現在進行中の主要な現在のプロジェクトは、火星に人類を探査し、定住と植民地化の可能性を持たせるために、マーズ ワン プロジェクトと NASA プロジェクトです。火星で計画されている今後の有人ミッションを実現するために考慮しなければならない地盤工学的作業が、まだいくつかあります。
負の間隙水圧範囲 (つまり吸引力) を持つ地下水面 (つまり通気層) の上に位置する地球上の土壌に関連する地質学的な困難は、不飽和土壌の力学によって自然に決定されます。
火星の外側の土壌の大部分は、細かい粒子サイズ (通常は粘土とシルトを含む <0.002 mm ～ 0.075 mm の範囲) でできています。これらの土壌サイズは、火星の土壌質量に対する低重力 (地球の重力の 3 分の 1) の影響によってかなり影響を受けやすいものです。微小重力は、火星の土壌内の液体の水、気体、および熱の移動メカニズムに問題を引き起こす可能性があります。土壌吸引は、不飽和土壌斜面の強度に影響を与える重要な問題です。
せん断強度、剛性、支持力などの機械的特性は比較的高く、吸引の寄与による不飽和土壌の歪みに対する耐性を提案します。ただし、一部の不飽和土壌は、吸引力の消失による飽和によって崩壊 (つまり、崩壊性土壌) または膨張 (つまり、膨張性土壌) します。水の凝固点よりも温度が下がると、土壌の吸引能力が大幅に上昇します。
発展途上にある研究分野である不飽和土壌の力学は、数多くの地質工学的問題に取り組むための説明を提供してきました。不飽和土壌に関する既存の理解は、今後の人間の探査と植民地化を簡素化するための火星での重要なツールのようです。
火星の土壌状態
火星の大気、表面、および地下の状態に関する事実は、他の情報源で見つけることができます。火星の土壌には、一般に、Fe、S、および Cl 成分が高濃度で含まれています。その赤い色は、火星の湿潤期に岩石が風化してできた酸化鉄によるものと考えられています。表 1 では、火星の土壌の物理的および工学的特性の一部を省略しています。
デュリクラスト:硬化した崩壊可能な土壌、つまり火星の不飽和土壌
火星の表面の 25% には、デュリクラストまたは偽の小石として認識されるセメント化された崩壊可能な土壌が存在します (図 1)。それらの構造は、アルベドと熱慣性因子から結論付けられた、接続材料によって接合された粒子を含んでいます。これらの汚れは、バイキングとパスファインダーの着陸地点で検出されました。火星のすべての部分のこの土壌層の深さについてはあまりわかっていませんが、これは地球にも当てはまります。偽の小石の形で組み立てられた火星の不飽和土壌の存在は、図1aに表示されています。図 1b では、火星探査車による不飽和のセメント質土 (デュリクラスト) 構成の破壊が観察されています。火星表面に不飽和土壌が存在することは、図 1c-d からも結論付けることができます。
火星の地下での通気帯または不飽和領域の発生は、扇風機、三角州、交差層などの堆積物の集合体から結論付けることができます。土壌粒子の接触中の表面ひずみの吸引と落下は、ミネラルの沈殿を活性化します。新しい結晶の堆積は、高濃度の化学物質を含む間隙水から土壌粒子間の不飽和段階への一時的な方法で行われます.
