一种基于单矿物配置的模拟月壤制备方法

本发明属于月球原位资源利用的，具体涉及一种基于单矿物配置的模拟月壤制备方法。

背景技术：

1、月壤原位利用指的是在月球表面直接利用月壤资源为提供月球探测活动和月球科研站建设提供能源燃料、建筑材料，甚至支持生命维持系统等，而不是将所有所需的物资从地球运送到月球。

2、然而，目前从月球采样返回的月壤样品数量还十分稀少，远远不足以支持各个领域的科学研究和工程技术探索工作。因此亟需利用地球材料制备模拟月壤。

3、目前，主要利用全岩模拟法制备模拟月壤，即在地球上寻找与真实月壤目标物化学成分和矿物组成相近的岩石或矿产品作为月壤模拟物。约翰逊航天中心的jsc-1模拟月壤取材自美国旧金山火山区内玄武岩火山碎屑层状矿床；明尼苏达大学研制的mls-1取材自北美中大陆断裂系苏必利尔湖北岸的富钛结晶质火山玄武岩；日本研制的mks-1和mls-1的初始物质为玄武质火山熔岩；中国科学院研制的cas-1模拟月壤和同济大学研制的tj-1模拟月壤原材取自我国吉林省的火山灰。

4、全岩模拟法的弊端在于：不同种类的地球火山玄武岩组分是固定的，各种矿物成分难以同时与真实月壤组分一一对应相同，导致现有的模拟月壤中均存在一种或多种矿物成分与真实月壤数值差异较大，仿真性较差，进而使后续的科学研究缺乏可靠性。

5、另外，真实月壤样品的物质组成含量不准确，缺乏晶体结构级别表征的月壤组成信息：偏光显微镜观察矿物薄片、电子显微镜、x射线衍射分析和各种能谱光谱分析的方式均为对月壤的一个或多个截面进行物质结构分析(如图1)，缺乏完整空间三维维度下月壤的物质组成信息。对物质组成的判断依据通常是依据肉眼观察、元素含量信息，或是由光谱曲线特征间接判断矿物成分，缺乏准确的月壤各组分晶体结构和质量分数信息。

6、不同采样地的月壤样品物化特征差异较大，样品类别主要分为月海玄武岩、高地斜长岩和月极混合岩。其中，月海玄武岩以辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿为主要矿物组成。可依据钛元素的含量分为高钛(tio2>9wt.％)、低钛(1.5-9wt.％tio2)和极低钛(<1.5wt.％tio2)。高地斜长岩是由富含钙元素和铝元素的斜长石组成的。月海和高地的月壤样品形貌差异较大，且除去上述矿物成分外，两种月壤种还都含有玻璃质和黏结微粒。通常月壤中的玻璃质成分呈绿色、橙色等不同颜色，质量占比也有差异；黏结微粒是玻璃质表面粘结细小岩屑的形状不规则样品，颗粒粒径通常小于1mm。月极混合岩是以上两种月壤以不同比例组成的混合物。

7、当依照传统的全岩模拟法制备模拟月壤时，虽然可以通过成分分析和比较使选用的地球原料与月壤矿物组分尽量相似，但由于月壤是多种矿物的混合物，选定的原料总会一种甚至多种组分与真实月壤具有较大差异，而且无法依据不同组成按需调配。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种模拟月壤制备方法。解决了现有技术中各晶体成分和含量表征不准确，全岩模拟法配置模拟月壤与真实月壤成分误差大的问题。

2、本发明提供了一种基于单矿物配置的模拟月壤制备方法，具体步骤如下：

3、步骤1：从月球采集的月壤中选取月壤样品；

4、步骤2：制备月壤树脂光片样品；

5、步骤3：对月壤树脂光片样品进行物相确定获得月壤薄片样品；

6、步骤4：对月壤树脂光片样品的截面进行晶体结构分析统计；

7、利用电子背散射衍射结合步骤3中得到的月壤薄片样品中各矿物晶体结构信息，对月壤光片截面进行识别，获得月壤薄片样品第i次减薄后月壤薄片样品的截面上每一位置的矿物晶体类型和分布面积si,j，j＝1,2,…,j，j表示第i次减薄后月壤薄片样品的截面上的矿物的总类数；

8、步骤5：对月壤光片样品进行fib减薄；

9、判断减薄后的月壤树脂光片样品的剩余厚度是否满足下一次fib减薄，如果满足，减薄次数i加1，使用聚焦离子束对月壤光片样品进行第i次减薄，返回步骤4；如果不满足，进入步骤6；

