全球熱推薦：嫦娥五號帶回的月球“土特產(chǎn)”，藏著什么秘密？

從 " 月宮 " 瀟灑走一回，嫦娥五號成功帶回星際 " 土特產(chǎn) " —— 1731 克月球樣品。首批樣品于 2021 年 7 月 12 日向國內(nèi)科學(xué)家發(fā)放，新成果競相涌現(xiàn)。

嫦娥五號拍攝的月面全景照片。來源／月球與行星探測工程地面應(yīng)用系統(tǒng)

微塵有玄機(jī)

月壤是月球表面廣泛分布的一層非常細(xì)粒的風(fēng)化產(chǎn)物。著陸探測月面實(shí)地勘察以及遙感影像研究表明幾乎整個月球表面都被月壤覆蓋，只有在一些特別陡峭的撞擊坑坑壁及陡坎等處，才有基巖出露。年輕的月海區(qū)域月壤厚度一般為 4-5 米，而古老的高地區(qū)域可以達(dá) 10-15 米。目前，科學(xué)家研究的月球樣品，包括巖石和月壤，其實(shí)都采自月壤層。地球土壤的形成是各種地質(zhì)營力綜合作用的結(jié)果，基巖經(jīng)歷物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及獨(dú)一無二的生物風(fēng)化過程從而發(fā)生破碎、分解形成土壤。

(資料圖)

而月球上高度真空以及非常干燥缺水的環(huán)境決定了月壤與地球土壤截然不同的形成過程，在月壤形成過程中，來自外太空的隕石高速撞擊導(dǎo)致的機(jī)械破碎、翻耕、混合占據(jù)了主導(dǎo)作用，月壤形成之后還會受到各種來自太陽及宇宙的微小粒子的持續(xù)轟擊，物理及化學(xué)性質(zhì)也因此發(fā)生改變——科學(xué)家將這一系列過程形象地描述為 " 太空風(fēng)化 "，受太空風(fēng)化較為嚴(yán)重的月壤則稱為 " 成熟 " 月壤。

嫦娥五號采集回來的 1731 克月球 " 土特產(chǎn) "，來自風(fēng)暴洋東北部玄武巖單元上發(fā)育的月壤層，主要由當(dāng)?shù)鼗鶐r（玄武巖熔巖）破碎和風(fēng)化形成。月壤中通常包含一些外來組分，這是由于月球上撞擊作用頻發(fā)，導(dǎo)致物質(zhì)混雜的結(jié)果。

但實(shí)驗(yàn)室研究表明嫦娥五號月壤中外來物質(zhì)的比例很低，只有 5% 左右。從嫦娥五號月壤的光學(xué)照片可以看出，嫦娥五號月壤呈灰黑色色調(diào)，且顆粒較細(xì)。實(shí)驗(yàn)室月壤粒度分析顯示，95% 嫦娥五號月壤粒徑處于 1.40-9.35 微米范圍（平均粒徑為 3.96 微米），屬于粘土 - 粉砂類。

嫦娥五號采樣區(qū)周圍 60×60 千米區(qū)域圖像。原始數(shù)據(jù)來源／Kaguya TC

值得一提的是，嫦娥五號月壤比大多數(shù)阿波羅月壤更加細(xì)粒。微隕石持續(xù)的撞擊會使得月壤變得更加細(xì)粒，因此月壤粒徑也是成熟度的一個指標(biāo)，嫦娥五號月壤較細(xì)的粒徑揭示了其較高的成熟度。

嫦娥五號月壤既然主要由當(dāng)?shù)匦鋷r破碎形成，那么在其中發(fā)現(xiàn)玄武巖碎片便不足為奇了。我國科研工作者在嫦娥五號月壤中識別出了大量的玄武巖巖屑。在代表性玄武巖巖屑的光學(xué)照片中可以看到，組成玄武巖的暗色礦物（富含鎂、鐵等元素，如輝石、橄欖石和鈦鐵礦）與亮色礦物（鎂、鐵含量較低，硅和鋁含量較高，如斜長石）。

