Одновременно с отбором образцов лунного грунта советскими автоматическими станциями привезли на Землю образцы лунных пород американские космонавты.
Наряду с фундаментальными исследованиями состава, происхождения и эволюции Луны доставленные образцы лунного грунта используются и для изучения их физико-механических характеристик.
Поскольку физико-механические характеристики обусловливаются не только строением покрова Луны но и условиями, в которых он находится, их изучение необходимо было провести в специальных установках обеспечивающих изоляцию от земной атмосферы и создание при испытаниях условий, моделирующих лунную среду.
Для изучения физико-механических свойств лунного грунта использовалась специальная приемная камера исследовательский бокс и универсальная камера ТОР-1 (рис. 19), позволившие определить комплекс характеристик грунта. В качестве примера на рис. 20 приведены результаты испытаний на пенетрацию лунного грунта и земных грунтов-аналогов.
Рис. 19. Общий вид измерительных узлов вакуумной универсальной установки ТОР-1, используемой для комплексных наземных измерений физико-механических характеристик лунного грунта. Стрелкой указано место, куда помещается образец грунта
Рис. 20. Изменение сопротивления пенетрации (Rn) лунного грунта и земных грунтов-аналогов в зависимости от изменения их коэффициента пористости (е):
1 — лунный грунт; 2 — андезито-базальтовый вулканический песок; 3 — молотый базальт; Не 20° — испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 20 °C; Не 140° — испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 140 °C; Vac — испытания в вакууме
Современное представление о реголите. Весь лунный шар покрыт рыхлым слоем раздробленных горных пород. Этот слой назван реголитом. Он сформировался в результате переработки коренных горных пород внешними (т. е. экзогенными) факторами. Главным экзогенным факторам, ответственным за формирование реголита, является метеоритная бомбардировка. Установлено, что в среднем масса твердых межпланетных частиц выпадающих на поверхность Луны, составляет 4 · 10–14 г/см2 · с. Метеоритная бомбардировка, сопровождающаяся ударно-взрывными явлениями, взрыхляет и перемешивает грунт Луны по глубине и по площади одновременно происходят физико-химические превращения частиц грунта, их переплавление, спекание, уплотнение. Уплотнению и спеканию способствует высокий вакуум, существующий у поверхности Луны.
На лунную поверхность оказывают влияние солнечная и галактическая корпускулярная радиация, а также солнечное электромагнитное излучение.
По современным представлениям Луна находится свыше 2–3 млрд. лет в тектоническом покое и, по-видимому, нет активных внутренних (эндогенных) факторов, которые могли бы существенно влиять на условия формирования и существования реголита. Поэтому равномерное действие на поверхность экзогенных факторов обусловило похожее строение и структуру реголита по всему лунному шару и в целом усреднило физико-механические характеристики лунного грунта. Это подтверждено прямыми экспериментами, проведенными на поверхности Луны. Наблюдавшееся различие в составе и цвете морского и материкового реголита связано с различием пород, их слагающих.
В последние годы установлено, что материковые районы Луны сложены в основном из анортозитов (основной породообразующий минерал — полевой шпат). Морские породы сложены преимущественно базальтовыми породами (их основные минералы: плагиоклазы, пироксены и ильменит). По своей химической природе и те и другие породы являются алюмосиликатами, но в базальте больше железа и магния, а в анортозитах — кальция и магния. Более темный цвет базальтов обусловливает и относительно темный цвет лунных морей. Толщина слоя реголита связана с временем возникновения, с размером, формой и количеством метеоритных кратеров, которые, по существу, перекрывают всю поверхность Луны.
Слой реголита может иметь толщину от нескольких сантиметров до десятков метров. Как правило, толщина слоя реголита увеличивается в местных понижениях и снижается на склонах кратеров и на вершинах гор. В отдельных случаях дно кратера может быть почти свободно от реголита.
Гранулометрический состав (т. е. количество частиц различного размера в определенном объеме) обусловливается действием противоположно направленных процессов, связанных с метеоритной бомбардировкой, процессов дробления горных пород и агрегации раздробленных частиц.
