АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2015, том 49, № 4, с. 243-261
УДК 523.43-834
ГРУНТ МАРСА: РАЗНОВИДНОСТИ, СТРУКТУРА, СОСТАВ, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, БУРИМОСТЬ И ОПАСНОСТИ ДЛЯ ПОСАДОЧНЫХ АППАРАТОВ © 2015 г. Н. Э. Демидов1, 2, А. Т. Базилевский2, Р. О. Кузьмин2
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия 2Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия
е-таП: nikdemidov@mail.ru Поступила в редакцию 27.11.2014 г.
Статья представляет собой сводку данных по различным свойствам грунтов планеты Марс, которые могут представлять интерес для тех, кто разрабатывает приборы и космические аппараты для исследования этой планеты. Эти данные рассеяны в многочисленных и не всегда легко доступных публикациях различных лет, и поэтому наличие такой сводки облегчает их розыск и работу с ними. Показано, что многообразие грунтов Марса в первом приближении можно свести к четырем разновидностям сухого реголита, а также к мерзлому реголиту, полускальным и скальным грунтам. На основе анализа данных орбитального зондирования, данных семи посадочных аппаратов данных земных грунтов-аналогов приводятся сведения о структуре и составе грунтов Марса их физическим, тепло-физическим и механическим свойствам. Отдельно рассмотрены буримость марсианских грунтов и опасности для посадочных аппаратов.
Ключевые слова: грунт Марса, посадочный аппарат, внеземное бурение. БО1: 10.7868/80320930X15040027
ВВЕДЕНИЕ
Космические аппараты, достигшие поверхности Марса, — неподвижные посадочные станции и марсоходы — проводят изучение и взаимодействуют с грунтом или грунтами этой планеты. В большинстве случаев это слабосвязный рыхлый грунт, который подстилается коренными скальными и полускальными породами. Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по прочности на одноосное сжатие: >5 МПа — скальные грунты, <5 МПа — полускальные грунты (ГОСТ 25100-95). Местами коренные породы обнажаются на поверхности и нередко их в различной степени измененные фрагменты образуют включения в рыхлых породах. Рыхлый материал поверхности планет, спутников и малых тел нередко называ-1
ют реголитом , в случае Марса — реголитом Марса.
Коренные породы Марса — это, в основном, вулканические и ударно-метаморфические породы, по прочности, в большинстве случаев, они относятся к категории скальных, а по составу они ма-
1 * Вместе с термином реголит в англоязычной литературе активно используется термин soil, под которым согласно (Herkenhoff и др., 2008) понимают "любой дисперсный материал отличный от камней, скального основания или сцементированных осадков безотносительно наличия/отсутствия органики или жизни".
фические, т.е. породы основного состава — содержат 45-53% SiO2 (Bandfield и др., 2000; Wyatt, McSween, 2002; Christensen и др., 2008). Орбитальные приборы OMEGA и CRISM выявили на Марсе ряд районов распространения осадочных горных пород (Bibring и др., 2005; Mustard и др., 2008), в последствити сульфатосодержащие песчаники и аргиллиты (литифицированные филосиликаты) были детально исследованы марсоходом Opportunity на плато Меридиана (Meridiani Planum) и марсоходом Curiosity в кратере Гейл (Gale) (Rieder и др., 2004; Grotzinger и др., 2014). Они по прочности в большинстве случаев относятся к полускальным грунтам. Их химический состав более разнообразен, чем у базальтов и ударно-метаморфических пород.
Образование относительно однородного дис-2
персного реголита, который слагает большую часть поверхности Марса, связано с разрушением коренных пород и перемешиванием продуктов разрушения под воздействием ударно-метеоритного, криогенного и эолового факторов вместе с химическим выветриванием. Наличие сравнительно
2 Под дисперсными грунтами согласно (ГОСТ 25100) понимают грунты, обладающие естественными физическими, физико-химическими и/или механическими связями, характерными для раздельно зернистых грунтов.
однородного в химическом отношении реголита следует из данных анализа грунта в местах посадки Viking-1, -2, Pathfinder, Spirit, Opportunity, Phoenix и Curiosity (Rieder и др., 2004; Geliert и др., 2004; Mes-lin и др., 2013) и подтверждается данными орбитального картирования приборами GRS (Boynton и др., 2007) и TES (Christensen и др., 2008). В качестве аналогов реголита Марса различными исследователями предлагались реголит Луны (Мороз, 1978; Johnson, Carrier, 1971) и палагонитизированный вулканический пепел гавайского вулкана Мауна-Кеа (Mericallio и др., 2013; Allen и др., 1997; 1998).
О наличии определенных вариаций в физических свойствах реголита Марса свидетельствуют результаты анализа карт альбедо и тепловой инерции. Так в работе Putzig и др. (2005) на основании измерений тепловой инерции и альбедо прибором TES выделены и закартированы (с пространственным разрешением 3 км) три основных типа грунта, для которых характерны: А — низкая тепловая инерция и высокое альбедо, B — высокая тепловая инерция и низкое альбедо, C — высокая тепловая инерция и промежуточные значения альбедо. Авторы этой работы считают, что грунт типа А — это неконсолидированная пыль, грунт типа В — это пески, скальные (и полускальные) породы и сцементированный грунт, а грунт типа С — это, в основном, сцементированный материал с небольшим количеством скальных пород.
