2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——火星地表水文地質(zhì)分布的探測(cè)技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.簡(jiǎn)述火星地表水存在的幾種主要形式及其形成原因。2.闡述火星水文地質(zhì)研究對(duì)于尋找過去或現(xiàn)在生命跡象的重要性。3.簡(jiǎn)要介紹火星光譜成像儀（如CRISM）如何通過探測(cè)特定礦物組合來反演過去的水文活動(dòng)痕跡。4.解釋雷達(dá)探測(cè)技術(shù)（如RIMFAX）在火星地下結(jié)構(gòu)探測(cè)中的作用原理及其主要優(yōu)勢(shì)。5.說明中子探測(cè)器（如MARIE）在尋找火星淺層（地表以下幾米）水冰方面的探測(cè)機(jī)制。6.描述火星車鉆探取樣在獲取高精度水文地質(zhì)信息方面所起的關(guān)鍵作用。二、論述題（每題10分，共40分）7.比較火星地表遙感探測(cè)技術(shù)與地面直接探測(cè)技術(shù)（如火星車儀器）在獲取水文地質(zhì)信息方面的主要區(qū)別、優(yōu)缺點(diǎn)以及它們?nèi)绾蜗嗷パa(bǔ)充。8.論述影響火星地表水文地質(zhì)分布的關(guān)鍵地質(zhì)因素和行星環(huán)境因素。9.以某一具體的火星探測(cè)任務(wù)或區(qū)域（例如，蓋爾撞擊坑、耶澤羅撞擊坑或水手谷等地）為例，說明科學(xué)家是如何綜合運(yùn)用多種探測(cè)技術(shù)來研究其水文地質(zhì)歷史的。10.預(yù)測(cè)未來火星探測(cè)任務(wù)在提升火星地表水文地質(zhì)探測(cè)能力方面可能的技術(shù)發(fā)展方向。三、分析與應(yīng)用題（每題15分，共45分）11.假設(shè)你是一名火星探測(cè)任務(wù)規(guī)劃工程師，需要為一個(gè)旨在尋找古代河流三角洲沉積物的探測(cè)區(qū)選擇合適的遙感儀器和地面儀器組合。請(qǐng)闡述你的選擇理由，并說明每種儀器將如何幫助你識(shí)別和確認(rèn)目標(biāo)地質(zhì)特征。12.某火星探測(cè)任務(wù)獲取了某區(qū)域的高分辨率地形圖和CRISM礦物分布圖。描述你將如何綜合分析這兩幅圖件，以識(shí)別可能曾經(jīng)存在過地表水體（如河流、湖泊）的證據(jù)，并推斷其可能的古流向和沉積環(huán)境。13.討論在火星極端環(huán)境下，進(jìn)行地表水文地質(zhì)探測(cè)所面臨的主要挑戰(zhàn)（如沙塵暴影響、低溫、輻射等），并提出相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策或應(yīng)對(duì)策略。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：火星地表水存在的幾種主要形式包括：固態(tài)水（如水冰，存在于極地冰蓋、地下淺層、干涸河床和湖泊沉積物中）；氣態(tài)水（水蒸氣，含量極低，主要存在于大氣中，隨季節(jié)和地域變化）；以及可能存在的液態(tài)水（理論上可能在地下深處存在高壓液態(tài)水，但地表幾乎沒有穩(wěn)定液態(tài)水，可能有短暫存在的液態(tài)甲烷或過冷水）。形成原因主要是水冰的升華和揮發(fā)，以及可能的地下液態(tài)水因高壓而穩(wěn)定存在。解析思路：考察對(duì)火星水存在形式和來源的基礎(chǔ)認(rèn)知。需要區(qū)分不同狀態(tài)的水，并了解火星表面條件（低氣壓、低溫、強(qiáng)輻射）導(dǎo)致地表缺乏穩(wěn)定液態(tài)水的原因，同時(shí)提及地下水的可能性。2.答案：火星水文地質(zhì)研究對(duì)于尋找生命跡象至關(guān)重要，因?yàn)樗且阎嬖诘谋匾獥l件。通過探測(cè)過去或現(xiàn)在的水文活動(dòng)痕跡（如古代河流、湖泊、三角洲、地下水網(wǎng)絡(luò)），可以確定過去是否存在生命宜居的環(huán)境（如合適的溫度、液態(tài)水、化學(xué)物質(zhì)）。