黃 雨，蔣馥鴻

（同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

月球是距離地球最近的天體，是人類(lèi)太空探測(cè)的首選.自20世紀(jì)60年代美國(guó)Apollo載人登月計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，人類(lèi)對(duì)于月球的探索不斷深入.我國(guó)目前也開(kāi)展了嫦娥探月工程，并以載人登月為重點(diǎn)而進(jìn)行探索［1］.

眾所周知，月壤是月球最表面一層的風(fēng)化物質(zhì)，主要由巖屑、玻璃等組成［2］.作為月球探測(cè)器著陸的直接載體，月壤的工程地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，即工程地質(zhì)主要物理狀態(tài)與屬性，對(duì)于月球探測(cè)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(guó)內(nèi)外對(duì)于月壤已經(jīng)進(jìn)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(duì)月壤工程地質(zhì)力學(xué)特性的宏觀分析.因此，本文針對(duì)月壤工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，根據(jù)國(guó)內(nèi)外近年的最新研究成果，首先對(duì)有關(guān)月壤基本工程性質(zhì)的研究成果進(jìn)行了介紹，包括物理性質(zhì)、化學(xué)組成及顆粒性質(zhì)；其次，對(duì)模擬月壤的強(qiáng)度特性與變形特征的研究成果進(jìn)行了分析，討論了弱重力下進(jìn)行月壤工程地質(zhì)性質(zhì)研究的必要性；最后，提出應(yīng)加強(qiáng)真實(shí)月面環(huán)境下月壤的動(dòng)力響應(yīng)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(lèi)，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(lèi)，即低鈦玄武巖質(zhì)月壤、高鈦玄武巖質(zhì)月壤與斜長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)石、輝石、鈦鐵礦等原生礦物成分［6］.月壤是在氧氣、水、風(fēng)和生命活動(dòng)都不存在的獨(dú)特的環(huán)境下，由隕石和微隕石撞擊、宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)風(fēng)轟擊、月表溫差導(dǎo)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(méi)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(biāo)本圖像［10］Fig.1 Lunar regolith wafer specimen image announced by NASA［10］

2 月壤化學(xué)成分

月壤的化學(xué)成分主要是指礦物的化學(xué)組成.通過(guò)表1可知，月壤的主要化學(xué)成分包括氧化硅、氧化鋁、氧化亞鐵等，其中鉀長(zhǎng)石和方解石等在地球上常見(jiàn)的礦物，在月球上卻極為稀少.另外由于月球沒(méi)有大氣層和水，不能產(chǎn)生氧化還原作用，礦物中的變價(jià)元素多為低價(jià)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(duì)已有月壤標(biāo)本的研究表明，月壤中3He資源總量可達(dá)100～500萬(wàn)t，作為一種極具開(kāi)發(fā)前景的核聚變?nèi)剂?，這對(duì)未來(lái)開(kāi)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(guò)對(duì)月壤標(biāo)本的測(cè)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(hù)，受宇宙射線(xiàn)與太陽(yáng)風(fēng)等射線(xiàn)的沖蝕，月壤顆粒形態(tài)變化較大，長(zhǎng)條狀、棱角狀相對(duì)常見(jiàn)［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(lái)評(píng)價(jià)月壤的密實(shí)程度.參考文獻(xiàn)［12］綜合了各個(gè)研究者的不同結(jié)論，認(rèn)為：由于受到月球弱重力等因素影響，月壤表現(xiàn)出相對(duì)松散的特性；當(dāng)e＜0.6時(shí)為密實(shí)的低壓縮性月壤，當(dāng)e＞1.0時(shí)是疏松的高壓縮性月壤.

4 月壤力學(xué)性質(zhì)

由于缺少標(biāo)本，早期月壤的力學(xué)性質(zhì)研究主要通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備觀測(cè)月球，基于已有的土力學(xué)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(biāo)本，直接對(duì)標(biāo)本進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)取得了相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)［16］，例如月壤的壓縮指標(biāo)與內(nèi)摩擦角參數(shù)等；現(xiàn)今，鑒于月壤標(biāo)本的稀少，主要通過(guò)模擬月壤進(jìn)行試驗(yàn)，更多關(guān)注月表獨(dú)特環(huán)境對(duì)月壤的影響［17］，譬如弱重力對(duì)于月壤的影響.

依照土力學(xué)理論，研究人員對(duì)月壤力學(xué)性質(zhì)的研究主要從變形特征與強(qiáng)度特性?xún)蓚€(gè)方面開(kāi)展［13］.壓縮性是變形特征的主要指標(biāo).通過(guò)對(duì)月壤標(biāo)本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(lèi)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(dǎo)致月壤更易壓縮.

強(qiáng)度問(wèn)題是月壤力學(xué)性質(zhì)研究的重點(diǎn).未來(lái)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(duì)月壤的強(qiáng)度特性有深入的研究.強(qiáng)度特性的研究主要集中在抗剪強(qiáng)度，即月壤顆粒抵抗剪應(yīng)力的能力.最初，研究人員通過(guò)對(duì)已有月壤樣品進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，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(qiáng)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(qiáng)弱，c值則表現(xiàn)了顆粒間粘聚力的大小.其后，Perkins等［17］對(duì)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，即采用立方體試樣標(biāo)本，得到了月壤的顆粒抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顆粒本身的強(qiáng)度的結(jié)論.進(jìn)一步的研究認(rèn)為月壤抗剪強(qiáng)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(xué)者基于離散元方法，提出一種簡(jiǎn)化接觸模型，對(duì)月壤顆粒相互作用進(jìn)行了計(jì)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(xì)小的顆粒［19］.雖然最近有學(xué)者通過(guò)微波加熱技術(shù)和磁控濺射技術(shù)對(duì)這方面的模擬進(jìn)行了一些初步探索［21］，但總體來(lái)看，目前對(duì)月壤膠結(jié)的模擬仍然較少，亟待進(jìn)一步加強(qiáng)研究.

