去月球上蓋房子，月壤能撐得住嗎？

如果有一天，人類要去月球上蓋房子，腳下的月壤能撐得住嗎？它和地球上的地基材料有什么不同？更現實的問題是，嫦娥任務帶回的月壤樣品極其稀少，科學家如何在不破壞樣品的前提下，獲取它的力學性質？

近日，來自中國科學院地質與地球物理研究所的博士研究生喬斯嘉、研究員李麗慧等，聯合礦物識別和納米壓痕技術，對極微量的嫦娥五號月壤（CE5-054）、月球隕石（NWA-4734）和地球巖石（CR-1）樣品開展了精細無損的力學測試（圖1）。研究表明，不同礦物的“抗變形能力”存在顯著差異，并且太空風化過程會對礦物的力學性質產生深刻影響。

圖1 月壤微觀力學測量的技術路線圖：（a）樣品制備；（b）SEM&EDS識別礦物類型；（c）納米壓痕儀測量礦物力學性質

差異化的彈性模量與壓入硬度

納米壓痕試驗，可以理解為用一個極微小的針尖輕輕壓入材料表面（幾百納米級），通過記錄“被壓下去多少”和“反彈多少”，反推材料的力學性質。這種方法對樣品的損耗極小，非常適合研究像月壤這樣珍貴的材料。通過這一試驗，科研人員可以獲得兩個關鍵指標：彈性模量（Elastic modulus）和硬度（Hardness）。前者反映材料在彈性變形階段抵抗形變的能力，數值越大，材料越不容易被拉伸或壓縮；后者描述材料抵抗壓入或磨損的能力，數值越大，材料越硬越耐磨。

實驗結果顯示，嫦娥五號月壤中不同礦物的彈性模量分布范圍較廣，其中位值約在87.1-173.2 GPa之間（圖2a），不同礦物間的彈性模量差異顯著，呈橄欖石>輝石>鈦鐵礦>尖晶石>斜長石的次序，其中斜長石的彈性模量明顯偏低。相比之下，各礦物之間的硬度差異則相對較小，中位值集中在6.89-9.67 Gpa之間（圖2b），輝石略硬，鈦鐵礦略軟，其余礦物彼此相差不大。

圖2 嫦娥五號月壤礦物的微觀力學性質。（a）彈性模量分布；（b）壓入硬度分布。注：圖中的標注數字代表中位值。Pl：斜長石；Pyr：輝石；Ol：橄欖石；Ilm：鈦鐵礦；Uspl：尖晶石

月壤、隕石與地球樣品的對比

即使是同一種礦物，如果來源不同，其“抗壓”能力也會有所差異。對比結果表明，來自地球的CR-1在彈性模量和壓入硬度上整體更出色，即最“剛”也最“硬”；來自月球隕石NWA 4734的輝石和橄欖石的彈性模量最小，但斜長石的彈性模量卻最高；CE5-054和NWA 4734中的礦物硬度相當，在誤差范圍內高度重合（圖3）。

進一步分析發現，無論礦物來自地球、月球還是隕石，它們的HE*和Wp/Wt（塑性功/總功）均集中分布在一條直線附近，這一趨勢與已有基于多個月球隕石樣品建立的擬合關系高度一致（圖4）。這意味著，不同來源的礦物在微觀變形過程中的響應機制可能遵循某種共性的內在規律，相關機理仍有待進一步深入研究。

圖3 CE5-054、NWA 4734和CR-1的微觀力學參數對比。（a-c）輝石、橄欖石和斜長石的彈性模量；（d-f）輝石、橄欖石和斜長石的壓入硬度。注：圖中的標注數字表示中位值

圖4 CE5-054、NWA 4734和CR-1的HE*和Wp/Wt點狀分布圖

風化作用對礦物力學性質的改造效應

為什么同一種礦物，在不同的樣品中會表現出不同的彈性模量和硬度呢？如果把礦物比作一個人，它的“抗壓”能力不僅取決于自身“基因”— 礦物類型及晶體結構；還受“成長經歷”—— 風化過程中留下的微裂/孔隙、晶格錯位等結構缺陷的影響。后者往往具有隨機性和不均一性，是造成相同礦物力學性質差異的關鍵原因。

在該項研究中，月球隕石NWA 4734經歷了高溫高壓的撞擊事件，內部發育了大量微裂紋等結構缺陷，從而削弱了其整體力學性能，而其中的斜長石由于融點更低且易發生相變，可能在撞擊過程中發生局部致密化，反而表現出較高的彈性模量；嫦娥五號月壤在形成過程中缺少大型高能量撞擊事件，太陽風、微隕石撞擊熔融或破碎對顆粒的改造多局限于顆粒表層，因此整體結構保持相對完整，力學性質優于月球隕石；地球巖石CR-1幾乎未經地球風化作用影響，原始結構保留完好，因此更硬、更不易變形。

上述成果不僅為理解月球等星體表面的風化改造過程提供了微觀力學證據，還為我們未來利用月壤進行數值模擬、開發高保真模擬月壤、甚至實現月球原位資源利用，提供了寶貴的關鍵參數。

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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