清華新聞網(wǎng)2月4日電 近日，清華大學(xué)水利系崔一飛副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢大學(xué)、香港理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所學(xué)者，在月球樣品顆粒物性研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。其研究成果系統(tǒng)揭示了太空風(fēng)化在改造月球表層月壤顆粒形態(tài)作用中存在飽和效應(yīng)，成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。該研究基于我國(guó)嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)任務(wù)獲取的月球樣品開(kāi)展，為理解月球正、背面表層月壤的形成和長(zhǎng)期演化過(guò)程提供了新的約束機(jī)制。
2020年12月，嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功著陸于月球正面風(fēng)暴洋北部（見(jiàn)圖1a），共采集1731g月壤樣品；2024年6月，嫦娥六號(hào)任務(wù)成功從月球背面南極-艾特肯盆地返回1935g月壤樣品（見(jiàn)圖1b）。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)李春來(lái)研究員團(tuán)隊(duì)建立的劃分標(biāo)準(zhǔn)，月海月壤顆粒類(lèi)型可分為多礦物相顆粒和單一礦物相顆粒兩大類(lèi)：前者主要包括玄武巖（Basalt）、角礫巖（Breccia）和膠結(jié)物（Agglutinate），后者主要包括高密度單礦物（Hm，如鈦鐵礦）、中密度單礦物（Mm，如輝石、橄欖石）、低密度單礦物（Lm，如斜長(zhǎng)石）、無(wú)定形玻璃碎片和玻璃珠（GB）。這些不同類(lèi)型的顆粒，猶如記錄月球演化信息的“時(shí)間膠囊”，其含量、顆粒輪廓形態(tài)與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征保存了不同的關(guān)鍵過(guò)程。例如，玄武巖和火山玻璃承載著月球早期的巖漿活動(dòng)信息；膠結(jié)物、角礫巖和撞擊玻璃記錄了月表遭受的撞擊歷史；而各類(lèi)礦物碎片則反映了太空風(fēng)化的改造痕跡。因此，通過(guò)對(duì)不同采樣點(diǎn)月壤顆粒的物性進(jìn)行系統(tǒng)性研究，不僅能夠高效解譯月壤所記錄的多種月球表面過(guò)程，同時(shí)還可從太空風(fēng)化改造顆粒物性的視角，深化對(duì)月表不同區(qū)域月壤工程力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，為未來(lái)月球探測(cè)與原位資源利用奠定重要的理論基礎(chǔ)。
圖1.嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)探月任務(wù)著陸點(diǎn)與月壤樣品樣品信息
為此，研究團(tuán)隊(duì)采用了高分辨率微米級(jí)X射線(xiàn)顯微CT技術(shù)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)圖像分割與識(shí)別方法，對(duì)嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)返回的月壤粉末樣進(jìn)行了三維定量分析，系統(tǒng)獲取了數(shù)萬(wàn)枚玄武巖、角礫巖、膠結(jié)物及單一礦物相顆粒的三維輪廓形態(tài)和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。進(jìn)而將這些形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)與地球物理和地球化學(xué)分析相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)月壤樣品更為全面和精確的綜合溯源。基于這些數(shù)據(jù)，本研究回答了月球樣品工程物性研究領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，即在月球正、背面地質(zhì)年齡與太空風(fēng)化程度均存在顯著差異的嫦娥五號(hào)、六號(hào)采樣區(qū)，月壤顆粒的形態(tài)特征是否會(huì)因其經(jīng)歷的月表過(guò)程不同而產(chǎn)生明顯差異。
研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)玄武巖中斜長(zhǎng)石含量更高，表明兩地巖漿曾經(jīng)歷不同的結(jié)晶分異路徑。值得注意的是，盡管嫦娥五號(hào)玄武巖真密度更低，但其本地物質(zhì)構(gòu)成的月壤粉末真密度卻高于嫦娥六號(hào)。這一“密度倒置”現(xiàn)象，揭示嫦娥六號(hào)月壤中可能混入了更多外來(lái)低密度物質(zhì)，為兩地迥異的月表過(guò)程提供了證據(jù)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)從粉末樣中挑選出的較大膠結(jié)物及直接識(shí)別的較小膠結(jié)物顆粒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)樣品中，膠結(jié)物的內(nèi)部孔隙形態(tài)與相對(duì)大小同樣存在顯著差異（見(jiàn)圖2）。嫦娥六號(hào)月壤中，較大膠結(jié)物的孔隙率更低，而較小膠結(jié)物中規(guī)則孔隙占比也更低，這指示該區(qū)域可能曾遭受更強(qiáng)烈的隕石撞擊。尤為重要的是，在上述分析基礎(chǔ)上，一個(gè)更加有趣的發(fā)現(xiàn)是：盡管兩處月壤在地質(zhì)背景、巖漿起源、成熟度及撞擊歷史等方面差異顯著，但粉末樣中同類(lèi)型顆粒（如玄武巖、膠結(jié)物、角礫巖和單一礦物相顆粒）的長(zhǎng)細(xì)比、球度、凹凸度和圓度等形態(tài)參數(shù)分布卻高度一致，各參數(shù)均值差異普遍小于5%（見(jiàn)圖3）。這一結(jié)果表明，盡管月表不同區(qū)域的月壤形成過(guò)程不一，但長(zhǎng)期太空風(fēng)化主導(dǎo)的翻耕與磨蝕過(guò)程，會(huì)驅(qū)動(dòng)表層月壤顆粒逐步向一個(gè)穩(wěn)定的形態(tài)區(qū)間演化。
