月壤工程地质特性综述

黄 雨，蒋馥鸿

（同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092）

月球是距离地球最近的天体，是人类太空探测的首选.自20世纪60年代美国Apollo载人登月计划实施以来，人类对于月球的探索不断深入.我国目前也开展了嫦娥探月工程，并以载人登月为重点而进行探索［1］.

众所周知，月壤是月球最表面一层的风化物质，主要由岩屑、玻璃等组成［2］.作为月球探测器着陆的直接载体，月壤的工程地质力学性质，即工程地质主要物理状态与属性，对于月球探测具有重要影响.探索月球必须首先了解月壤的基本工程地质性质［3］.

虽然，国内外对于月壤已经进行了较多的研究［4－6］，但多集中在颗粒成分、颗粒形态与孔隙率等单一性质的探索，尚缺乏对月壤工程地质力学特性的宏观分析.因此，本文针对月壤工程地质力学问题，根据国内外近年的最新研究成果，首先对有关月壤基本工程性质的研究成果进行了介绍，包括物理性质、化学组成及颗粒性质；其次，对模拟月壤的强度特性与变形特征的研究成果进行了分析，讨论了弱重力下进行月壤工程地质性质研究的必要性；最后，提出应加强真实月面环境下月壤的动力响应特性等方面的研究.

1 月壤矿物组成

根据成因，月壤可分为3 类，即月海玄武岩起源、月球高地起源、月海与高地混合源［2］；根据月壤中钛元素含量可分为3类，即低钛玄武岩质月壤、高钛玄武岩质月壤与斜长岩质月壤［3］.由于月壤绝大部分物质是由下伏月岩演化而成，而月海玄武岩主要由斜长石构成，月球高地岩石主要由辉石与钛铁矿构成［7－8］，因此月壤包含了斜长石、辉石、钛铁矿等原生矿物成分［6］.月壤是在氧气、水、风和生命活动都不存在的独特的环境下，由陨石和微陨石撞击、宇宙射线和太阳风轰击、月表温差导致月岩热胀冷缩破碎等因素的共同作用下形成.因此，月壤中没有含水的矿物［9］（如粘土、云母、闪石等），存在较多的由于火山喷发等作用所生成的玻璃体（图1）.

图1 NASA 公布的月壤薄片标本图像［10］Fig.1 Lunar regolith wafer specimen image announced by NASA［10］

2 月壤化学成分

月壤的化学成分主要是指矿物的化学组成.通过表1可知，月壤的主要化学成分包括氧化硅、氧化铝、氧化亚铁等，其中钾长石和方解石等在地球上常见的矿物，在月球上却极为稀少.另外由于月球没有大气层和水，不能产生氧化还原作用，矿物中的变价元素多为低价且不含水.

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］

月壤中还含有非常丰富的稀有气体（如He，Ne等）与金属矿产（如钛、铁等）.其中3He含量极高，对已有月壤标本的研究表明，月壤中3He资源总量可达100～500万t，作为一种极具开发前景的核聚变燃料，这对未来开发利用月球能源具有重要的参考意义［13］.

3 月壤颗粒性质

颗粒组成与矿物成分是影响月壤的物理性质的主要因素［14］.月壤的颗粒组成，包括粒度分布和颗粒形态，是决定月壤的物理性质的主要因素之一［12］.粒度分布的研究成果表明：月壤分选性较差，分布范围较窄，粒度与淤沙相似.颗粒直径以小于1 mm 为主，其中绝大部分颗粒直径在1～30μm 之间，中值粒径在40～130μm 之间［14］，约10%～20%的颗粒直径小于20μm［12］（图2）.

图2 月壤颗粒微观图像［15］Fig.2 Microscopic photographs of lunar regolith particles［15］

此外，通过对月壤标本的测定，得到了月壤的平均粒度参数［15］（表2）.由于缺少大气层的保护，受宇宙射线与太阳风等射线的冲蚀，月壤颗粒形态变化较大，长条状、棱角状相对常见［12－14］.

表2 月壤平均粒度参数［15］Tab.2 Average particle size parameters of lunar regolith［15］

孔隙比e可以用来评价月壤的密实程度.参考文献［12］综合了各个研究者的不同结论，认为：由于受到月球弱重力等因素影响，月壤表现出相对松散的特性；当e＜0.6时为密实的低压缩性月壤，当e＞1.0时是疏松的高压缩性月壤.