嫦娥五號兩顆玄武巖巖屑背散射電子圖像（A 和 B）和元素豐度假彩色圖（C 和 D，硅 = 藍(lán)色，鎂 = 綠色，鐵 = 紅色，鋁 = 白色，鈣 = 黃色，鈦 = 粉色，鉀 = 青色）。來源／車曉超等

在結(jié)構(gòu)上，這些玄武巖巖屑表現(xiàn)出多樣性。在玄武巖巖屑的背散射電子圖像中，可以明顯看出兩顆玄武巖巖屑之間結(jié)構(gòu)的差異：巖屑 1 質(zhì)地較細(xì)，斜長石和鈦鐵礦成板條狀，并相互交叉在一起，而輝石填補(bǔ)空隙；巖屑 2 顆粒更為粗大，輝石、長石和鈦鐵礦都主要呈塊狀。

任何事物都有兩面性，撞擊作用也不例外。一方面，撞擊作用使得組成月壤的物質(zhì)更加破碎，導(dǎo)致月壤更加細(xì)粒；另一方面，高速撞擊過程中產(chǎn)生的大量熱量也會融化月表物質(zhì)，從而將小尺寸巖屑、礦物碎片膠結(jié)在一起，形成粘結(jié)集塊巖，這在某種程度上又增加了月壤的粒徑。嫦娥五號月壤的粘結(jié)集塊巖中，黑色有光澤的就是玻璃質(zhì)物質(zhì)。

如前所述，嫦娥五號著陸區(qū)遠(yuǎn)離阿波羅著陸區(qū)，其采集回來的玄武巖樣品也與阿波羅玄武巖自然也有所差別。嫦娥五號玄武巖比以往任何采樣任務(wù)返回的玄武巖樣品都要年輕，即便將月球隕石的年齡考慮進(jìn)去，嫦娥五號玄武巖也成功將月球火山噴發(fā)活動停止時間推遲了 8-9 億年，首次從樣品的角度證明月球在 20 億年前還 " 活躍著 "。

嫦娥五號玄武巖和阿波羅玄武巖在化學(xué)成分上也有所區(qū)別。阿波羅玄武巖鈦含量變化范圍巨大，但表現(xiàn)出明顯的雙峰性（中鈦玄武巖缺乏）。軌道遙感數(shù)據(jù)反演表明月海玄武巖鈦含量是連續(xù)分布的，這印證了阿波羅樣品并不具有全月代表性。

嫦娥五號玄武巖落在中鈦范圍內(nèi)，正好填補(bǔ)了阿波羅樣品的空白。此外，嫦娥五號玄武巖還非常富集鐵和釷元素，代表了一類極富鐵的玄武巖，而其接近 5ppm（百萬分之一）的釷含量，幾乎高于除克里普玄武巖（月球上一類較為特殊的玄武巖，富稀土、釷等元素）之外的任何玄武巖。

科學(xué)發(fā)展最重要的不是解決問題，而是發(fā)現(xiàn)問題。誠然，嫦娥五號解決了一系列關(guān)鍵問題，比如確定了月球在 20 億年前還活躍著，為研究月球撞擊歷史及演化提供了關(guān)鍵證據(jù)；再比如填補(bǔ)了阿波羅樣品的空白，首次返回了中鈦玄武巖樣品，從樣品角度印證了月海玄武巖鈦含量分布的連續(xù)性。

嫦娥五號玄武巖巖屑光學(xué)照片。來源／月球樣品信息數(shù)據(jù)庫

但嫦娥五號也拋出了一個更大的問題，為什么月球的 " 火山活躍期 " 可以持續(xù)到 20 億年前？月球半徑約是地球的三分之一，更小的體積也就意味著月球更加容易散失熱量。