圖2.嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)月壤膠結(jié)物內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)比
圖3.嫦娥五號(hào)與嫦娥六號(hào)月壤各類(lèi)型顆粒多尺度形態(tài)參數(shù)對(duì)比
最后，通過(guò)對(duì)不同巖漿起源、撞擊事件及太空風(fēng)化作用的綜合考慮，該研究構(gòu)建了一個(gè)基于月壤顆粒物性的主要月表過(guò)程解析框架（見(jiàn)圖4）。這一框架系統(tǒng)闡釋了撞擊破碎、熔融膠結(jié)、揮發(fā)分逃逸、翻耕磨蝕、溫度循環(huán)及太陽(yáng)風(fēng)注入等過(guò)程如何協(xié)同塑造月壤顆粒形態(tài)及其孔隙結(jié)構(gòu)。太空風(fēng)化對(duì)月壤顆粒形態(tài)的改造主要通過(guò)磨蝕、破碎和膠結(jié)三種機(jī)制實(shí)現(xiàn)。磨蝕作用使顆粒形態(tài)更規(guī)則，顆粒形態(tài)演化趨勢(shì)相對(duì)更確定，而破碎和膠結(jié)作用使顆粒形態(tài)更不規(guī)則，顆粒形態(tài)演化趨勢(shì)相對(duì)更隨機(jī)。對(duì)表層月壤而言，由撞擊事件引發(fā)的翻耕效應(yīng)對(duì)形態(tài)演化起著主導(dǎo)作用。持續(xù)的翻耕驅(qū)動(dòng)著顆粒間反復(fù)磨蝕，對(duì)于特定類(lèi)型的顆粒，這一過(guò)程最終能夠逐步抵消乃至“抹平”其他因素（包括內(nèi)部成分與結(jié)構(gòu)差異）對(duì)形態(tài)的影響。此時(shí)磨蝕、破碎和膠結(jié)三種效應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而使不同顆粒的形態(tài)收斂于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，達(dá)到形態(tài)演化的飽和狀態(tài)?；谠摽蚣懿⒔Y(jié)合月壤暴露年齡模型，該研究進(jìn)一步指出，月壤的顆粒形態(tài)在其形成后的相對(duì)早期階段（約220萬(wàn)年內(nèi)）可能已經(jīng)趨于穩(wěn)定。這一工作從形態(tài)學(xué)角度為追溯月壤顆粒的長(zhǎng)期演變提供了一套全新的研究范式。
圖4.主要月表過(guò)程與相應(yīng)的月壤顆粒形態(tài)演化框架
該研究首次系統(tǒng)闡釋了月球正、背面太空風(fēng)化對(duì)月壤顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)的改造規(guī)律，為未來(lái)基于顆粒力學(xué)理論開(kāi)展月壤原位物理力學(xué)性質(zhì)、月表原位建造研究及月壤數(shù)字孿生模型構(gòu)建提供了重要的理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)參考。據(jù)悉，清華大學(xué)崔一飛副教授研究團(tuán)隊(duì)從2020年就開(kāi)始從事月壤樣品工程物性研究，目前已建立了一套針對(duì)月壤和月巖工程力學(xué)性質(zhì)的跨尺度評(píng)估體系，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了完備的月壤顆粒物理力學(xué)與巖土工程性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)研究成果已在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）、《地球物理研究期刊：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets）、《計(jì)算機(jī)與巖土工程》（Computers and Geotechnics）和《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》等權(quán)威期刊發(fā)表。
清華大學(xué)水利系23級(jí)博士研究生羅奧和崔一飛為論文共同第一作者，崔一飛、清華大學(xué)王國(guó)棟助理研究員和武漢大學(xué)聶家?guī)r副研究員為論文共同通訊作者。研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃等項(xiàng)目資助，同時(shí)特別感謝中國(guó)國(guó)家航天局為本研究提供珍貴的嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)月球樣品（樣品編號(hào)：CE5C0400YJFM01001、CE6C0200YJFM008）。
相關(guān)論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-68824-3
https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.03.019
https://doi.org/10.1029/2024JE008849
https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106661
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SST-2025-0324
供稿：水利系
編輯：贠爾茹
審核：黃思南
