EG:小行星岩样的矿物晶体-裂隙岩体多尺度力学性质
本文结合微观试验和精细矿物晶体模型(Accurate Grain-Based Model, AGBM)，解决了小尺寸、任意形状非标准岩样力学参数测量的难题。成功测量了Hammadah al Hamra 346 (HaH 346) 小行星陨石的成岩矿物和宏观岩样多尺度力学性质。主要分为以下四个步骤：
首先，本文采用高倍光学显微镜、矿物自动定量分析系统(ESCAN Integrated Mineral Analyzer，TIMA)及其加载设备观察了HaH 346陨石矿物成分和分布、各向异性层理、晶间相胶结方式、微观孔隙和裂隙等微观结构特征，如图1所示。
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(a) HaH 346陨石 | (b) 微观岩石力学实验样品 |
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(c) 矿物占比 | (d) 矿物分布图 |
图1 HaH 346陨石矿物成分和微观结构实验测试结果 | |
第二步，本文基于纳米压痕搭建了矿物晶体力学参数测量平台，为探索地外岩土体矿物晶体与地球矿物晶体在力学性质方面的差异提供了实验技术。图2中，基于纳米压痕测得了HaH 346陨石成岩矿物晶体的弹性模量参数。
| 正交偏光图像 | 深度-荷载曲线 | 弹性模量概率密度 |
橄 榄 石 |
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斜 长 石 |
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图2 HaH 346陨石矿物晶体的力学性质测试结果 | |||
第三步，基于原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)测量不同成岩矿物晶间相的力学参数，如图3所示。基于微观岩石力学实验获得的HaH 346陨石成岩矿物和晶间相弹性模量参数如表1所示。
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(a) 橄榄石-低钙辉石 | (b) 橄榄石-陨硫铁 | (c) 橄榄石-铁纹石 |
| 图3 基于原子力显微镜获得的晶间相弹性模量分布 | ||
表1 HaH346陨石成岩矿物和晶间相力学参数
矿物晶体 | 体积分数(%) | 弹性模量(GPa) | 标准差(GPa) |
橄榄石 | 42.30 | 124.19 | 16.69 |
低钙辉石 | 33.17 | 106.63 | 13.78 |
斜长石 | 12.50 | 45.86 | 12.95 |
陨硫铁 | 5.04 | 93.36 | 6.07 |
铁纹石 | 4.99 | 150.96 | 7.54 |
陨磷钙钠石 | 1.16 | 40.28 | 11.22 |
晶间相 | - | 19.68 | 5.46 |
最后，在微观岩石力学实验结果和精确矿物晶体模型基础之上，本文提出了适用于小行星岩样的矿物晶体-裂隙岩体多尺度分析方法。精确刻画成岩矿物形状和分布，成岩矿物和晶间相力学性质、微孔隙、微裂隙、层理等对宏观尺度力学性质的影响规律。如图4中，通过单轴压缩数值仿真求解了HaH346 陨石宏观岩样尺度弹性模量大约为67.27GPa
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(a) AGBM | (b) 剪应力分布 | (c) 应力-应变曲线 |
图4 基于精细矿物晶体模型数值仿真求解弹性模量 | ||
研究成果由武汉大学、中国科学院空间应用工程与技术中心和英国帝国理工学院共同完成，发表在TOP期刊Engineering Geology：
Xuhai Tang, Jingjing Xu, Yiheng Zhang (通讯作者), Haifeng Zhao, Adriana Paluszny, Xue Wan, Zhengzhi Wang, The rock-forming minerals and macroscale mechanical properties of asteroid rocks[J], Engineering Geology,2023, https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2023.107154