4 月壤力学性质

由于缺少标本，早期月壤的力学性质研究主要通过天文望远镜等设备观测月球，基于已有的土力学理论推断月壤基本性质［13，16－17］，例如月壤的矿物组成、颗粒性质等；登月后取得了少量月壤标本，直接对标本进行力学实验取得了相应的力学参数［16］，例如月壤的压缩指标与内摩擦角参数等；现今，鉴于月壤标本的稀少，主要通过模拟月壤进行试验，更多关注月表独特环境对月壤的影响［17］，譬如弱重力对于月壤的影响.

依照土力学理论，研究人员对月壤力学性质的研究主要从变形特征与强度特性两个方面开展［13］.压缩性是变形特征的主要指标.通过对月壤标本进行实验，发现在一般荷载下（100～600kPa），月壤体积变形主要是颗粒间孔隙的压缩，颗粒本身并未产生变形.即月壤的压缩实际上是月壤颗粒位置重新调整排列，这与地球土压缩原理是类似的［12，16］.由于月球不存在大气层且重力加速度只有地球的1／6，这导致月壤更易压缩.

强度问题是月壤力学性质研究的重点.未来在月球上规划、建设月球空间站等人工建筑物，都需要对月壤的强度特性有深入的研究.强度特性的研究主要集中在抗剪强度，即月壤颗粒抵抗剪应力的能力.最初，研究人员通过对已有月壤样品进行了三轴试验，发现月壤剪切破坏是颗粒间的摩擦与破碎，月壤抗剪强度主要由内摩擦角φ与内聚力c组成［16］，φ值大小体现颗粒间摩擦的强弱，c值则表现了颗粒间粘聚力的大小.其后，Perkins等［17］对抗剪强度试验进行了改进，即采用立方体试样标本，得到了月壤的颗粒抗剪强度远远小于颗粒本身的强度的结论.进一步的研究认为月壤抗剪强度由内聚力c控制，但在月表环境的影响下，月壤内聚力不仅与月壤颗粒间的胶结作用有关，而且与颗粒之间的范德华力有关［18－19］.一些学者基于离散元方法，提出一种简化接触模型，对月壤颗粒相互作用进行了计算模拟［20］.

月壤的胶结是指岩石与矿物碎片等由于外部因素而产生的熔体胶结在一起而形成的集合，包括了矿物、玻璃、纳米金属铁等非常细小的颗粒［19］.虽然最近有学者通过微波加热技术和磁控溅射技术对这方面的模拟进行了一些初步探索［21］，但总体来看，目前对月壤胶结的模拟仍然较少，亟待进一步加强研究.

5 模拟月壤

真实月壤标本极其稀少，美国拥有381.7kg，前苏联也只有0.321kg，我国仅有1g［1］.因此，目前主要采用模拟材料进行替代.所谓模拟月壤是有着与真实月壤相似的矿物组成、化学成分与工程力学性质的人工材料［13］，也是国内外目前进行月球资源开发利用和月球科学研究的主要实验材料.例如，月球车等探月工具的开发研制均需要在模拟月壤铺设的月面实验场进行反复模拟试验，以优化设计性能参数.可见，模拟月壤研究意义重大.

模拟月壤研究主要包括人工材料的研制与相关工程力学性质实验.笔者对目前应用较广的几种模拟材料进行了分类.一是根据月壤中钛元素含量，可分为低钛玄武岩质月壤（如JSC－1）与高钛玄武岩质月壤（如MLS），由于这两种都属于玄武岩质月壤，故可简化为低钛月壤与高钛月壤［22］；因为登陆器的着陆点一般都选择月海地区［23］，故模拟月壤一般都采用月海月壤为模拟对象（如JSC－1，MLS）；而斜长岩大多分布于月球高地等不适合登陆器着陆地区，故斜长岩质月壤模拟材料相对较少.二是根据登陆位置采集样品的不同，可分为Apollo 11号模拟月壤样本［24］（如MLS－1）与Apollo 14号月壤样本［16］（如MLS－2）.根据上述分类，归纳了目前工程界常用的几种模拟月壤，见表3.