分析含水礦物（如粘土、硫酸鹽、碳酸鹽）有助于了解當(dāng)時(shí)的化學(xué)環(huán)境。尋找水冰則直接關(guān)系到未來載人探測(cè)和資源利用。解析思路：考察對(duì)水與生命關(guān)系的理解以及在火星探測(cè)中應(yīng)用這一認(rèn)識(shí)的邏輯。需闡述水作為生命基礎(chǔ)，以及不同水文地質(zhì)特征（形態(tài)、礦物）與宜居環(huán)境、生命潛力之間的關(guān)聯(lián)。3.答案：CRISM（高分辨率成像光譜儀）通過其強(qiáng)大的光譜能力，可以探測(cè)地物反射或發(fā)射的特定光譜特征。不同礦物對(duì)特定波段的電磁波具有獨(dú)特的吸收和反射峰，例如，含水的礦物（如粘土礦物、硫酸鹽、碳酸鹽）在近紅外和短波紅外波段有特征吸收特征。通過分析圖像中的這些光譜信號(hào)，可以識(shí)別和繪制出含水礦物的分布圖，從而反演過去存在水活動(dòng)的區(qū)域和強(qiáng)度。解析思路：考察對(duì)CRISM工作原理及其在礦物識(shí)別（特別是含水礦物）中應(yīng)用的理解。需解釋光譜成像的基本原理，即通過“讀譜”識(shí)別物質(zhì)，并具體到含水礦物在光譜上的特征。4.答案：雷達(dá)探測(cè)技術(shù)（特別是地面穿透雷達(dá)，如RIMFAX）利用高頻無線電波發(fā)射到地表和地下，通過接收反射回波來成像地下結(jié)構(gòu)。不同介質(zhì)（巖石、土壤、水冰）對(duì)雷達(dá)波的反射和衰減特性不同。巖石通常反射強(qiáng)，衰減小；土壤和風(fēng)化層具有中等反射；而水冰（特別是純水冰）對(duì)雷達(dá)波具有強(qiáng)烈的反射特性，但也會(huì)發(fā)生一定程度的衰減。通過分析雷達(dá)剖面圖上反射信號(hào)的強(qiáng)度、相位、時(shí)間和幅度變化，可以繪制地下地層結(jié)構(gòu)，探測(cè)地下含水層、冰層或結(jié)構(gòu)界面。解析思路：考察對(duì)雷達(dá)探測(cè)（特別是地質(zhì)雷達(dá)）工作原理的理解。需解釋波的反射和衰減與介質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，以及如何通過分析回波信息來推斷地下結(jié)構(gòu)和成分，重點(diǎn)突出其在探測(cè)水冰方面的能力。5.答案：中子探測(cè)器（如火星奧德賽號(hào)上的MARIE）通過發(fā)射中子束到火星地表和淺層土壤（regolith），并探測(cè)散射回來的中子。氫原子核（質(zhì)子）對(duì)中子的散射截面很大，因此，富含氫的環(huán)境（如水冰）會(huì)強(qiáng)烈散射中子。中子探測(cè)器通過測(cè)量特定能量散射中子的數(shù)量和分布，可以繪制出地表淺層（通常幾米深）氫濃度分布圖。由于水冰是氫含量最高的常見物質(zhì)之一，因此該技術(shù)主要用于探測(cè)淺層水冰的存在、分布和儲(chǔ)量。解析思路：考察對(duì)中子探測(cè)技術(shù)（特別是用于找水）原理的理解。需解釋中子與物質(zhì)的相互作用（特別是氫的作用），以及如何通過探測(cè)散射中子來反演含氫物質(zhì)（主要是水冰）的分布。6.答案：火星車鉆探取樣能夠直接獲取地表以下不同深度的原位巖石和土壤樣本。這些樣品可以用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的精確分析，例如，使用X射線衍射（XRD）、離子色譜（IC）、熱脫附（TD）等儀器，可以鑒定微量的含水礦物、測(cè)量水含量、確定水的化學(xué)成分（如是否存在perchlorates等可能支持生命的化學(xué)物質(zhì)）。這為遙感探測(cè)和地面儀器探測(cè)提供了關(guān)鍵的地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)，極大地提高了對(duì)火星水文地質(zhì)歷史的認(rèn)識(shí)深度和準(zhǔn)確性。