沙脊是火星独特风沙地貌类型之一,近20年来研究者们借助高分辨率火星遥感探测资料开展了系列研究。总结了横向沙脊的分布规律、形态特征、沉积物组成、形成过程及其形成时代等方面的研究成果。火星横向沙脊是高度为米级,间距为10 m级的风成床面形态类型,主要分布于赤道和低纬度地区,而且南半球较北半球多。高反照率和对称的截面形态是其突出的特征,与地球上的巨型沙波纹和反向沙丘的截面形态类似。横向沙脊沉积物粒度组成一般具有双峰型特征,表层为粗沙覆盖,但热惯性较低。目前关于横向沙脊的形成过程有3种假说:巨型沙波纹假说、反向沙丘假说和粉尘胶结假说,但支持巨型沙波纹假说的证据最多。火星横向沙脊与沙丘一样,属于新近的火星地貌类型,但其形成时间一般较沙丘早,多形成于近几百万年以来,所以常被胶结或岩化,不具流动性,但也有少数现代时期形成的活动性横向沙脊。横向沙脊的独特性使其成为最令人困惑的火星风沙地貌类型之一,以至于研究者们对其在风沙地貌分类系统中的归属尚有争议。针对横向沙脊研究的需要,未来火星探测亟需提供两个方面的高分辨率遥感信息,即横向沙脊沉积物组成和若干区域的综合集成勘测。     

琼北地区第四纪熔岩隧道群研究：形态学及其比较行星学意义

熔岩隧道是全球第四纪玄武质火山区常见的火山活动产物,主要发育在绳状和块状熔岩分布区,是地表玄武质岩浆输送系统的重要组成部分。我国分布大量的第四纪玄武质火山岩,前人针对其熔岩地貌、岩浆成因及演化过程开展了大量的研究,但对其中的熔岩隧道却关注较少。而熔岩隧道的研究对于理解熔岩流的运移过程及地表熔岩构造地貌的演化均具有重要意义,尤为有意义的是,近年来在月球和火星上的玄武质熔岩区发现了大量的疑似熔岩隧道的熔岩地貌,这些巨大的管状地下空间是人类未来在地外岩石星球上建立稳定庇护基地的优选对象,因此开展地球熔岩隧道的比较行星学研究可以为地外熔岩隧道的探索工作提供重要线索。为此,本文通过对琼北地区的熔岩隧道群开展详细的形态学和比较行星学研究,为进一步探索月球和火星熔岩隧道特征和规模大小提供形态学信息。     

风沙地貌形态动力学研究进展

风沙地貌是广泛分布于干旱、半干旱,甚至部分湿润地区,由风力作用形成的一种地貌类型。风沙地貌学是研究在风力作用下物质运动形成的地表形态特征、空间组合规律及其形成演变的科学,是地貌学中以风为外营力形成的地貌为对象的分支学科。风是风沙地貌学研究的基础,其贯穿整个风沙地貌学研究。风况决定了风沙地貌的形态特征、空间组合特征和演化过程,同时,沙丘表面气流和风沙流控制沙丘的形态演化过程和移动过程。风沙地貌经过100多年的发展,在沙丘形态特征、动力学过程等方面取得了长足发展。从风沙地貌观测方法、分析方法和形态动力学角度出发,总结了近年来风沙地貌形态、形成风况以及动力学方面的研究进展。随着新技术的发展,全站仪、三维地形扫描仪等新的形态观测设备开始应用于风沙地貌形态测量,使得大范围风沙地貌形态精准测量成为可能,为风沙地貌形态动力学研究提供精确的地形特征资料。同时,三维超声风速仪等高频风速观测仪器也广泛应用于风沙地貌动力学观测,从而探讨风沙地貌形态—近地层气流的互馈机制。但是,针对具体的分析方法,如风况与沙丘形态的对应关系,近地层气流的分析方法以及形态—气流互馈关系等方面,目前还没有好的解决办法。     