10、步骤6：对月壤晶体结构进行三维重构；

11、获得月壤薄片样品各次减薄后月壤薄片样品的截面上的矿物晶体类型和分布规律，将所有截面的晶体类型和分布规律进行三维重构，获得空间维度下月壤样品的关于晶体类型和三维分布规律的各矿物晶体组分的体积vj，表达式为：

12、

13、其中，vj表示第j种矿物的体积；si,j表示第i次减薄后月壤薄片样品的截面上第j种矿物晶体类型的分布面积；△h为每次减薄的厚度；i＝1,2,…,i，i表示减薄总次数，j＝1,2,…,j，j表示第i次减薄后月壤薄片样品的截面上的矿物的总类数；

14、步骤7：确定月壤的各矿物成分质量分数；

15、步骤8：根据步骤7获得的月壤的各矿物成分质量分数选取模拟月壤原料；

16、步骤9：配置模拟月壤。

17、可选地，步骤2中制备月壤树脂光片样品的具体步骤为：

18、步骤21：清洗月壤样品；

19、步骤22：浸渍月壤样品获得岩石样本；

20、步骤23：灌模；

21、步骤24：固化；

22、步骤25：切割；

23、步骤26：磨削和抛光。

24、可选地，步骤3中对月壤树脂光片样品进行物相确定获得月壤薄片样品的具体步骤为：

25、步骤31：喷碳；

26、步骤32：使用电镜能谱观察月壤树脂光片样品获得主要矿物相；

27、步骤33：聚焦离子束取样；

28、步骤34：选区电子衍射分析。

29、可选地，将从月球采集的月壤置于玻璃培养皿中，在光学显微镜下选取颗粒粒径2mm以上的月壤样品。

30、可选地，步骤31中喷碳的具体步骤为：给月壤树脂光片样品镀碳，使得月壤树脂光片样品表面形成具有导电性的碳膜。

31、可选地，步骤33中聚焦离子束取样的具体步骤为：使用聚焦离子束对所有电子能谱中观察到的主要矿物相位置进行切割取样获得矿物相样品。

32、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

33、(1)本发明的方法能够简单快捷地确定月壤样品中各矿物成分的种类、含量及晶体结构，作为提出模拟月壤制备方案的依据。

34、(2)本发明的方法利用单矿物配置法制备模拟月壤，选用地球人工提纯的矿物原料依月壤矿物组分混合为模拟月壤，还能够根据不同真实月壤样品的差异调配矿物比例，方便快捷地制备不同种类的模拟月壤。

35、(3)本发明的方法能够解决模拟月壤与真实月壤矿物成分存在差异的问题，使得模拟月壤的每种矿物组成与真实月壤误差都控制在±1％以内。

技术特征：

1.一种基于单矿物配置的模拟月壤制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的模拟月壤制备方法，其特征在于，步骤2中制备月壤树脂光片样品的具体步骤为：

3.根据权利要求1所述的模拟月壤制备方法，其特征在于，步骤3中对月壤树脂光片样品进行物相确定获得月壤薄片样品的具体步骤为：

4.根据权利要求1所述的模拟月壤制备方法，其特征在于，将从月球采集的月壤置于玻璃培养皿中，在光学显微镜下选取颗粒粒径2mm以上的月壤样品。

5.根据权利要求3所述的模拟月壤制备方法，其特征在于，步骤31中喷碳的具体步骤为：给月壤树脂光片样品镀碳，使得月壤树脂光片样品表面形成具有导电性的碳膜。

6.根据权利要求3所述的模拟月壤制备方法，其特征在于，步骤33中聚焦离子束取样的具体步骤为：使用聚焦离子束对所有电子能谱中观察到的主要矿物相位置进行切割取样获得矿物相样品。

技术总结
本发明涉及一种基于单矿物配置的模拟月壤制备方法，属于月球原位资源利用的技术领域，解决了现有技术中各晶体成分和含量表征不准确，全岩模拟法配置模拟月壤与真实月壤成分误差大的问题。本发明的方法步骤为：步骤1：从月球采集的月壤中选取月壤样品；步骤2：制备月壤树脂光片样品；步骤3：对月壤树脂光片样品进行物相确定获得月壤薄片样品；步骤4：对月壤树脂光片样品的截面进行晶体结构分析统计；步骤5：对月壤光片样品进行FIB减薄；步骤6：对月壤晶体结构进行三维重构；步骤7：确定月壤的各矿物成分质量分数；步骤8：根据步骤7获得的月壤的各矿物成分质量分数选取模拟月壤原料；步骤9：配置模拟月壤。

技术研发人员：周思齐,李峰,姜钰,孙妍,张荣荣
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24