随着地球矿产资源日渐枯竭以及生态资源的日益恶化，开发月球矿产资源已成为新期望和新课题。进入21世纪以来，美国、俄罗斯、欧盟等国家和组织纷纷启动了新一轮以矿产资源开发为目的月球计划;以Space-X，Planetary Resources为首的科技巨头斥巨资研究月球矿产资源开发中的相关理论与技术问题;美国科罗拉多矿业学院于2017年开设了全球首个“太空采矿”专业。我国自2004年启动以“绕、落、回”为主要目的“嫦娥工程”，2019年将实现无人采样返“回”地球。

　　月球蕴含丰富的硅酸盐、氧化物、硫化物以及自然金属等矿产资源，包括三斜铁辉石(CaFe₆(SiO₃)₇)、锆石(ZrSiO₂)等地球上未发现的新矿物。据推算，月球FeTiO₃和TiO₂储量分别高达200和100万亿吨;克里普岩中富含钾(K)、磷(P)等元素以及钍(Th)、铀(U)等稀土及放射性元素;地球上储量稀少的氦元素(He-3)在月球上换算储量高达100万吨。开发月球矿产资源，能有效解决地球资源枯竭的巨大难题，为人类社会可持续发展提供保障。

月球采矿若干基础力学问题及研究框架

　　然而，月球表面独特的重力、真空及温度等环境和月球地质体特殊的组分、结构及几何特征造就了月壤/月岩特殊的力学特性和工程行为，给未来月球采矿和月球基地建设带来了前所未有的巨大挑战。

　　空间环境方面，月球重力场仅为地球的1/6，月面真空度高达1.01×10^-12 kPa，温度最高130 ℃、最低-183 ℃，温差高达313 ℃。月球地质体几何特征方面，月壤颗粒呈现出多孔、多勾角的异型结构;结构特征方面，月壤呈现出粒径跨度大且夹杂月岩大颗粒的典型壤/岩混合体特征;组分方面，月壤及月岩富钛、富铁特征十分典型。

　　因此，获得月球低重力引起的低应力水平和低应力梯度条件、月表超高真空和极端温度等特殊环境条件下月壤/月岩的力学行为，以及异形月壤颗粒形状引起的力学响应、月岩特殊组分及组构相关的力学特征等基础力学问题的系统研究成果，是实现月球矿产资源安全、高效开发的前提和基础。

　　为此，需要对理论及试验研究方法进行创新，弥补现有研究方法和手段无法满足该领域研究需求的短板。

　　理论手段方面，应该建立考虑应力梯度的月球地质体高阶力学方法，实现月壤/岩力学行为对低应力梯度响应的表征;实现月壤特殊颗粒形状的数学表征及数值重构，为揭示月壤复杂颗粒形状特征及其对力学特性的影响奠定基础;构建考虑复杂颗粒形状的月壤多尺度力学方法，实现月壤“细观颗粒形状-宏观力学行为”的跨尺度关联。

　　试验手段方面，需要在地面构造与月面相似的空间环境并研制与月壤/月岩相似的试验材料，为在地球环境研究月球采矿基础力学问题构建试验平台。

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　　拓展阅读

月岩中发现古老地球岩石

　　迄今最古老的地球岩石可能出现在一个令人惊讶的地方——月球。科学家说，镶嵌在美国阿波罗号宇航员收集的一块更大岩石中的一个2厘米长的小石子，实际上是我们这颗星球40亿年前的一个碎片。

　　“这是一个非常具有挑衅性的结论，但也可能是正确的。”塔拉哈西市佛罗里达州立大学宇宙化学家Munir Humayun说。这一发现“有助于更好地描绘早期地球以及在生命起源初期改变我们星球的撞击”。得克萨斯州休斯敦市月球和行星学会月球地质学家David Kring表示。

　　Kring及其同事于1月24日将这项研究成果发表在《地球和行星科学通讯》上。

　　Kring指出，在岩石形成后的某个时候，一颗小行星撞击了地球，并将其炸飞。它找到了去往月球的道路——后者当时与地球的距离是现在的1/3。这块碎片后来被一块月球角砾岩(一种混杂的岩石)所吞噬。最后，阿波罗14号的宇航员于1971年将它带回了地球。

　　虽然地质学家曾先后在地球上找到了来自月球、火星和小行星的陨石，但“这是第一次有一块月球岩石被认为是来自地球的陨石”。并未参与该项研究的加利福尼亚大学洛杉矶分校地球化学家Elizabeth Bell说。

　　几年前，Kring领导的一个研究小组在类似的月球岩石中发现了小行星的碎片，因此寻找来自地球的碎片成为顺理成章的下一步。

　　该岩石矿物中的微量元素是一种类似花岗岩的石英、长石和锆石晶体的混合物，从而为其起源提供了线索。通过测量锆石晶体中的铀及其衰变产物，研究小组确定了这块岩石形成的年代，与此同时，钛的含量有助于揭示当时的温度和压力。还有一些微量元素，例如铈，则表明了当时可能存在的水的含量。

　　Kring表示，研究结果表明，这些岩石是在富含水的环境中形成的，当时的温度和压力相当于地球表面以下19千米，或月球深处170千米的水平。对此，澳大利亚悉尼市麦考瑞大学地球动力学家Craig O’Neill更倾向于地球起源，因为170千米的深度是“疯狂的”——那里远在月球地壳之下，而后者才有可能形成花岗岩。

　　这块岩石并不是地球上最古老的遗迹——来自澳大利亚西部的锆石晶体可以追溯到距今44亿年前，也就是在地球形成后的1.5亿年。但是这些锆石从它们的母岩上被剥离出来，并且被重新加工成新的材料。

　　Kring说，毫无疑问，这块来自月球的岩石和其中的锆石显然是同时形成的。“我们确信这是一块完整的岩石。”他说。这块岩石的年龄大约和在加拿大及格陵兰岛的地球变质岩中发现的最古老的岩石差不多。

　　Bell表示，它能够保存至今并不令人感到惊讶，因为月球缺乏能够在地球上清除古老岩石的天气和地质过程。事实上，她说，月球可能比地球本身更适合寻找古代地球岩石。加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学地球物理学家Norm Sleep对此表示赞同。他说，尽管来自地球的陨石很可能只构成了月球表面物质的很小一部分，但随后无数次的小行星撞击可能使它们在月球的土壤中翻滚，从而使得在随机的月球样本中找到一小块地球陨石变得更加容易。

　　如果这块岩石真的来自地球，那么它就包含了被称为冥古代的古老地质年代的线索。首先，它证实了地球被大到足以把岩石炸到月球的小行星的撞击。Kring说，这同时也表明构成地球大陆的花岗岩那时已经形成。“这是一件大事情。”

　　Kring相信其他科学家很快就会在阿波罗号的月球岩石中搜寻早期地球的碎片。他说，在月球漫步者带回的382公斤岩石中，只有很少一部分得到了研究，同时分析技术也在不断改进。他说：“我认为，在未来的几年里，我们将会看到一个有关早期地球的小型碎片库。”(来源：中国科学报 赵熙熙)