火星水成地貌研究进展

液态水在火星地表的塑造过程中起到了重要的作用,形成了峡谷网、外流河道、古湖泊以及三角洲和冲积扇等多种多样的水成地貌,它们一直是火星探测与研究的热点和焦点.本文对火星水成地貌的探测历史、地形地貌特征、时空分布等方面的研究进展进行总结,探讨水成地貌对火星气候演化及天体生物学研究的指示意义.在此基础上,提出当前火星水成地貌研究存在的问题,认为需要在火星水成地貌的水源类型、水成地貌所指示的火星水环境特征、亚马逊纪水成地貌的成因、火星水成地貌与我国柴达木盆地地貌的类比等方面开展进一步研究,为更深入的认识火星水成地貌,了解火星气候变化及宜居性提供支持.     

行星地质工程原位测试方法

作为行星地质学与行星工程学的交叉学科,行星地质工程学科直接支撑行星探测、行星科研站与基地建设、行星资源开发与未来人类移居,相关研究已迫在眉睫。与地球相比,行星地质体在物质、结构与环境3个方面存在较大差异,决定着行星地质体工程特性与地球具有很大的差别,开展行星地质工程原位测试是准确获取行星地质体工程特性的最直接方式。文章把月球探测和火星探测任务中地质工程原位测试方法分为5类:触探试验、铲斗试验、钻探试验、地球物理探测和摄影测量,分别分析了各类原位测试方法的原理与科学载荷,对比各种方法中不同测试仪器的差异;利用月球工程特性原位测试结果梳理总结了月壤工程特性,包括粒度分布、密度、孔隙比、抗剪性、压缩性和承载力,分析了月壤和火壤工程特性的变化规律,并指出了与地球土壤物理力学特性的差异;未来应以行星探测任务为载体,结合地面低重力模拟测试平台和物理力学本构理论研究,研制小型轻量、自动智能的工程特性原位测试科学载荷,获取更加准确的行星土壤和岩石的工程特性参数,支撑月球科研站、基地建设和火星取样返回等深空探测任务。     

比较行星地质学的研究方法、现状和展望

比较行星地质学是人类认识自然和人类本身形成与演化的前缘学科,是实现太阳系探测三大科学目标的主要手段.比较行星地质学研究主要回答3个问题:行星的现状是什么样的?行星的过去是什么样的?行星的过去、现在与太阳系其他行星的可比性如何?行星地质学的研究内容与研究地球地质相似,即撞击作用、火山(岩浆)作用、构造作用和夷平作用等,这些是塑造行星地貌最主要的地质作用,其中撞击构造是其他行星更为常见的地质作用.行星地质学的研究方法是利用遥感获得的各种影像、光波和电磁波等数据,以及在行星表面直接勘察获得的数据和取回的样品,对行星表面和地表以下的成分、结构和形成与演化过程进行研究.我国积极参与深空探测将获得第一手行星地质数据,国际深空探测计划的持续实施和数据的广泛共享为中国科学家积极参与行星地质学和比较行星学的研究提供了广阔空间,同时也为研究和认识地球提供新的和更全面的视野.     

现代地貌学的发展与思考

简要回顾了地貌学的发展史 ,认为现代地貌学的发展必须与时代发展趋势相结合 ,需要深入研究地貌演变与全球气候环境变化、区域经济可持续发展以及地球陆地系统的关系。综合分析了地貌学的研究方法 ,认为地貌学的研究方法主要有沉积学方法及动力过程方法。传统地貌学的研究多偏重于沉积学的方法。过去是认识现在的一把钥匙 ,沉积学方法是研究地貌发展历史与过程的有力工具 ,但要深入认识地貌演变的过去与现代动力过程与机制 ,进而预测地貌过程的演变趋势 ,必须采用动力过程分析的方法。动力地貌研究的发展应该汲取过程反映学派及数学地貌学派的经验教训 ,避免过于重视工具 ,本末倒置 ,甚至演变为数学游戏或模型游戏。动力地貌学的研究将彻底改变过去人们眼中对传统地貌学的印象———仅仅是现象描述和宏观分析。动力地貌学通过引进动力学模型、数学模型及地理信息系统等研究方法和技术 ,采用宏观与微观相结合 ,全面深入探讨各种地貌产生、发展的机制和规律。它具有动态性和较强的预测功能 ,从而可以更好地为经济建设和社会实践服务。文中还探讨了地貌学的各个发展方向 ,认为环境地貌、灾害地貌、城市地貌、旅游地貌、河口海岸地貌等应用地貌学分支近年来发展迅猛 ,主要是因为这些分支与经济发展的需求结?     