解析思路：考察對(duì)鉆探取樣在火星探測(cè)中作用的理解。需強(qiáng)調(diào)鉆探獲取“原位”樣品的優(yōu)勢(shì)，以及這些樣品能夠進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)室級(jí)”精確分析的能力，從而印證和深化地表及遙感探測(cè)的發(fā)現(xiàn)。二、論述題7.答案：火星地表遙感探測(cè)技術(shù)（如光學(xué)相機(jī)、光譜儀、雷達(dá)）主要從宏觀到中觀尺度（公里級(jí)到數(shù)十米級(jí)）提供地表形態(tài)、礦物組成、溫度等信息，具有覆蓋范圍廣、效率高、可探測(cè)遙遠(yuǎn)區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，但分辨率有限，且易受大氣條件影響。地面直接探測(cè)技術(shù)（如火星車上的鉆頭、光譜儀、化學(xué)分析儀、中子探測(cè)器等）能夠進(jìn)行高分辨率（厘米級(jí)）、原位、定量的測(cè)量和分析，可以直接獲取樣品并進(jìn)行復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，具有極高的探測(cè)精度和深度，但活動(dòng)范圍有限、工作耗時(shí)、易受局部環(huán)境制約。兩者互補(bǔ)在于：遙感可以快速圈定目標(biāo)區(qū)域、提供區(qū)域背景信息、識(shí)別宏觀特征；地面探測(cè)則對(duì)遙感發(fā)現(xiàn)的感興趣目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證、獲取精確數(shù)據(jù)、揭示微觀機(jī)制。例如，遙感發(fā)現(xiàn)疑似含水礦物區(qū)域，地面車進(jìn)行鉆探取樣確認(rèn)含水并分析成分。解析思路：考察對(duì)兩種探測(cè)方式（遙感與地面）特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及相互關(guān)系的全面理解。需要分別闡述兩者的主要能力、局限，然后重點(diǎn)論述它們?nèi)绾卧谔綔y(cè)策略中協(xié)同工作，相輔相成。8.答案：影響火星地表水文地質(zhì)分布的關(guān)鍵地質(zhì)因素包括：原始地殼成分（決定了可參與水循環(huán)的礦物種類）、火山活動(dòng)（提供熱源、火山玻璃和水）、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（形成斷裂、褶皺，控制水流通道）、風(fēng)化作用（改變地表物質(zhì)組成和形態(tài)，影響水與巖石的相互作用）。行星環(huán)境因素則主要包括：大氣成分和密度（影響水的蒸發(fā)、運(yùn)輸和沉積）、氣候條件（溫度、降水、風(fēng)力，控制水的相態(tài)和遷移方式）、太陽輻射（驅(qū)動(dòng)水循環(huán)，產(chǎn)生電離層效應(yīng)，影響地表化學(xué)）、行星尺度重力場(chǎng)和自轉(zhuǎn)（影響地表水流向和沉積模式）。這些因素共同作用，塑造了火星不同地區(qū)的地貌特征（如干涸河床、三角洲、鹽灘）、含水礦物的分布格局以及潛在地下水的分布。解析思路：考察對(duì)影響火星水文地質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)外因的綜合認(rèn)識(shí)。需要從地質(zhì)背景（內(nèi)因）和行星環(huán)境（外因）兩個(gè)維度，列舉關(guān)鍵因素，并闡述它們各自以及如何影響水文地質(zhì)過程和最終分布。9.答案：以蓋爾撞擊坑為例，科學(xué)家綜合運(yùn)用了多種探測(cè)技術(shù)。首先，火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）的CRISM光譜儀繪制了詳細(xì)的礦物分布圖，發(fā)現(xiàn)了大量的含水粘土礦物和硫酸鹽，指示了過去存在長(zhǎng)期液態(tài)水環(huán)境。