Однако в качестве главного фактора, определяющего резкое изменение физико-механических свойств реголита, следует рассматривать наличие в реголите льда воды, что характерно для полярных областей. Согласно данным температурных моделей и данным орбитальных нейтронных измерений (Schorghofer, Aharonson, 2005, Митрофанов и др., 2004; Демидов и др., 2008), льдосодержащий (далее по тексту мерзлый*) грунт появляется на Марсе примерно с широты 40° (к северу и югу от экватора) на глубине около 1 м. По направлению к полюсам граница раздела между сухими морозными породами и льдосодержащими мерзлыми приближается к поверхности. В месте посадки аппарата Phoenix в северном полушарии на широте 68° мощность сухого слоя составила 2—10 см (Keller и др., 2009; Mellon и др., 2009a; 2009b). Таким образом, в первом приближении, все многообразие приповерхностных грунтов Марса с точки зрения их физико-механических свойств может быть описано следующим рядом моделей: (1) моделью практически сухого реголита, (2) моделью реголита с варьирующим содержанием льда воды (модель мерзлого реголита), (3) моделью скальных и полускальных грунтов, а также рядом более сложных моделей, когда грунтовая толща представлена набором из 2— 3 слоев, каждый из которых соответствуют (1), (2) и (3) модели.
Физические свойства сухого реголита в данной сводке приводятся, главным образом, по результатам изучения грунтов в местах работы посадочных аппаратов и в меньшей степени по результатам орбитального зондирования и свойствам грунтов-аналогов. В отличие от советских лунных посадочных аппаратов, где имелись специальные инструменты для определения плотности, угла внутреннего трения и сцепления, на марсианских аппаратах NASA подобные устройства не устанавливались. В то же время, на каждом из спускаемых аппаратов имелись устройства, осуществлявшие механическое воздействие на грунт: манипуляторы, абразивные и буровые устройства, а также колеса марсохо-дов или опоры посадочных аппаратов. По результату этого воздействия оценивались механические свойства реголита. Физические свойства мерзлого реголита Марса к настоящему моменту in situ практически не изучены, поэтому их оценка в данной работе приводится, в основном, путем привлечения данных о свойствах земных мерзлых грунтов-аналогов (мерзлых песков и пылеватых грунтов). Из экспериментов по определению физических свойств скальных и полускальных грунтов на поверхности Марса проводилось только измерение их тепловой инерции и устойчивости к воздействию абразивного инструмента, поэтому в данном обзоре описание свойств этих грунтов также делается с привлечением данных о свойствах земных грунтов-аналогов.
ТИПЫ И СТРУКТУРА РЕГОЛИТА В МЕСТАХ ПОСАДКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
История изучения поверхности Марса спускаемыми автоматическими аппаратами насчитывает 7 успешных американских миссий: посадочные аппараты Viking-1 и -2 (1976—1982 гг.), марсоход Sojourner с посадочного аппарата Pathfinder (1997 г.), марсоходы Spirit (2004—2010 гг.) и Opportunity (c 2004 г.), посадочный аппарат Phoenix (2008 г.) и марсоход Guriosity (с 2012 г.). Все эти аппараты имели ТВ-камеры, передававшие изображения, на которых была видна структура поверхности и литолого-петрографические особенности реголита и коренных пород.
Посадочый аппарат Viking-1 осуществил посадку на западной оконечности относительно ровной кратерированной равнины Хриса (Chryse Planitia) (рис. 1). На панорамах района посадки (рис. 2.1) были обнаружены небольшие дюны и пятна из тонкодисперсных эоловых наносов (drift material), наложенные на усеянный камнями реголит (Moore и др., 1987). Грунт между камнями, получившим название каменистый материал (blocky material), представляет собой смесь грунта с обломочным материалом (размером с гальку и гравий). Это наиболее прочный тип реголита, который под действием ковша разламывался на отдельные призматические агрегаты размером 2—4 см, что свидетельствовало о
Рис. 1. Карта рельефа Марса по данным лазерного альтиметра MOLA c указанием мест посадок космических аппаратов.
значительной цементации этого материала солями. Эоловые наносы и каменистый грунт, очевидно, образуют чехол на субгоризонтальной поверхности коренных пород (предположительно базальтов). Обнажения коренных пород располагаются на некотором удалении от станции.
Посадочный аппарат Viking-2 осуществил посадку на равнине Утопия (Utopia Planitia), где также обнаружил сильно каменистую поверхность (рис. 2.2). На участках ветрового выдувания между камнями наблюдался грунт имеющий местами корки и комковатую структуру (crusty to cloddy material), который при воздействии ковша-манипулятора имел тенденцию разламываться на агрегаты размером 0.5—1 см. Считается, что агрегированность грунта с коркой, комковатого и каменистого грунтов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.