太阳系生命信息探测

寻找地外生命是人类开展太阳系探测的根本出发点。火星是太阳系中最可能存在生命的天体之一。尽管海盗号开展的生物科学实验没有获得存在生命的确凿证据,但是近二十年的探测利用高分辨成像、光谱、质谱、雷达、中子分析等多方面的探测手段,获得了河流侵蚀地貌、古湖泊河流沉积物、水成矿物、极地冰盖、大气中水蒸气组分等一系列反映火星上有水的证据。这些发现暗示了火星过去或现在存在适宜生命繁衍的环境特征。大气甲烷、火星样品中有机物是下一步火星生命探测的重点。木星和土星的天然卫星,包括木卫二、土卫二和土卫六等在地外生命的研究中引起极大关注。木卫二上的盐水海洋环境被认为可能孕育生命,海洋中可能存在类似地球上的水热地质作用。土卫二南极存在细粒冰晶的喷射,且喷射物含有对于生命非常关键的液态水、氨气和其他碳氢化合物等。碳质球粒陨石存在大量可溶性有机物,其中包括多种构成蛋白质的氨基酸。星尘号和深度撞击任务的探测结果证实彗星所代表原始物质中含有大量的有机化合物,部分类型的氨基酸在碳质陨石和星际尘埃IDP颗粒相同,进一步支持了彗星与地球生命的起源之间存在联系。文中分析了太阳系生命探测中亟须解决的关键问题,包括系统建立地外生物标志化合物、发展适合太阳系探测的有机物分析技术、开展地球极端生命研究。最后呼吁我国在未来火星等天体探测任务中能增加有机物探测的相关载荷,及时介入太阳系生命探测,开拓深空领域。     

试论月球科学与类地行星研究的学科属性

我国月球探测一期工程获国家批准立项和“嫦娥一号”卫星成功发射及运行这一历史性事件标志着我国已继人造地球卫星、载人航天阶段之后,开始进入人类航天活动的第三领域——深空探测。无疑此时探讨人类这一伟大社会实践活动的自然科学意义,特别是深空探测对象的科学内涵具有重要的现实意义。随着相关技术的开发、创新和成熟,工作重点将逐渐转移到深空探测对象本身的科学研究上来,即认识地球之外的行星体以及更深刻地重新审视地球。本文讨论了现阶段深空探测对象——月球及类地行星的基本物质属性,回顾美国和前苏联两国探月计划实施历史的启示,Apollo计划的演变．科学内容的纳入及宇航员地学素养的要求,Apollo登月计划的实施对月球科学本身的促进,以及对20世纪地球科学发展、人才队伍建设和分析技术进步等的重大影响,总结了前苏联探月计划的成败及其教训,并对我国月球探测工程立项历史等方面进行了分析。在此基础上,论述了月球科学及类地行星研究的地球科学属性,并强调指出地球科学家应将月球及整个类地行星研究纳入到地球系统科学的框架之中。     

太阳系探测的进展与比较行星学的主要科学问题

回顾了太阳系的探测历程,综合分析了太阳系探测的发展趋势。未来的太阳系探测将以月球与火星探测为主线,适度开展太阳系其他行星及其卫星、小行星和彗星的考察性探测。21世纪将是全面探测太阳系并为人类社会长期可持续发展服务的新时代。随着太阳系探测的进展,通过系统比较地球与类地行星的大气层与水体的形成演化过程、地形地貌与地质构造特征、岩石类型、热历史与内部结构等方面的共性与特性研究,表明行星的质量大小和行星与太阳的距离的相互耦合,制约了行星的形成和演化的复杂过程。比较行星学已成为指导太阳系探测的科学理论体系。     