HiRISE相機(jī)提供了高分辨率地形圖，識(shí)別出河床、三角洲沉積等水成地貌特征?；鹦强茖W(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）的“好奇號(hào)”火星車到達(dá)蓋爾坑中心后，進(jìn)行了詳細(xì)的原位探測(cè)。它使用鉆頭采集了不同深度的沉積巖樣本，通過X射線衍射儀（XRD）發(fā)現(xiàn)了豐富的含水礦物（如粘土），通過化學(xué)與礦物學(xué)分析儀（CheMin）進(jìn)一步確認(rèn)了礦物類型，通過樣本分析儀（SAM）檢測(cè)到甲烷的間歇性釋放，并分析了水的化學(xué)成分。此外，“好奇號(hào)”還使用了中子探測(cè)器（RAD）探測(cè)淺層水冰，并測(cè)量了地下濕度。通過遙感發(fā)現(xiàn)、地面驗(yàn)證和原位分析相結(jié)合，科學(xué)家重建了蓋爾坑從古代河流入湖到最終干涸的演化歷史。解析思路：考察綜合運(yùn)用多種探測(cè)技術(shù)解決實(shí)際科學(xué)問題的能力。需選擇一個(gè)具體的、有充分探測(cè)數(shù)據(jù)支持的火星區(qū)域和任務(wù)（如蓋爾坑與好奇號(hào)），按時(shí)間順序或技術(shù)類型，清晰描述遙感、軌道、著陸器、火星車等多種技術(shù)如何協(xié)同工作，逐步揭示水文地質(zhì)信息。10.答案：未來火星探測(cè)任務(wù)在提升地表水文地質(zhì)探測(cè)能力方面可能的技術(shù)發(fā)展方向包括：更高分辨率、多光譜/高光譜、熱紅外成像，以更清晰地識(shí)別礦物和地貌；更先進(jìn)的地下穿透雷達(dá)系統(tǒng)，以探測(cè)更深、更精細(xì)的地下結(jié)構(gòu)和水冰；改進(jìn)的中子探測(cè)技術(shù)，提高探測(cè)深度和靈敏度；原位中子測(cè)量?jī)x，直接測(cè)量鉆孔或巖石中的氫含量；激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）等快速原位化學(xué)分析技術(shù)，提高樣品分析效率和覆蓋范圍；化學(xué)與礦物學(xué)分析儀（CheMin）的升級(jí)換代，提高礦物識(shí)別能力；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，集成不同類型儀器的數(shù)據(jù)，提供更全面的地下信息；利用無人機(jī)或小型機(jī)器人進(jìn)行立體探測(cè)和采樣，擴(kuò)展探測(cè)范圍；以及更深入的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用，用于自動(dòng)識(shí)別探測(cè)數(shù)據(jù)中的水文地質(zhì)特征。解析思路：考察對(duì)火星探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)能力。需結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的局限性，提出未來可能的技術(shù)改進(jìn)方向，涵蓋遙感、探測(cè)、分析、采樣、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)方面，體現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步方向（更高、更快、更深、更智能）。三、分析與應(yīng)用題11.答案：選擇合適的探測(cè)技術(shù)組合需考慮目標(biāo)地質(zhì)特征（古代河流三角洲）的特性和探測(cè)環(huán)境。首選遙感儀器應(yīng)為高分辨率地形相機(jī)（如HiRISE）和光譜成像儀（如CRISM）。HiRISE可提供高分辨率地形圖，用于識(shí)別河床、沉積層疊、三角洲前緣等形態(tài)特征，測(cè)量沉積物的粒度（通過紋理分析）和分布范圍。CRISM用于探測(cè)沉積物中的含水礦物（粘土、硫酸鹽）和可能的碎屑礦物（如石英、長(zhǎng)石），這些礦物是河流沉積物的常見組分，其光譜特征可確認(rèn)水成沉積環(huán)境。