月壤工程地質(zhì)特性綜述

黃 雨，蔣馥鴻

（同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092）

月球是距離地球最近的天體，是人類太空探測的首選.自20世紀60年代美國Apollo載人登月計劃實施以來，人類對于月球的探索不斷深入.我國目前也開展了嫦娥探月工程，并以載人登月為重點而進行探索［1］.

眾所周知，月壤是月球最表面一層的風化物質(zhì)，主要由巖屑、玻璃等組成［2］.作為月球探測器著陸的直接載體，月壤的工程地質(zhì)力學性質(zhì)，即工程地質(zhì)主要物理狀態(tài)與屬性，對于月球探測具有重要影響.探索月球必須首先了解月壤的基本工程地質(zhì)性質(zhì)［3］.

雖然，國內(nèi)外對于月壤已經(jīng)進行了較多的研究［4－6］，但多集中在顆粒成分、顆粒形態(tài)與孔隙率等單一性質(zhì)的探索，尚缺乏對月壤工程地質(zhì)力學特性的宏觀分析.因此，本文針對月壤工程地質(zhì)力學問題，根據(jù)國內(nèi)外近年的最新研究成果，首先對有關(guān)月壤基本工程性質(zhì)的研究成果進行了介紹，包括物理性質(zhì)、化學組成及顆粒性質(zhì)；其次，對模擬月壤的強度特性與變形特征的研究成果進行了分析，討論了弱重力下進行月壤工程地質(zhì)性質(zhì)研究的必要性；最后，提出應加強真實月面環(huán)境下月壤的動力響應特性等方面的研究.

1 月壤礦物組成

根據(jù)成因，月壤可分為3 類，即月海玄武巖起源、月球高地起源、月海與高地混合源［2］；根據(jù)月壤中鈦元素含量可分為3類，即低鈦玄武巖質(zhì)月壤、高鈦玄武巖質(zhì)月壤與斜長巖質(zhì)月壤［3］.由于月壤絕大部分物質(zhì)是由下伏月巖演化而成，而月海玄武巖主要由斜長石構(gòu)成，月球高地巖石主要由輝石與鈦鐵礦構(gòu)成［7－8］，因此月壤包含了斜長石、輝石、鈦鐵礦等原生礦物成分［6］.月壤是在氧氣、水、風和生命活動都不存在的獨特的環(huán)境下，由隕石和微隕石撞擊、宇宙射線和太陽風轟擊、月表溫差導致月巖熱脹冷縮破碎等因素的共同作用下形成.因此，月壤中沒有含水的礦物［9］（如粘土、云母、閃石等），存在較多的由于火山噴發(fā)等作用所生成的玻璃體（圖1）.

圖1 NASA 公布的月壤薄片標本圖像［10］Fig.1 Lunar regolith wafer specimen image announced by NASA［10］

2 月壤化學成分

月壤的化學成分主要是指礦物的化學組成.通過表1可知，月壤的主要化學成分包括氧化硅、氧化鋁、氧化亞鐵等，其中鉀長石和方解石等在地球上常見的礦物，在月球上卻極為稀少.另外由于月球沒有大氣層和水，不能產(chǎn)生氧化還原作用，礦物中的變價元素多為低價且不含水.

表1 月 壤 主 要 元 素 列 表［11－12］Tab.1 List of the main elements of the lunar regolith［11－12］

月壤中還含有非常豐富的稀有氣體（如He，Ne等）與金屬礦產(chǎn)（如鈦、鐵等）.其中3He含量極高，對已有月壤標本的研究表明，月壤中3He資源總量可達100～500萬t，作為一種極具開發(fā)前景的核聚變?nèi)剂希@對未來開發(fā)利用月球能源具有重要的參考意義［13］.

3 月壤顆粒性質(zhì)

顆粒組成與礦物成分是影響月壤的物理性質(zhì)的主要因素［14］.月壤的顆粒組成，包括粒度分布和顆粒形態(tài)，是決定月壤的物理性質(zhì)的主要因素之一［12］.粒度分布的研究成果表明：月壤分選性較差，分布范圍較窄，粒度與淤沙相似.顆粒直徑以小于1 mm 為主，其中絕大部分顆粒直徑在1～30μm 之間，中值粒徑在40～130μm 之間［14］，約10%～20%的顆粒直徑小于20μm［12］（圖2）.

圖2 月壤顆粒微觀圖像［15］Fig.2 Microscopic photographs of lunar regolith particles［15］

此外，通過對月壤標本的測定，得到了月壤的平均粒度參數(shù)［15］（表2）.由于缺少大氣層的保護，受宇宙射線與太陽風等射線的沖蝕，月壤顆粒形態(tài)變化較大，長條狀、棱角狀相對常見［12－14］.

表2 月壤平均粒度參數(shù)［15］Tab.2 Average particle size parameters of lunar regolith［15］

孔隙比e可以用來評價月壤的密實程度.參考文獻［12］綜合了各個研究者的不同結(jié)論，認為：由于受到月球弱重力等因素影響，月壤表現(xiàn)出相對松散的特性；當e＜0.6時為密實的低壓縮性月壤，當e＞1.0時是疏松的高壓縮性月壤.

