近日，清华大学水利系崔一飞副教授团队联合武汉大学、香港理工大学、中国科学院地球化学研究所和中国科学院地质与地球物理研究所学者，在月球样品颗粒物性研究领域取得突破性进展。其研究成果系统揭示了太空风化在改造月球表层月壤颗粒形态作用中存在饱和效应，成果发表于国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。该研究基于我国嫦娥五号与嫦娥六号任务获取的月球样品开展，为理解月球正、背面表层月壤的形成和长期演化过程提供了新的约束机制。

2020年12月，嫦娥五号探测器成功着陆于月球正面风暴洋北部（见图1a），共采集1731g月壤样品；2024年6月，嫦娥六号任务成功从月球背面南极-艾特肯盆地返回1935g月壤样品（见图1b）。根据中国科学院国家天文台李春来研究员团队建立的划分标准，月海月壤颗粒类型可分为多矿物相颗粒和单一矿物相颗粒两大类：前者主要包括玄武岩（Basalt）、角砾岩（Breccia）和胶结物（Agglutinate），后者主要包括高密度单矿物（Hm，如钛铁矿）、中密度单矿物（Mm，如辉石、橄榄石）、低密度单矿物（Lm，如斜长石）、无定形玻璃碎片和玻璃珠（GB）。这些不同类型的颗粒，犹如记录月球演化信息的“时间胶囊”，其含量、颗粒轮廓形态与内部孔隙结构特征保存了不同的关键过程。例如，玄武岩和火山玻璃承载着月球早期的岩浆活动信息；胶结物、角砾岩和撞击玻璃记录了月表遭受的撞击历史；而各类矿物碎片则反映了太空风化的改造痕迹。因此，通过对不同采样点月壤颗粒的物性进行系统性研究，不仅能够高效解译月壤所记录的多种月球表面过程，同时还可从太空风化改造颗粒物性的视角，深化对月表不同区域月壤工程力学性质的认识，为未来月球探测与原位资源利用奠定重要的理论基础。

图1.嫦娥五号与嫦娥六号探月任务着陆点与月壤样品样品信息

为此，研究团队采用了高分辨率微米级X射线显微CT技术，并结合机器学习图像分割与识别方法，对嫦娥五号与嫦娥六号返回的月壤粉末样进行了三维定量分析，系统获取了数万枚玄武岩、角砾岩、胶结物及单一矿物相颗粒的三维轮廓形态和内部孔隙结构数据。进而将这些形态学数据与地球物理和地球化学分析相结合，可实现对月壤样品更为全面和精确的综合溯源。基于这些数据，本研究回答了月球样品工程物性研究领域的一个关键科学问题，即在月球正、背面地质年龄与太空风化程度均存在显著差异的嫦娥五号、六号采样区，月壤颗粒的形态特征是否会因其经历的月表过程不同而产生明显差异。

研究发现，嫦娥五号玄武岩中斜长石含量更高，表明两地岩浆曾经历不同的结晶分异路径。值得注意的是，尽管嫦娥五号玄武岩真密度更低，但其本地物质构成的月壤粉末真密度却高于嫦娥六号。这一“密度倒置”现象，揭示嫦娥六号月壤中可能混入了更多外来低密度物质，为两地迥异的月表过程提供了证据。同时，通过对从粉末样中挑选出的较大胶结物及直接识别的较小胶结物颗粒进行分析，发现嫦娥五号与嫦娥六号样品中，胶结物的内部孔隙形态与相对大小同样存在显著差异（见图2）。嫦娥六号月壤中，较大胶结物的孔隙率更低，而较小胶结物中规则孔隙占比也更低，这指示该区域可能曾遭受更强烈的陨石撞击。尤为重要的是，在上述分析基础上，一个更加有趣的发现是：尽管两处月壤在地质背景、岩浆起源、成熟度及撞击历史等方面差异显著，但粉末样中同类型颗粒（如玄武岩、胶结物、角砾岩和单一矿物相颗粒）的长细比、球度、凹凸度和圆度等形态参数分布却高度一致，各参数均值差异普遍小于5%（见图3）。这一结果表明，尽管月表不同区域的月壤形成过程不一，但长期太空风化主导的翻耕与磨蚀过程，会驱动表层月壤颗粒逐步向一个稳定的形态区间演化。

图2.嫦娥五号与嫦娥六号月壤胶结物内部孔隙结构特征对比

图3.嫦娥五号与嫦娥六号月壤各类型颗粒多尺度形态参数对比

最后，通过对不同岩浆起源、撞击事件及太空风化作用的综合考虑，该研究构建了一个基于月壤颗粒物性的主要月表过程解析框架（见图4）。这一框架系统阐释了撞击破碎、熔融胶结、挥发分逃逸、翻耕磨蚀、温度循环及太阳风注入等过程如何协同塑造月壤颗粒形态及其孔隙结构。太空风化对月壤颗粒形态的改造主要通过磨蚀、破碎和胶结三种机制实现。磨蚀作用使颗粒形态更规则，颗粒形态演化趋势相对更确定，而破碎和胶结作用使颗粒形态更不规则，颗粒形态演化趋势相对更随机。对表层月壤而言，由撞击事件引发的翻耕效应对形态演化起着主导作用。持续的翻耕驱动着颗粒间反复磨蚀，对于特定类型的颗粒，这一过程最终能够逐步抵消乃至“抹平”其他因素（包括内部成分与结构差异）对形态的影响。此时磨蚀、破碎和胶结三种效应达到动态平衡状态，从而使不同颗粒的形态收敛于一个稳定的区间，达到形态演化的饱和状态。基于该框架并结合月壤暴露年龄模型，该研究进一步指出，月壤的颗粒形态在其形成后的相对早期阶段（约220万年内）可能已经趋于稳定。这一工作从形态学角度为追溯月壤颗粒的长期演变提供了一套全新的研究范式。

图4.主要月表过程与相应的月壤颗粒形态演化框架

该研究首次系统阐释了月球正、背面太空风化对月壤颗粒及孔隙结构的改造规律，为未来基于颗粒力学理论开展月壤原位物理力学性质、月表原位建造研究及月壤数字孪生模型构建提供了重要的理论基础与数据参考。据悉，清华大学崔一飞副教授研究团队从2020年就开始从事月壤样品工程物性研究，目前已建立了一套针对月壤和月岩工程力学性质的跨尺度评估体系，并在此基础上构建了完备的月壤颗粒物理力学与岩土工程性质数据库，相关研究成果已在《科学通报》（Science Bulletin）、《地球物理研究期刊：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets）、《计算机与岩土工程》（Computers and Geotechnics）和《中国科学：技术科学》等权威期刊发表。

清华大学水利系23级博士研究生罗奥和崔一飞为论文共同第一作者，崔一飞、清华大学王国栋助理研究员和武汉大学聂家岩副研究员为论文共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金、清华大学自主科研计划等项目资助，同时特别感谢中国国家航天局为本研究提供珍贵的嫦娥五号和嫦娥六号月球样品（样品编号：CE5C0400YJFM01001、CE6C0200YJFM008）。