地面儀器組合方面，火星車應(yīng)配備鉆頭，用于獲取沉積巖核心樣本，進(jìn)行精確的礦物學(xué)（XRD/CheMin）和化學(xué)分析（SAM），確認(rèn)礦物成分和水化學(xué)特征。同時(shí)，配備光譜儀（如LIBS或接觸式光譜）進(jìn)行原位礦物識(shí)別。中子探測(cè)器（RAD）可用于探測(cè)淺層水冰。選擇理由是：遙感用于快速覆蓋和圈定目標(biāo)，地面探測(cè)用于獲取高精度樣品和原位信息，遙感發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)由地面進(jìn)行驗(yàn)證和深化，形成從宏觀到微觀的探測(cè)鏈條。解析思路：考察探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)能力。需針對(duì)具體目標(biāo)（古代三角洲），結(jié)合不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和適用性，進(jìn)行合理的技術(shù)選型。需要說明選擇每種技術(shù)的具體目的（看形態(tài)、看成分、驗(yàn)證成分、測(cè)水冰），并闡述為何這種組合是有效的。12.答案：綜合分析地形圖和CRISM礦物分布圖時(shí)，首先在HiRISE地形圖上尋找指示河流活動(dòng)的地貌特征，如平直的河床、蛇形彎曲的河道、三角洲的扇形形態(tài)、點(diǎn)狀或線狀分布的沉積物等。注意觀察地形高差和坡度變化，判斷水流方向和沉積環(huán)境。然后，將HiRISE圖件與CRISM礦物分布圖進(jìn)行疊加對(duì)比。在CRISM圖上尋找與河流沉積環(huán)境相關(guān)的礦物組合，如沿河床或三角洲區(qū)域分布的粘土礦物（通常呈藍(lán)色或紫色斑塊）和硫酸鹽（呈亮白色或黃色斑塊）。特別關(guān)注粘土礦物的分布，它們是長(zhǎng)期水浸泡和沉積作用形成的標(biāo)志礦物。將地形特征與礦物分布相結(jié)合：例如，在低洼地形（可能為古湖泊或河流泛濫平原）發(fā)現(xiàn)了富水的粘土礦物和硫酸鹽組合，則強(qiáng)烈支持該區(qū)域存在過湖相或泛濫平原沉積環(huán)境。如果在河床或三角洲邊緣發(fā)現(xiàn)了碎屑礦物（如CRISM識(shí)別的石英、長(zhǎng)石），結(jié)合地形上的沉積層疊特征，可以推斷形成了河流三角洲。通過這種綜合分析，可以識(shí)別出古代水體的范圍、可能的流向、沉積環(huán)境類型以及水化學(xué)條件（通過礦物組合判斷）。解析思路：考察數(shù)據(jù)解讀和綜合分析能力。需說明如何從兩種不同類型的圖件中提取信息，并將這些信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)和解讀。需要具體闡述地形特征與礦物分布如何相互印證，以識(shí)別河流、三角洲等水成地貌及其相關(guān)的沉積環(huán)境。13.答案：在火星極端環(huán)境下進(jìn)行地表水文地質(zhì)探測(cè)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：沙塵暴：大規(guī)模沙塵暴會(huì)覆蓋地表，降低光學(xué)遙感器的分辨率和信噪比，甚至導(dǎo)致光學(xué)儀器暫時(shí)失效；同時(shí)，沙塵進(jìn)入機(jī)械結(jié)構(gòu)和儀器內(nèi)部（如關(guān)節(jié)、鏡頭、樣品艙），影響其正常運(yùn)行和精度。低溫：火星表面溫度極低，導(dǎo)致金屬部件脆化、潤滑劑凝固、電池性能下降、水冰易升華，影響設(shè)備工作和樣品儲(chǔ)存。輻射：火星缺乏全球性磁場(chǎng)，地表暴露于強(qiáng)烈的宇宙射線和太陽粒子事件輻射下，會(huì)加速電子元器件老化、產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)、破壞有機(jī)樣品（如果存在）。大氣稀薄：低氣壓導(dǎo)致