天问一号着陆区的古环境演化

我国首次火星探测任务天问一号已经成功实现“绕、落、巡”三个阶段的既定目标。天问一号轨道器进行了大量的火星环绕探测，其所搭载的祝融号火星车也在着陆区表面开展了巡视探测，获得了极其珍贵的探测数据，为研究火星环境和演化历史提供了前所未有的机遇。通过对天问一号遥感和就位探测数据的分析研究，在着陆区的地形地貌、物质组成、现代气象特征和次表层结构等方面取得了一系列创新性成果，对认识着陆区的古环境演化、了解火星的地质历史，理解地球乃至整个太阳系的形成和演化具有重要意义。     

深空探测行星表面原地K-Ar定年:技术与方法

本文基于国际深空探测任务的经验教训,结合我们近期的研究成果,提出了适用于深空探测行星表面原地定年的新方法——激光无稀释剂K-Ar反等时线法,以及实现该方法的LIBS-QMS技术方案.该方案充分发挥了K-Ar法在深空探测特殊条件下的优势,有望成为深空探测、行星演化研究的关键方法,为太阳系演化研究提供关键时间信息.同时,该研究为我国即将展开的月球、火星、水星及小行星落地探测研究等深空探测科学任务提供了可行、可靠的相关载荷技术方案,并为我国月球科学基地提供在站科研仪器.     

中国陨石学与天体化学研究进展(2011-2020)

过去十年,中国陨石学与天体化学研究迎来了一个迅速发展时期.嫦娥工程与月球采样返回,以及天问一号火星探测等一系列深空探测工程的成功实施,极大地推动了我国陨石学和天体化学的发展;南极格罗夫山陨石库的建设,为学科发展提供了充足样品;高精度同位素分析平台的建设,保障了陨石及地外返回样品的分析研究需要;此外,国内还涌现了一批优秀行星科学与天体化学青年人才.与此同时,通过对各类陨石的研究,在太阳星云起源与演化、火星与月球等类地行星形成与宜居性研究、小行星岩浆作用和含水蚀变及后期撞击历史等方面也取得了重要成果.     

制约类地行星大气层和水体发育的主要因素

根据行星探测的资料,综合分析了水星、金星、地球(包括月球)、火星的大气层和水体的发育特征,对比了金星、火星的大气层与水体同地球的差异。类地行星质量小、体积小、密度大、旋转慢、卫星少甚至没有、挥发性元素较类木行星少、距离太阳较近,早期残留的原始大气层已经被早期太阳在金牛变星阶段的强烈太阳风所驱赶,加上巨大而频繁的撞击作用,使原始大气层被驱赶殆尽。现在的大气层是次生的,是由行星内部的去气作用形成的。类地行星的大气层、水体的发育和表生作用的特征与行星的质量大小(表征行星内部能量的大小和构造活动的强烈及持续时间)及行星与太阳的距离等因素有关。在类地行星中,地球和金星质量最大,逃逸速度最大,可将更多的气体“束缚”在它们表面,因此它们的大气有着复杂的组成和较大的密度。火星质量较小,逃逸速度不到地球的一半,在漫长的演化历史中,大气逐渐逸散进入太空,大气密度变得很稀薄。水星质量更小,而且最靠近太阳,不仅太阳风的驱赶作用强烈,而且表面温度高,气体分子的热运动更加剧烈,加剧了大气的逸散,所以水星的大气层极为稀薄,并且主要为太阳风成分。月球质量最小,几乎没有大气层,更没有水体的发育。行星的热演化历史对大气层和水体发育具有重要的制     

火星古湖泊研究的现状、问题与展望

火星表面的古湖泊地貌能够反映火星古气候和古环境的特征及变化,对于研究火星是否曾经存在宜居环境具有重要意义.随着中国火星探测计划的提出和实施,详细了解火星古湖泊的研究进展尤为重要.总结了火星古湖泊的研究现状,重点阐述了当前对火星古湖泊的沉积地貌、矿物成分、形成年龄、分布特征等方面的研究进展.在综合分析前人研究成果的基础上,提出火星古湖泊研究中存在的主要问题,认为未来应着重在古湖泊的详细调查与地质填图、古湖泊的后期改造作用、其他类型古湖泊的识别分析以及火星与地球古湖泊的对比等方面开展研究.      