關(guān)于這個問題，我國科研工作者進(jìn)行了深入的研究，例如：鑒于嫦娥五號著陸區(qū)位于風(fēng)暴洋區(qū)域（風(fēng)暴洋 - 克里普地體的重要組成部分，遙感研究表明該地體富集釷元素），首先考慮的便是嫦娥五號玄武巖巖漿源區(qū)中生熱元素（如釷、鈾等）的放射性衰變會源源不斷地提供熱量，但 " 溯源 " 研究表明，嫦娥五號玄武巖源區(qū)中生熱元素含量并不高；水的存在可以顯著降低熔點(diǎn)，使得月幔更加容易發(fā)生熔融，這也是月幔得以在 20 億年前發(fā)生熔融的潛在原因之一，但關(guān)于月幔水含量的研究揭示嫦娥五號月幔源區(qū)非常干燥；一些科研工作者還提出，嫦娥五號玄武巖源區(qū)可能富集單斜輝石，由于單斜輝石有著較低的熔點(diǎn)，因此它更加容易發(fā)生熔融；此外，巖石質(zhì)的月殼在一定程度上具有隔熱作用，這同樣會使得月幔冷卻速率變慢。

總而言之，目前關(guān)于月球在 20 億年前為什么還會有大規(guī)模的巖漿活動這個問題，還沒有明確答案，尚需進(jìn)一步研究。但可以預(yù)見的是不論最終何種機(jī)制導(dǎo)致了月球的火山活躍期如此持久，相關(guān)研究都會極大促進(jìn)我們對月球乃至整個太陽系類地行星演化的理解。

嫦娥五號月壤光學(xué)照片。來源／李春來等（左圖），月球樣品信息數(shù)據(jù)庫（右圖）

星際快遞，未來可期

作為將近半個世紀(jì)以來的首次月球采樣返回探測任務(wù)，嫦娥五號任務(wù)實(shí)現(xiàn)了對月球正面西部年輕玄武巖單元的取樣。實(shí)驗(yàn)室高精度樣品分析發(fā)現(xiàn)，這些樣品形成于距今約 20 億年之前的火山噴發(fā)作用，比之前的玄武巖樣品年輕了將近 10 億年，說明月球在演化晚期階段仍然存在大規(guī)模火山噴發(fā)活動，月球內(nèi)部可能比之前想象的溫度更高，革新了我們對月球的科學(xué)認(rèn)知。與以往的月球樣品相比，嫦娥五號樣品具有更加細(xì)粒、富鐵釷元素等特征，這也印證了嫦娥五號樣品的獨(dú)特性，這是我們更加深入研究月球的珍貴素材。

展望未來，嫦娥五號任務(wù)可以說是未來探月熱潮的一個開端。2024 年中期，我國嫦娥六號任務(wù)將實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面取樣返回探測，未來幾年，美國的阿耳忒彌斯計劃也將實(shí)現(xiàn)對月球南極地區(qū)的載人登陸和取樣采樣，我國的載人登月探測也在積極籌劃與準(zhǔn)備當(dāng)中，長期駐留的月球科研站也進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性論證階段。相信在不久的將來，會有越來越多新的月球樣品供科學(xué)家們來分析，推動認(rèn)識月球、利用月球創(chuàng)新發(fā)展，為探索浩瀚宇宙不懈追求。

致謝：本文受到了中國科協(xié) 2022 年度研究生科普能力提升項(xiàng)目的資助。

作者簡介：

喬樂，山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院，副研究員，碩導(dǎo)。研究方向：月球遙感及地質(zhì)學(xué)。

尹承翔，山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院，碩士生。研究方向：月球與火星樣品分析。

陳劍，山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院，博士后。研究方向：月球光譜學(xué)與物質(zhì)成分。

付曉輝，山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院，教授，博導(dǎo)。研究方向：月球與行星表面地質(zhì)過程。

凌宗成，山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)與物理學(xué)院，教授，博導(dǎo)。研究方向：行星光譜遙感與深空探測。