EG:小行星岩样的矿物晶体-裂隙岩体多尺度力学性质

2023-05-14 18:56 张怡恒
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当今第二轮国际深空探测热潮呈现出新的发展趋势,任务目标逐渐从科学研究转向科学与应用并重。未来行星钻探、科研站建设、基地建设等深空探测任务都离不开岩土力学和工程地质相关知识的支撑,精确测量行星岩力学参数对保障任务顺利实施具有重要意义。目前,人类主要通过太空飞行器取样和陨石采集两个途径获取行星样品,导致行星岩土体样品存量稀少、尺寸小、任意形状。但是,MTS传统岩石力学试验技术不适用于小尺寸、形状任意的非标准岩样以往研究主要集中于行星岩土体样品的化学成分和微观结构等性质,对于行星岩土体力学性质仍然知之甚少

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尺度力学性质。主要分为以下四个步骤:

首先,本采用高倍光学显微镜、矿物自动定量分析系统(ESCAN Integrated Mineral AnalyzerTIMA)及其加载设备观察HaH 346陨石矿物成分分布、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

                 

(a) HaH 346陨石

(b) 微观岩石力学实验样品

(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

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 MicroscopyAFM)测量不同成岩矿物晶间力学参数如图3所示。基于微观岩石力学实验获得的HaH 346陨石成岩矿物和晶弹性模量参数如表1所示。


(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

1.16

40.28

11.22

晶间相

-

19.68

5.46

         

最后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HaH346 陨石宏观岩样尺度弹性模量大约为67.27GPa


(a) AGBM

(b) 剪应力分布

(c) 应力-应变曲线

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