不飽和土壌に関連する重大な地質学的危険は、火星のデュリクラストの崩壊する性質から発生する可能性があります。火星の表面には、さまざまなサイズのシルトが含まれる、マイルドにセメントで固められたきめの細かい土壌である疑似小石が点在しています。バイキングのサンプラー アームがそれらを収集していたときに、それらは押しつぶされました。乾いた状態で崩れやすい土はかなりの硬さがありますが、水がかかるとすぐに崩れます。塩や粘土殻による軽いセメントは水の浸透によって柔らかくなり、土壌は崩壊してより密な配置になります。
基礎が不飽和の崩壊可能な土の上に構築される場合、いくつかのエンジニアリング上の困難が予想されます。これらの土壌は、過負荷、正弦波動的負荷、または溶融氷による湿潤のために、予期せず崩壊する可能性があります。いくつかの解決策を使用して、今後の人間の植民地化における崩壊可能な不飽和土壌に関連するリスクを防ぐことができます.何よりも、この種の土壌は、厚さが薄い場所から移動する可能性があります。次に、満足のいく設定を得るために、土壌をよりコンパクトで密度の高いものに圧縮できます。
これらの決議案は、次の期待を考慮して提案されています。地表または地下のシェルターで構成される 2 つの形式の構造物を火星に建設して、厳しい気象状況や深刻な太陽および銀河放射線の影響から人間を保護することができます。火星の地面または厚い堆積物内の地下表面に構築された建物の場合、土壌の地質学的特性は、安定性と変形 (つまり、崩壊) を考慮して、最も低い要件を満たす必要があります。
乾燥ポリゴンから見た不飽和相
着陸船や周回宇宙船から送信された写真から、火星の外側に多数の幾何学的な亀裂 (図 2 および 3) を検出できます。火星のこれらの多角形は、直径が 2 ～ 3 m から最大 10 km に及ぶ異なるサイズを示しています。熱収縮、脱水、または火山の発達は、小さなサイズのポリゴン (2 ～ 20 m) と中間サイズ (20 ～ 300 m) の作成の主な理由であり、地殻変動は、より大きなキロメートルサイズのポリゴンの原因です。 .
乾燥理論は、内因性の池、または衝突クレーターで形成された浸水した堆積物が、多角形の土壌集合体を作成したことを示唆しています。これらの湖はおそらく水を保持しており、熱水開発によって、または隕石衝突の発生直後に引き起こされた地下水の浸透の影響によってびしょぬれになっていることが推奨されました。乾燥は、表面からの水の脱水と結びついた通気段階であるか、最初は湿った状態にあった土壌で起こる拡散の発達の結果として起こります.
これらの観察可能な展開は、水ポテンシャルの変化によって引き起こされる液体の水の動きを提案しています。このような展開は、水蒸気圧の不一致による蒸気の移動に起因する可能性があります。揮発性物質の損失の結果、土壌の収縮が許容されない場合、応力が高まり、土壌の強度を超える値にまで拡大します。その結果、亀裂が形成され、追加の応力が緩和されます。さまざまな研究者による研究によると、地球上の粘土質土壌の乾燥亀裂に伴う発生は類似しています。
火星の地すべりと不飽和土壌の影響
デブリの動きとガリーの特徴は、火星の表面で頻繁に認識できます。火星の追加の表面構造との境界面の切断と若い年代の砂丘による処理は、これらのガリーが比較的若い構造であることを示しています。さらに、地すべりや風成作用によって損なわれた古い地形に比べて、ガリーはシャープな外観をしています。ガリーの存在は、太陽への露出が多い一部の緯度のそばで発生します。
研究は、ガリーとガリーなしで構成される北半球の火星の丘陵地における太陽エネルギーへの接触の範囲で実行されました。峡谷のある丘は、年間を通して太陽との接触の量がかなり一定であることが認識されていました。この露出は、斜面の形状の結果であり、主に緯度と側面 (面方位) が原因でした。ガリーの作成は、これらの地区に水浸しの発生に耐える不飽和土壌があることを示しています。不飽和土壌の湿潤は、氷の融解と水の毛細管運動に起因する可能性があります。水は表面の土壌を濡らし、吸引力を低下させ、せん断強度を低下させ、その結果、下り坂の動き (つまり、崩壊) を引き起こします。
