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來源:中科院之聲
作者:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
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)月壤似乎有點粘,還有點結(jié)塊,顯示出與月球正面的嫦娥五號月壤不同的物理特性。
研究團隊通過固定漏斗實驗和滾筒實驗,精確測量了嫦娥六號月壤的休止角——這個反映顆粒材料流動性的關(guān)鍵指標。實驗結(jié)果顯示,嫦娥六號月壤的休止角顯著大于月球正面樣品,其流動特性更接近于地球上的黏性土體。
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嫦娥六號月壤滾筒實驗
精細成分分析表明,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,研究團隊確認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。
研究團隊發(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,團隊發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵“粒徑閾值”:當D60值低于約100 微米時,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,團隊對嫦娥六號返回樣品進行了1微米的高空間分辨CT掃描,通過對超過29萬個月壤顆粒的尺寸與形態(tài)進行精確厘定,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,形態(tài)更復(fù)雜,整體球度顯著偏低。
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滾筒實驗正面視圖
研究認為,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)歷更強太空風(fēng)化作用有關(guān)。嫦娥六號月壤又細又粗糙的顆粒特性,提升了摩擦力、范德華力與靜電力的貢獻,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)。
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