4 月壤力學性質(zhì)

由于缺少標本，早期月壤的力學性質(zhì)研究主要通過天文望遠鏡等設(shè)備觀測月球，基于已有的土力學理論推斷月壤基本性質(zhì)［13，16－17］，例如月壤的礦物組成、顆粒性質(zhì)等；登月后取得了少量月壤標本，直接對標本進行力學實驗取得了相應的力學參數(shù)［16］，例如月壤的壓縮指標與內(nèi)摩擦角參數(shù)等；現(xiàn)今，鑒于月壤標本的稀少，主要通過模擬月壤進行試驗，更多關(guān)注月表獨特環(huán)境對月壤的影響［17］，譬如弱重力對于月壤的影響.

依照土力學理論，研究人員對月壤力學性質(zhì)的研究主要從變形特征與強度特性兩個方面開展［13］.壓縮性是變形特征的主要指標.通過對月壤標本進行實驗，發(fā)現(xiàn)在一般荷載下（100～600kPa），月壤體積變形主要是顆粒間孔隙的壓縮，顆粒本身并未產(chǎn)生變形.即月壤的壓縮實際上是月壤顆粒位置重新調(diào)整排列，這與地球土壓縮原理是類似的［12，16］.由于月球不存在大氣層且重力加速度只有地球的1／6，這導致月壤更易壓縮.

強度問題是月壤力學性質(zhì)研究的重點.未來在月球上規(guī)劃、建設(shè)月球空間站等人工建筑物，都需要對月壤的強度特性有深入的研究.強度特性的研究主要集中在抗剪強度，即月壤顆粒抵抗剪應力的能力.最初，研究人員通過對已有月壤樣品進行了三軸試驗，發(fā)現(xiàn)月壤剪切破壞是顆粒間的摩擦與破碎，月壤抗剪強度主要由內(nèi)摩擦角φ與內(nèi)聚力c組成［16］，φ值大小體現(xiàn)顆粒間摩擦的強弱，c值則表現(xiàn)了顆粒間粘聚力的大小.其后，Perkins等［17］對抗剪強度試驗進行了改進，即采用立方體試樣標本，得到了月壤的顆?？辜魪姸冗h遠小于顆粒本身的強度的結(jié)論.進一步的研究認為月壤抗剪強度由內(nèi)聚力c控制，但在月表環(huán)境的影響下，月壤內(nèi)聚力不僅與月壤顆粒間的膠結(jié)作用有關(guān)，而且與顆粒之間的范德華力有關(guān)［18－19］.一些學者基于離散元方法，提出一種簡化接觸模型，對月壤顆粒相互作用進行了計算模擬［20］.

月壤的膠結(jié)是指巖石與礦物碎片等由于外部因素而產(chǎn)生的熔體膠結(jié)在一起而形成的集合，包括了礦物、玻璃、納米金屬鐵等非常細小的顆粒［19］.雖然最近有學者通過微波加熱技術(shù)和磁控濺射技術(shù)對這方面的模擬進行了一些初步探索［21］，但總體來看，目前對月壤膠結(jié)的模擬仍然較少，亟待進一步加強研究.

5 模擬月壤

真實月壤標本極其稀少，美國擁有381.7kg，前蘇聯(lián)也只有0.321kg，我國僅有1g［1］.因此，目前主要采用模擬材料進行替代.所謂模擬月壤是有著與真實月壤相似的礦物組成、化學成分與工程力學性質(zhì)的人工材料［13］，也是國內(nèi)外目前進行月球資源開發(fā)利用和月球科學研究的主要實驗材料.例如，月球車等探月工具的開發(fā)研制均需要在模擬月壤鋪設(shè)的月面實驗場進行反復模擬試驗，以優(yōu)化設(shè)計性能參數(shù).可見，模擬月壤研究意義重大.

模擬月壤研究主要包括人工材料的研制與相關(guān)工程力學性質(zhì)實驗.筆者對目前應用較廣的幾種模擬材料進行了分類.一是根據(jù)月壤中鈦元素含量，可分為低鈦玄武巖質(zhì)月壤（如JSC－1）與高鈦玄武巖質(zhì)月壤（如MLS），由于這兩種都屬于玄武巖質(zhì)月壤，故可簡化為低鈦月壤與高鈦月壤［22］；因為登陸器的著陸點一般都選擇月海地區(qū)［23］，故模擬月壤一般都采用月海月壤為模擬對象（如JSC－1，MLS）；而斜長巖大多分布于月球高地等不適合登陸器著陸地區(qū)，故斜長巖質(zhì)月壤模擬材料相對較少.二是根據(jù)登陸位置采集樣品的不同，可分為Apollo 11號模擬月壤樣本［24］（如MLS－1）與Apollo 14號月壤樣本［16］（如MLS－2）.根據(jù)上述分類，歸納了目前工程界常用的幾種模擬月壤，見表3.