5 模擬月壤

真實(shí)月壤標(biāo)本極其稀少，美國(guó)擁有381.7kg，前蘇聯(lián)也只有0.321kg，我國(guó)僅有1g［1］.因此，目前主要采用模擬材料進(jìn)行替代.所謂模擬月壤是有著與真實(shí)月壤相似的礦物組成、化學(xué)成分與工程力學(xué)性質(zhì)的人工材料［13］，也是國(guó)內(nèi)外目前進(jìn)行月球資源開(kāi)發(fā)利用和月球科學(xué)研究的主要實(shí)驗(yàn)材料.例如，月球車(chē)等探月工具的開(kāi)發(fā)研制均需要在模擬月壤鋪設(shè)的月面實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)模擬試驗(yàn)，以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)性能參數(shù).可見(jiàn)，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(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn).筆者對(duì)目前應(yīng)用較廣的幾種模擬材料進(jìn)行了分類(lèi).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(jiǎn)化為低鈦月壤與高鈦月壤［22］；因?yàn)榈顷懫鞯闹扅c(diǎn)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(duì)象（如JSC－1，MLS）；而斜長(zhǎng)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(zhǎng)巖質(zhì)月壤模擬材料相對(duì)較少.二是根據(jù)登陸位置采集樣品的不同，可分為Apollo 11號(hào)模擬月壤樣本［24］（如MLS－1）與Apollo 14號(hào)月壤樣本［16］（如MLS－2）.根據(jù)上述分類(lèi)，歸納了目前工程界常用的幾種模擬月壤，見(jiàn)表3.

表3 主 要 模 擬 月 壤 分 類(lèi)［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(yīng)用最廣的模擬月壤之一.Alshibli［24］等通過(guò)三軸試驗(yàn)，得到了JSC 的彈性模量E在不同圍壓G下的取值，見(jiàn)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(jìn)行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)JSC－1 的抗剪強(qiáng)度τ 隨密度的增加而變大.在密度為1.6g·cm－2時(shí)，τ＝0.78kPa；而當(dāng)密度增大到1.7，1.8g·cm－2時(shí)，τ 的取值分為為0.96，1.38kPa.其次，在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，試樣的高度影響了加載的圍壓與加載路徑.因此抗剪強(qiáng)度不僅與密度有關(guān)，還與試樣的高度有關(guān)，幾乎成線(xiàn)性關(guān)系.通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)，Arslan等認(rèn)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(dú)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(duì)這些因素進(jìn)行探索；隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)環(huán)境因素的研究進(jìn)入新的階段.鄒猛等［26］通過(guò)對(duì)研制的模擬月壤進(jìn)行三軸試驗(yàn)，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(shí)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(xiàn)［27］對(duì)FJS－1模擬月壤的研究表明弱重力對(duì)月壤承載力具有較大影響；Perkins等［28］也對(duì)一些模擬月壤進(jìn)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(diǎn).對(duì)弱重力狀態(tài)下模擬月壤的力學(xué)特性的研究都表明重力場(chǎng)變化對(duì)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(yīng)力與重力環(huán)境產(chǎn)生的自重應(yīng)力密切相關(guān)，使月壤的強(qiáng)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(yàn)表明：砂土顆粒材料在較低有效圍壓狀態(tài)下對(duì)荷載的響應(yīng)與在較高應(yīng)力條件下的響應(yīng)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(yīng)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(duì)低有效圍壓狀態(tài)下的模擬月壤的力學(xué)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(diǎn).

相對(duì)美國(guó)、日本等世界上較早開(kāi)展模擬月壤研究的國(guó)家，我國(guó)在這方面起步較晚，特別是在模擬月壤動(dòng)力學(xué)特性方面.雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也取得了一定的成果［34］，但還面臨不少困難.

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前對(duì)于月壤的研究，取得了一些成果，并對(duì)月壤的一些環(huán)境因素進(jìn)行了探索.但這些研究大多基于傳統(tǒng)土力學(xué)理論，僅針對(duì)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(dāng)前月球探測(cè)的主要目的是建立月球空間站，開(kāi)發(fā)月球資源，并將月球作為外太空探測(cè)的補(bǔ)給基地，而這些目標(biāo)的順利實(shí)施，將在很大程度上依賴(lài)于月壤工程地質(zhì)特性的研究成果.筆者認(rèn)為今后研究應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）模擬月壤的研制.作為月壤的模擬物，不僅僅應(yīng)從化學(xué)性質(zhì)方面進(jìn)行模擬，也應(yīng)該從工程性質(zhì)方面進(jìn)行相對(duì)完全的模擬.

（2）注重環(huán)境因素的影響.月壤實(shí)驗(yàn)的環(huán)境因素（如弱重力）對(duì)月壤性質(zhì)非常重要，而對(duì)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(gè)瓶頸.

（3）應(yīng)當(dāng)重視月壤化學(xué)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(xué)成分對(duì)月壤性質(zhì)也有影響.國(guó)外對(duì)于月球空間物理的探測(cè)已經(jīng)進(jìn)行了不少研究，譬如對(duì)月壤元素分布圖的測(cè)定，國(guó)內(nèi)在這一方面比較欠缺.

（4）進(jìn)一步深入對(duì)月壤動(dòng)力性質(zhì)的探索.缺乏動(dòng)力性質(zhì)的研究將會(huì)影響月球著陸探測(cè)計(jì)劃的順利進(jìn)行.

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