月球背面嫦娥六号样品揭示：颗粒形态是月壤力学行为的主控因子

《Research》：Particle Morphology Controls the Bulk Mechanical Behavior of Far-Side Lunar Regolith from Chang’e-6 Samples and Deep Learning

本研究针对月球背面南极-艾特肯盆地独特地质环境下月壤力学特性数据匮乏的瓶颈问题，通过集成高分辨率微计算机断层扫描（micro-CT）与半监督深度学习，首次对349,740颗嫦娥六号月壤颗粒进行三维形态重构，结合离散元法（DEM）模拟发现：远侧月壤因颗粒形态更不规则（平均三维球形度0.74），在5-15 kPa围压下呈现47.96°高内摩擦角和1.08 kPa凝聚力，其强化机制源于显著几何互锁效应。该研究为月球基地选址和原位资源利用提供了关键工程参数。

　　

在人类探索宇宙的征程中，月球始终是至关重要的前哨站。随着各国重启探月计划，尤其是瞄准月球背面南极-艾特肯（South Pole–Aitken, SPA）盆地这一特殊区域建设国际月球科研站，深入了解月表环境的工程地质特性变得尤为紧迫。月壤（lunar regolith）作为覆盖月球表面的松散颗粒层，其力学性质直接决定着着陆器稳定性、月球车移动效率乃至未来栖息地建设的可行性。然而，对于人类首次触及的月球背面样品，其基本物理力学特性仍属未知领域。传统的地面力学测试因样品极其珍贵且难以模拟月球真空、低重力环境而受限，如何通过非破坏性手段精准预测月壤宏观力学行为，成为横亘在科学家面前的重大挑战。

针对这一难题，发表于《Research》的最新研究开创性地建立了“微观形态-宏观力学”关联研究范式。研究人员以嫦娥六号（Chang'e-6, CE-6）从月球背面Apollo陨石坑采集的CE6C0200样品为对象，通过高分辨率微计算机断层扫描（micro-computed tomography, micro-CT）技术获取了月壤颗粒的三维结构信息。面对海量数据中颗粒边界模糊、形态各异的技术难点，团队开发了融合随机森林（Random Forest, RF）伪标签生成与U-Net深度学习架构的半监督分割流程，成功重构出349,740个有效颗粒的三维模型，为后续定量分析奠定了数据基础。

在形态表征阶段，研究首次系统量化了远侧月壤的粒度分布（grain size distribution, GSD）与形态参数。分析显示CE-6样品中值粒径d₅₀为60.51 μm，显著细于阿波罗样品（约72 μm），且粒度分布更集中（不均匀系数C_u=5.54），表明其成熟度更高。更关键的是，三维球形度（sphericity, SPH）均值0.74低于近侧嫦娥五号样品（0.87），揭示出背面月壤颗粒具有更显著的不规则性。这种形态特征通过表面粗糙度参数（total roughness proxy, TRP）进一步证实，其均值7.47 μm远高于CE-5的3.42 μm。

为探明这些特殊形态如何影响宏观力学行为，研究团队采用离散元法（discrete element method, DEM）进行数值模拟。通过引入基于球形度校准的滚动摩擦系数（μ_r=2.934）和表征范德华力的表面能参数（γ=0.01 J/m2），模型准确复现了月表低围压（5-15 kPa）条件下的三轴压缩响应。模拟结果清晰展现出应变软化与剪胀现象，并形成典型的X形剪切带。通过莫尔-库仑准则拟合得到内摩擦角φ=47.96°，凝聚力c=1.08 kPa，这两项参数均超过Surveyor着陆器估算值，处于阿波罗数据范围上限。

微观机制分析表明，高摩擦角主要源于不规则颗粒形成的几何互锁效应，而凝聚力提升则与样品中高达29.4%的玻璃质胶结物（agglutinate）含量相关。通过追踪接触网络演化过程，研究发现法向力各向异性在峰值应变（1.5%）时达到最大（aⁿ≈2.5），而接触织物各向异性（a^c）在5%应变后稳定于1.3，证实了力链重组与宏观力学响应的内在关联。

关键技术方法

本研究采用微CT扫描获取月壤三维结构，通过迭代自训练框架（结合RF与U-Net）实现高通量颗粒分割，利用DEM模拟低围压下月壤力学行为，并采用背散射电子（backscattered electron, BSE）成像进行粒度分布验证。

微观形态特征分析

通过三维重构发现CE-6月壤颗粒具有低球形度（0.74）和高粗糙度（7.47 μm）特征，粒度分布集中且缺乏中间粒径颗粒（曲率系数C_c=0.76），表明其经历更强烈的空间风化作用。

宏观力学行为预测

DEM模拟显示不规则形态导致强烈颗粒互锁，使月壤在低围压下仍保持高剪切强度，剪切带发展符合密实颗粒材料理论，力链演化揭示从各向同性到定向承载的微观机制。

微观力学机制阐释

接触网络分析表明线性滑移主导破坏过程，法向力各向异性与宏观应力峰值同步发展，而切向力各向异性较弱，证实几何互锁是强度主控因素。

该研究首次建立了月球背面月壤“形态-力学”定量关系模型，不仅为未来嫦娥系列任务、阿尔忒弥斯计划提供设计基准，更开创了地外样品非破坏性分析的新范式。通过揭示颗粒形态对宏观行为的控制作用，深化了极端环境下颗粒物质力学理论认知，为地外天体原位资源利用（in situ resource utilization, ISRU）奠定了科学基础。