表3 主 要 模 擬 月 壤 分 類［14，22］Tab.3 Main lunar regolith simulation classification［14，22］

JSC是最早研制且能大規(guī)模生產(chǎn)的模擬月壤，是目前應用最廣的模擬月壤之一.Alshibli［24］等通過三軸試驗，得到了JSC 的彈性模量E在不同圍壓G下的取值，見表4.

表4 彈性參數(shù)的取值［24］Tab.4 The values of elastic parameters［24］

Arslan［25］等在前人的基礎(chǔ)上進行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)JSC－1 的抗剪強度τ 隨密度的增加而變大.在密度為1.6g·cm－2時，τ＝0.78kPa；而當密度增大到1.7，1.8g·cm－2時，τ 的取值分為為0.96，1.38kPa.其次，在抗剪強度試驗中，試樣的高度影響了加載的圍壓與加載路徑.因此抗剪強度不僅與密度有關(guān)，還與試樣的高度有關(guān)，幾乎成線性關(guān)系.通過這個試驗，Arslan等認為JSC－1具有剪脹性能且有著較高的摩擦性與剛度.

環(huán)境因素指月球所獨有并且影響其工程性質(zhì)的環(huán)境特征，例如弱重力、低圍壓等.由于科技的限制，在早期月壤研究中并不能對這些因素進行探索；隨著技術(shù)的發(fā)展，對環(huán)境因素的研究進入新的階段.鄒猛等［26］通過對研制的模擬月壤進行三軸試驗，在地面重力環(huán)境（1g）下，得到了內(nèi)摩擦角φ 與內(nèi)聚力c的取值，其中內(nèi)摩擦角φ 為35.6°，內(nèi)聚力c為2.15 kPa.而真實月壤的內(nèi)摩擦角φ 在25°～40°之間，內(nèi)聚力c在0.26～1.8kPa之間.參考文獻［27］對FJS－1模擬月壤的研究表明弱重力對月壤承載力具有較大影響；Perkins等［28］也對一些模擬月壤進行了相關(guān)的弱重力特性研究；Hofmeister等［29］利用落塔裝置，獲得了不同重力水平下的顆粒休止角變化特點.對弱重力狀態(tài)下模擬月壤的力學特性的研究都表明重力場變化對月壤性質(zhì)影響較大.

由于在空間弱重力環(huán)境中，月壤處于低有效圍壓狀態(tài)，而月壤顆粒間的有效應力與重力環(huán)境產(chǎn)生的自重應力密切相關(guān)，使月壤的強度、剪脹性、剛度、變形特征及剪切形態(tài)有所改變.已有的一些低圍壓砂土三軸試驗表明：砂土顆粒材料在較低有效圍壓狀態(tài)下對荷載的響應與在較高應力條件下的響應有極大的不同［30］；在較低的有效圍壓作用下，顆粒試樣的偏應力峰值、內(nèi)摩擦角等也與一般有效圍壓狀態(tài)下的結(jié)果存在顯著差異［31－32］.對低有效圍壓狀態(tài)下的模擬月壤的力學特性的研究，正逐漸成為弱重力環(huán)境下材料特性的研究熱點.

相對美國、日本等世界上較早開展模擬月壤研究的國家，我國在這方面起步較晚，特別是在模擬月壤動力學特性方面.雖然近年來國內(nèi)學者也取得了一定的成果［34］，但還面臨不少困難.

6 結(jié)語

綜上所述，目前對于月壤的研究，取得了一些成果，并對月壤的一些環(huán)境因素進行了探索.但這些研究大多基于傳統(tǒng)土力學理論，僅針對某單一特征，缺乏宏觀上的理論分析，還不能完全解釋月壤工程地質(zhì)特性.

當前月球探測的主要目的是建立月球空間站，開發(fā)月球資源，并將月球作為外太空探測的補給基地，而這些目標的順利實施，將在很大程度上依賴于月壤工程地質(zhì)特性的研究成果.筆者認為今后研究應注意以下幾點：

（1）模擬月壤的研制.作為月壤的模擬物，不僅僅應從化學性質(zhì)方面進行模擬，也應該從工程性質(zhì)方面進行相對完全的模擬.

（2）注重環(huán)境因素的影響.月壤實驗的環(huán)境因素（如弱重力）對月壤性質(zhì)非常重要，而對于環(huán)境因素的研究目前仍然比較欠缺，這也是月壤研究取得突破的一個瓶頸.

（3）應當重視月壤化學成分的研究.月壤的研究不能僅局限于月壤的物理性質(zhì)方面，月壤元素的化學成分對月壤性質(zhì)也有影響.國外對于月球空間物理的探測已經(jīng)進行了不少研究，譬如對月壤元素分布圖的測定，國內(nèi)在這一方面比較欠缺.

（4）進一步深入對月壤動力性質(zhì)的探索.缺乏動力性質(zhì)的研究將會影響月球著陸探測計劃的順利進行.

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