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

JSC是最早研制且能大规模生产的模拟月壤，是目前应用最广的模拟月壤之一.Alshibli［24］等通过三轴试验，得到了JSC 的弹性模量E在不同围压G下的取值，见表4.

表4 弹性参数的取值［24］Tab.4 The values of elastic parameters［24］

Arslan［25］等在前人的基础上进行了更深入的研究，发现JSC－1 的抗剪强度τ 随密度的增加而变大.在密度为1.6g·cm－2时，τ＝0.78kPa；而当密度增大到1.7，1.8g·cm－2时，τ 的取值分为为0.96，1.38kPa.其次，在抗剪强度试验中，试样的高度影响了加载的围压与加载路径.因此抗剪强度不仅与密度有关，还与试样的高度有关，几乎成线性关系.通过这个试验，Arslan等认为JSC－1具有剪胀性能且有着较高的摩擦性与刚度.

环境因素指月球所独有并且影响其工程性质的环境特征，例如弱重力、低围压等.由于科技的限制，在早期月壤研究中并不能对这些因素进行探索；随着技术的发展，对环境因素的研究进入新的阶段.邹猛等［26］通过对研制的模拟月壤进行三轴试验，在地面重力环境（1g）下，得到了内摩擦角φ 与内聚力c的取值，其中内摩擦角φ 为35.6°，内聚力c为2.15 kPa.而真实月壤的内摩擦角φ 在25°～40°之间，内聚力c在0.26～1.8kPa之间.参考文献［27］对FJS－1模拟月壤的研究表明弱重力对月壤承载力具有较大影响；Perkins等［28］也对一些模拟月壤进行了相关的弱重力特性研究；Hofmeister等［29］利用落塔装置，获得了不同重力水平下的颗粒休止角变化特点.对弱重力状态下模拟月壤的力学特性的研究都表明重力场变化对月壤性质影响较大.

由于在空间弱重力环境中，月壤处于低有效围压状态，而月壤颗粒间的有效应力与重力环境产生的自重应力密切相关，使月壤的强度、剪胀性、刚度、变形特征及剪切形态有所改变.已有的一些低围压砂土三轴试验表明：砂土颗粒材料在较低有效围压状态下对荷载的响应与在较高应力条件下的响应有极大的不同［30］；在较低的有效围压作用下，颗粒试样的偏应力峰值、内摩擦角等也与一般有效围压状态下的结果存在显著差异［31－32］.对低有效围压状态下的模拟月壤的力学特性的研究，正逐渐成为弱重力环境下材料特性的研究热点.

相对美国、日本等世界上较早开展模拟月壤研究的国家，我国在这方面起步较晚，特别是在模拟月壤动力学特性方面.虽然近年来国内学者也取得了一定的成果［34］，但还面临不少困难.

6 结语

综上所述，目前对于月壤的研究，取得了一些成果，并对月壤的一些环境因素进行了探索.但这些研究大多基于传统土力学理论，仅针对某单一特征，缺乏宏观上的理论分析，还不能完全解释月壤工程地质特性.

当前月球探测的主要目的是建立月球空间站，开发月球资源，并将月球作为外太空探测的补给基地，而这些目标的顺利实施，将在很大程度上依赖于月壤工程地质特性的研究成果.笔者认为今后研究应注意以下几点：

（1）模拟月壤的研制.作为月壤的模拟物，不仅仅应从化学性质方面进行模拟，也应该从工程性质方面进行相对完全的模拟.

（2）注重环境因素的影响.月壤实验的环境因素（如弱重力）对月壤性质非常重要，而对于环境因素的研究目前仍然比较欠缺，这也是月壤研究取得突破的一个瓶颈.

（3）应当重视月壤化学成分的研究.月壤的研究不能仅局限于月壤的物理性质方面，月壤元素的化学成分对月壤性质也有影响.国外对于月球空间物理的探测已经进行了不少研究，譬如对月壤元素分布图的测定，国内在这一方面比较欠缺.

（4）进一步深入对月壤动力性质的探索.缺乏动力性质的研究将会影响月球着陆探测计划的顺利进行.

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