月球熔岩管坍塌的概率表征：基于可靠性设计与安全探索的稳定性分析

针对月球熔岩管结构稳定性评估难题，研究人员通过30,000余次数值模拟，结合随机几何变异分析，提出坍塌区域提取方法，并验证正态/对数正态分布对坍塌几何特征的适用性。该研究为月球洞穴机器人探索前的风险量化提供了关键工具，成果可拓展至行星洞穴探测领域。

　　

随着人类月球探索活动的加速，熔岩管洞穴作为潜在的栖息地和科研基地备受关注。这些天然地下空腔虽能抵御宇宙辐射和陨石撞击，但其结构稳定性始终是制约开发利用的核心瓶颈。传统研究多基于理想化圆形/椭圆形截面假设，而实际熔岩管具有显著几何不规则性，现有方法难以准确评估其坍塌风险。

针对这一难题，研究人员在《Geoscience Frontiers》发表论文，创新性地将概率分析方法引入月球熔岩管稳定性研究。通过有限元极限分析(FELA)技术对35,500组随机生成的熔岩管截面进行数值模拟，结合蒙特卡洛方法量化几何变异影响，首次系统建立了坍塌几何特征的概率分布模型。研究采用自适应网格细化技术处理复杂几何形态，通过α-shape算法精确提取坍塌区域，并运用Kolmogorov-Smirnov检验评估四种概率密度函数(PDF)对坍塌参数的拟合优度。

3.1 顶板厚度影响
模拟显示坍塌面积与顶板厚度呈正相关，当厚度超过熔岩管宽度2.5倍时趋于稳定。Gamma分布对20-80m厚度工况的坍塌面积拟合最佳(p=0.96-1.00)。

3.2 岩石层理效应
层状顶板(含古壤夹层)的坍塌呈现双峰分布，与均质岩层显著不同。层理结构使地表坍塌宽度减少50%，且对张力截断(σ_t,cut)变化不敏感。

3.3 摩擦角作用
内摩擦角从30°增至44°时，重力乘数(μ_G)提升46%-67%，但坍塌面积缩小。滑裂面倾角变化导致坍塌形态从"倒锥形"向"局部塌陷"转变。

3.5 自相关函数选择
Markov型ACF产生更低的μ_G值(稳定性降低15%)，但高斯型ACF对层状顶板的模拟结果影响甚微，表明方法具有鲁棒性。

4.2 探索应用启示
研究提出三级风险评估框架：1)重力乘数服从正态分布，支持失效概率计算；2)坍塌面积量化灾害严重度；3)层理特征决定破坏模式。特别指出Mare Tranquillitatis等典型月坑下方熔岩管因层状结构，其坍塌规模受裂隙影响较小，更适合作为优先探测目标。

该研究开创性地将可靠性工程理论引入地外地质力学领域，建立的概率模型可集成至未来月球基地选址系统。方法体系可扩展应用于火星等行星熔岩管评估，为地外地下空间开发利用提供了量化分析工具。后续研究需结合原位勘探数据验证层理参数，并发展三维概率分析方法以更精确反映实际工况。