近日，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所分析嫦娥六號月壤樣品，系統(tǒng)揭示了月球背面月壤表現(xiàn)出較高黏性特征的物理機(jī)制，從顆粒力學(xué)層面完整闡釋了嫦娥六號月壤“為什么這么粘”的科學(xué)謎題。

此前，嫦娥六號在月球背面采樣過程中，發(fā)現(xiàn)著陸區(qū)月壤似乎有點(diǎn)粘，還有點(diǎn)結(jié)塊，顯示出與月球正面的嫦娥五號月壤不同的物理特性。

研究團(tuán)隊(duì)通過固定漏斗實(shí)驗(yàn)和滾筒實(shí)驗(yàn)，精確測量了嫦娥六號月壤的休止角——這個(gè)反映顆粒材料流動(dòng)性的關(guān)鍵指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，嫦娥六號月壤的休止角顯著大于月球正面樣品，其流動(dòng)特性更接近于地球上的黏性土體。

▲嫦娥六號月壤滾筒實(shí)驗(yàn)

精細(xì)成分分析表明，月壤中含有極少量磁性礦物且不含任何黏土礦物，即排除磁力和膠結(jié)作用的影響后，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)其休止角增大主要受三種粒間力的協(xié)同控制：摩擦力、范德華力和靜電力。其中，摩擦力的作用與顆粒表面粗糙度正相關(guān)，范德華力與靜電力的作用則隨顆粒尺寸減小而顯著增強(qiáng)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以通過測定D60值來判斷顆粒尺寸對休止角的影響（D60是小于某一粒徑的顆粒重量占到總重量60% 時(shí)的顆粒粒徑值）。

對比不同D60值的非黏土礦物顆粒（石英、輝石、鈣鐵輝石、拉長石）的休止角變化，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵“粒徑閾值”：當(dāng)D60值低于約100 微米時(shí)，范德華力與靜電力對休止角的作用開始凸顯，使得非黏性礦物顆粒表現(xiàn)出明顯的黏性特征。

基于以上研究，團(tuán)隊(duì)對嫦娥六號返回樣品進(jìn)行了1微米的高空間分辨CT掃描，通過對超過29萬個(gè)月壤顆粒的尺寸與形態(tài)進(jìn)行精確厘定，并同月球正面嫦娥五號和阿波羅月壤對比，發(fā)現(xiàn)嫦娥六號月壤D60值最小，僅為48.4微米，顆粒更細(xì)，形態(tài)更復(fù)雜，整體球度顯著偏低。

▲滾筒實(shí)驗(yàn)正面視圖

研究認(rèn)為，這可能與樣品中富含易破碎的長石礦物（約占32.6%），以及月球背面經(jīng)歷更強(qiáng)太空風(fēng)化作用有關(guān)。嫦娥六號月壤又細(xì)又粗糙的顆粒特性，提升了摩擦力、范德華力與靜電力的貢獻(xiàn)，產(chǎn)生更高的休止角，造就了其更高黏性特征。

該研究首次從顆粒力學(xué)角度，系統(tǒng)闡釋了月壤的獨(dú)特黏聚行為，揭開了嫦娥六號月壤的“黏性”之謎，為未來月球探測任務(wù)提供了重要科學(xué)依據(jù)。

來源：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所

責(zé)任編輯：宋同舟