小行星深空探测的科学意义和展望

太阳系深空探测活动方兴未艾,小行星探测已成为主要发展方向。通过回顾近年来几个主要的国际小行星空间探测计划以及取得的研究成果,总结了小行星深空探测从早期的近距离飞越到小行星低空绕轨勘探,到目前的表面软着陆和采集样品返回的发展进程。同时深空探测也给行星科学研究者提出了新的挑战,鉴于目前行星科学的研究热点,详细叙述了小行星深空探测急需解决的重大科学问题及其科学意义,随后简单介绍了未来小行星深空探测计划的科学目标,为小行星深空探测的具体任务提供了科学目标选择方向。最后呼吁我国及时介入小行星深空探测,提升航天能力,开拓深空领域。     

火星的水环境演化

火星是太阳系中早期演化历史与地球非常相似的一颗行星,为了解火星的古气候环境以及火星是否存在过生命,火星的水环境历史一直是人们研究的热点问题.本文从火星历史上水对火星表面的改造痕迹介绍了水在火星演化过程中扮演的重要角色.水流、冰川、古湖泊与古海洋等与火星表面地形地貌演化以及矿物岩石形成与迁移过程等密切相关,它们的发育与消失受到火星古气候变迁的影响.关于火星古气候是暖湿还是干冷的问题一直存在争议,但是可以确定至少有短暂且持续的暖湿时期提供了水的活动条件.现今的火星表面寒冷干旱,但是火星的地下储存了冰层甚至可能有地下湖泊.随着近年来火星探测任务越来越频繁,人们将会在火星水演化历史上有更多新的发现.     

行星矿产及行星资源地质学初论

了解并利用行星矿产资源、可持续永久开发太空成为行星科学与深空探测的一项重要研究任务。而行星矿产资源的开发利用,需要运用行星科学与地质学特别是矿床学的基础理论,利用行星观测、探测及开发技术方法,研究行星矿产资源形成演化规律,查明行星矿产资源的类型、特征、储量和分布规律;进行行星矿产资源的地质调查、岩石-矿石成分、结构与性能、元素赋存状态、开发利用条件评价与预测,为行星矿产资源开发与太空的可持续永久开发建设提供基础理论与关键技术方法。因此,行星矿产资源学是研究行星矿产资源的品种、类型与分布规律、行星矿产资源成因演化与比较行星成矿学、行星矿产资源勘查评价技术与开采利用工程学的交叉学科。笔者从行星资源地质学的视角,从地球与月球的层圈结构、演化历史、岩石组成与表生环境,研判月球可能产出的矿产资源类型。认为与月海玄武岩、月幔(柱)和陨石撞击成因的层状岩体与镁铁-超镁铁质小岩体有关的铬铁矿-铜镍钴硫化物-铂族元素-钒钛磁铁矿-金刚石矿产,KREEP岩以及月幔柱熔融上覆岩石圈所产生碱性岩相伴的铌-钽-铍-铀等稀有-稀土矿产,具有形成条件与产出可能,从而拓展可能的矿产类型、品种,从更宽广的视角研究月球矿产并规划月球基地建设资源供给。火星上由于水(以及可能存在的板块构造)的存在,除岩浆矿床之外,火星可能具备发育与化学风化沉积、次生富集作用以及变质作用有关矿产的形成条件,具有形成金属与非金属资源的禀赋,可与地球矿产相媲美。未来行星资源地质学应加强地质学、行星化学、行星地质学、行星物理学、矿业工程、冶金工程和材料学的交叉融合及理论应用,发展行星地质勘探方法与智能机器人工程技术,发展高/低温、高/低压、高辐照、低/微重力环境条件下样品采集、加工、多尺度测试分析理论与方法,培养行星资源地质资源与开发工程学科人才。