关于嫦娥六号任务中采集的玄武岩基单颗粒SEM图像的三视图（TriView-MTGR）重建技术及其多尺度参数放大模拟的研究

《Extreme Mechanics Letters》：Research on the mechanical characteristics of Chang'e-6-basalt-based single SEM image TriView-MTGR reconstruction and multi-scale parameter upscaling simulation

月球背面南极-艾特肯盆地嫦娥六号样本的3D重构与力学参数研究。提出TriView-MTGR方法，基于单2D SEM图像和各向同性假设构建3D数字模型，结合分子动力学、代表性体积单元与有限元法，首次获得月球背面玄武岩杨氏模量（54.2-55.2 GPa）和抗压强度（349.7 MPa），填补了该区域岩石力学参数空白，为未来月球基地建设提供关键数据支撑。

　　

Jiaxiong He|Dong Duan|Limin Du|Shibin Tang|Xiaojing Feng|Jie Li|Tianbao Li|Huifang Wang

太原理工大学矿业工程学院，中国太原，030024

引言

嫦娥六号任务首次成功从月球背面南极-艾特肯盆地采集并返回了1935.3克的样本[1]，[2]，为研究月球近侧和远侧之间的地质差异提供了宝贵的材料[3]。然而，由于样本数量极其稀少，传统的破坏性机械测试方法难以应用。如何在不破坏样本的情况下充分利用现有的显微图像数据来获得可靠的机械参数，已成为当前月球岩土力学研究中的一个关键科学问题[4]。这个问题对未来月球基地建设和岩土工程应用具有重要意义[5]，[6]。

为了解决这一挑战，本研究的核心在于选择适当的技术方法。我们分析了三种可能的解决方案：（1）仅基于二维参数进行二维数值模拟无法考虑三维分子结构[7]，[8]；（2）使用FIB-SEM等方法获取真实的三维数据虽然准确，但会不可逆地损坏珍贵样本[9]，[10]，[11]；（3）因此，采用各向同性假设构建近似模型是最可行的方法[12]。

关于各向同性假设，本研究并不认为月球玄武岩本质上是各向同性的[13]，[14]。采用这一假设是为了从二维截面图像重建三维微观结构，这与已建立的材料科学方法一致。先前的研究表明，对于各向同性微观结构，来自单个二维截面的统计数据可以通过将二维两点相关函数与完整的三维统计数据进行关联来重建整个三维结构[15]。迁移学习方法已经成功地将合金、多孔介质和多晶体的三维微观结构重建为特征匹配优化问题[16]。此外，基于表面图的稳健重建方案也已在两相材料中得到验证[17]。这些研究证实，基于各向同性假设的方法可以有效捕捉异质材料中的相分布。遵循这些方法，我们使用类似的重建方法获得了样品中矿物相的三维空间分布数据。然后，我们引入了一个各向异性损伤本构模型，该模型在微观结构层面明确考虑了晶体取向的方向依赖性，从而解释了各种晶体的各向异性损伤行为[18]，[19]。随着多尺度材料力学的进步[20]，这也使得基于分子动力学的微米级样本的机械预测更加准确。

基于上述考虑，本研究建立了一个多尺度建模框架，该框架整合了分子动力学（MD）、代表性体积元素（RVE）均质化和有限元方法（FEM）。对于嫦娥六号样本CE6C0100YJFM002-014的扫描电子显微镜图像，我们开发了一种基于三视图约束的形态拓扑引导体素区域生长（TriView-MTGR）方法，成功重建了三维数字核心并进行了单轴压缩数值模拟。该方法通过整合不同视角下的二维SEM图像信息，在各向同性约束下推断出三维结构，避免了直接三维扫描的破坏性问题。本研究获得了月球背面玄武岩的首批量化机械参数：杨氏模量为54.2-55.2 GPa，抗压强度为349.7 MPa。这些数据不仅填补了月球背面玄武岩力学数据的空白，而且建立的多尺度框架和三维重建方法也为月球岩土工程提供了重要的理论基础和数据参考。

部分内容摘录

数据采集

本研究分析了嫦娥六号采集的CE6C0100YJFM002-014玄武岩样本的SEM二维图像[21]。选取了一个274μm×274μm的正方形区域。矿物组成包括孔隙（5.11%）、磷灰石（13.29%）、斜长石（65.89%）、SiO?（7.96%）和铁硫化物（7.65%）。含量低于1%的矿物被视为孔隙；仅保留四种主要矿物。为了统一称呼，这些研究对象被称为嫦娥六号玄武岩[21]，[22]。

手动标记矿物-RGB关系后，得到了一张二维图像

原子模型构建和分子动力学设置

从美国矿物学家晶体结构数据库（AMCSD）中构建了四种主要矿物相的原子级模型：斜长石（Albite AMCSD 0019655，单斜晶系C12/m1，Na?.??K?.??Ca?.??AlSi?O?）[26]、磷灰石（Hydroxyapatite AMCSD 0002299，六方晶系，Ca?(PO?)?OH）[27]、SiO?（α-Quartz AMCSD 0008971，三角晶系P3221）[28]和铁硫化物（FeS AMCSD 0018055，六方晶系P63/mmc）[29]。初始单元格被复制生成尺寸超过30 ?的超胞

机械参数验证和计算精度分析

计算得到的抗压强度（349.7 MPa）与类似微观尺度材料的强度进行了比较。Zhang等人[45]和Jiang等人[46]报告的水泥浆样本（100μm）的抗压强度分别为317.72 MPa和313.06 MPa。这些数据与页岩微柱（直径10μm，高度20μm）的抗压强度174.53 MPa[47]以及填充有石灰石的水泥浆（尺寸150×150×300 μm）的抗压强度143.91 MPa[48]进行了对比。不同材料系统的强度存在差异：Mo?SiB?的抗压强度可达2.8 GPa[49]，超高性能混凝土的抗压强度约为1560±600 MPa[50]

结论

基于CE6C0100YJFM002-014玄武岩样本，建立了一种从分子动力学到有限元的多尺度参数放大方法。主要结论如下：

• (1)
  提出了一种基于各向同性假设，从单个二维SEM图像进行三维重建的TriView-MTGR方法。通过提取粒子连接区域和邻接关系，生成具有自然曲率和纹理的三维连通区域模型，并结合二维孔隙形态统计参数，构建三维孔隙网络

未引用参考文献

[33]

CRediT作者贡献声明

Jie Li：可视化处理。Xiaojing Feng：资金筹集。Shibin Tang：指导。Limin Du：研究调查和概念构思。Dong Duan：资金筹集。Jiaxiong He：撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52274134和52474139）以及中国山西省应用基础研究项目（项目编号202403011242005）的资助。

作者变更请求

因此，我们恳请将手稿的作者名单更新为包括Tianbao Li和Huifang Wang作为共同作者，如上述标题页所示。两位作者均已同意加入，并通过撰写、审阅等方式为手稿做出了贡献