その後、土石流、ガリー、扇形の地形が火星の表面に生成されます (図 4 左)。地滑りはさまざまな活性化メカニズムを持つ可能性があり、このトピックに関する議論は、紙面の制限のためにここでは提供されません。火星の前または現在の時間における小規模または大規模な地すべり (図 4) は、重力と動的負荷の影響に加えて、湿潤経路の結果であるか、不飽和土壌の湿潤段階に起因する可能性があります。活発な負荷は、隕石の衝突 (図 4 右) または地震のトリガーされた地震特性から開始できます。火星で地滑りが発生する主な理由は、動的荷重の結果としてせん断強度が失われる可能性がある不飽和相の崩壊可能な土壌の発生です。また、不飽和土壌の湿潤または飽和によって引き起こされる土石流は、火星の外側で主に優勢な地滑りメカニズムです。
ある研究では、表面下の液体の動き、斜面の傾斜、丘の上のレゴリス マントルの安定性が、火星の土石流を制御できることが示されました。 SHARAD (Shallow Radar Mars Reconnaissance Orbiter) による以前の研究と現在の結果に基づいて、液体物質が火星の不飽和土壌の地面を湿らせると推測できます。この液体は、火星の地下の水氷、大規模に分散した表層の地下氷の融解、または地下の熱水運動の両方に由来する可能性のある地下水です。
今後、火星の隆起地帯、活動していない火山、または斜面の近くに人間が居住する場所は避けるべきです。これは、重力の影響、動的負荷、および氷の融解による不飽和土壌の湿潤が、高速で移動する土石流を含む地滑りを引き起こす可能性があるためです。水は火星の表面の下で氷と結合して、または単に氷の形で発生します。太陽エネルギーとの接触、地中の熱水運動、水蒸気の拡散による外側への衝撃、または隕石波の衝撃は、氷を溶かすための熱源となる可能性があります。この熱で地下の氷が解け、液体の水が生成されます。水は毛細管運動によって土壌内部に浸透するか、エスカレートし、不飽和土壌の吸引力を低下させ、その結果、せん断強度の低下と変形のエスカレーション (つまり、崩壊) を引き起こします。
火星の凍土に見られる不飽和状態
火星の広大な表面には凍った土壌が存在します。火星の気温は、1 年のさまざまな場所や時期によって、摂氏 -153 度から +20 度まで変化する可能性があります。日光による暖かさ、破壊的な熱水勾配、および隕石の衝突衝撃は、生態学的状況を変化させ、凍った土壌を溶かす可能性があります。土の機械的特性、特に剛性とせん断強度は、基礎の設計に必要な重要な要素です。
凍結した土壌は、封圧の上昇によって増加する氷によって土壌内部で作成された抵抗の結果として、より大きな一次接線係数 (つまり、剛性) を示します。一般に細粒の凝集性のない土壌であるシルトでは、土壌の吸引により見かけの凝集力が増加し、連続的にせん断強度が上昇します。凍結土では土の吸引力が著しく上昇し、水分率が吸引の関与により土のせん断強度に影響を与えていると推測できます。氷が溶けて土壌の飽和度が上昇すると、困難が生じます。このため、溶けた土の吸引力、せん断強度、剛性、および支持力が低下します。日光や熱水システムにさらされると熱源になります。
さらなる調査の推奨事項
水、水氷、ドライアイス、および土壌の相互作用に関する補足的な研究が提案されており、不飽和土壌の水力学的および工学的特性に対する土壌吸引の影響を考慮しています。追加の推奨事項には、水またはドライアイスで分類された異なる種類の火星の模擬土壌による、微小重力の影響を尊重した宇宙ステーションでのテストが含まれます。これらの実験により、火星の土木および機械インフラ計画に適した工学的特性に対する土壌吸引の影響に関する知識を増やすことができます。最後に、不飽和火星の土壌に関する研究と分析を拡張して、問題をよりよく理解し、効果的な解決策を提案する必要があります。この研究は、近い将来、火星への人類の植民地化の成功を促進する可能性があります。
これらの調査結果は、Electronic Journal of Geotechnical Engineering に最近掲載された、火星の不飽和土壌と火星での人間のミッションと定住への影響というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、オタワ大学の Morteza Sheshpari と Sai K. Vanapalli によって実施されました。