На начальных стадиях формирования реголита ведущими являются процессы дробления. По мере уменьшения размеров частиц возрастает роль процессов агрегации, сопровождающих метеоритные удары: спекания, сплавления и переплавления. В определенный период наступает равновесное состояние гранулометрического состава. Установлено, что для мелкозернистой части реголита (с частицами менее 1 мм) средний медианный размер частиц равен примерно 60 мкм (т. е. 50 % частиц имеют размер более 60 мкм и 50 % — меньше 60 мкм).
Этот размер частиц можно считать соответствующим разновесному состоянию реголита.
Количество обломков горных пород определяется геологической ситуацией. Количество и размеры камней возрастают вблизи относительно более крупных кратеров, имеющих более свежий вид, т. е. образованных позднее других.
В составе реголита можно выделить несколько типов частиц, отражающих характер и степень экзогенной переработки исходного материала.
Мелкообломочный материал (размерами менее 1 см) состоит из остроугольных обломков первичных пород, зерен минералов и стекол. Содержание этих частиц может меняться от 20 до 80 % и уменьшается с возрастанием зрелости, т. е. времени формирования реголита и с увеличением размера фракции. Много брекчий, т. е. вторичных литифицированных (окаменевших) спекшихся и ошлакованных частиц, которые обладают обычно причудливой неправильной формой. Брекчии образуются при быстром уплотнении частиц под действием ударно-взрывных явлений и при медленном уплотнении в вакууме под действием вышележащих слоев грунта. Характерным типом частиц являются также агглютинаты — спекшиеся агрегаты сложной неправильной формы. Подобно брекчиям они содержат фрагменты кристаллических пород и зерна минералов, но отличаются заметно большим содержанием стекла и высокой степенью оплавления поверхности.
Всегда в реголите встречаются частицы вторичного стекла, содержание которых увеличивается по мере созревания реголита. Многие частицы вторичного стекла имеют форму, близкую к сферической, что указывает на их формирование в результате застывания расплава в полете, т. е. они результат разбрызгивания и затвердевания расплава, возникающего в центральной зоне метеоритных взрывов. Эти частицы являются продуктом наиболее интенсивной стадии экзогенной переработки реголита.
Встречаются фрагменты метеоритов, в основном это кусочки никелистого железа.
Роль метеоритной обработки подтверждается образованием многочисленных микрократеров на поверхности отдельных частиц реголита (рис. 21).
Рис. 21. Следы ударов микрометеоритов на частицах реголита (большое увеличение)
По составу и форме частиц реголит является неоднородной структурной системой, которую по существующей классификации грунтов имеют среднезернистые пылевато-песчаные грунты. В то же время по наблюдавшимся визуальным признакам реголит обладает зернисто-агрегированной структурой. Для таких структур характерна та связность, которую обнаружил лунный грунт, а также склонность частиц реголита к объединению в агрегаты.
Для реголита характерна очень большая рыхлость. Он даже в уплотненном состоянии обладает пористостью, свойственной самым рыхлым земным грунтам. Средняя пористость реголита в верхнем слое толщиной 15 см около 50 %.
Объемный вес реголита существенно изменяется с глубиной. В тонком верхнем слое плотность равна 0,8–1 г/см3, а на глубине 50 см — до 2 г/см3. Плотность реголита является важным фактором, обусловившим его прочность и деформируемость. Так, несущая способность реголита увеличивается с увеличением плотности и ростом глубины (рис. 22). При нагружении лунный грунт резко и сильно изменяет свой первоначальный объем.
Рис. 22. Характер изменения несущей способности реголита с глубиной.
Проведенные исследования не обнаружили зависимости плотности от геологической ситуации и при переходе с моря на материк. Однако эксперименты на протяженных трассах, выполненные на «Луноходах», показали существенную изменчивость несущей способности реголита. При измерении прочности одного слоя грунта его несущая способность изменялась от 1,5 до 0,15 кгс/см2. В большинстве случаев прочность была связана с характером рельефа местности, однако иногда она менялась неожиданно и на равнинных участках.
