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近來我國月壤研究成果陸續(xù)問世，今年4月官方還公布了將嫦娥五號月壤樣品贈送給俄羅斯和法國以供科學(xué)研究的消息，這讓大家對月球土壤充滿了好奇。月壤中究竟隱藏著什么奧秘？研究它有哪些重要意義？對我國探月工程和太空探索又將有何助益？今天我們就來了解這“無價之土”的珍貴之處。

(資料圖片僅供參考)

?2021年3月，國家博物館展出的嫦娥五號返回艙和降落傘實物。

▲2023年1月上海天文館展出的嫦娥五號月球樣品 研究月球為何要先研究月壤

古人云“舉頭望明月，低頭思故鄉(xiāng)”，夜深人靜之時，凝視月亮總會激起游子的思鄉(xiāng)之情。從現(xiàn)代科學(xué)的角度來看，月球也是地球的“游子”，約45億年前，一顆火星大小的星球撞擊原始地球，部分撞擊濺射出的高溫物質(zhì)重新聚集形成月球，隨后月球與地球開啟了各自的演化歷程。

然而，與地球宜居的表生環(huán)境相比，月球堪比煉獄，高真空、強輻射、晝夜溫差可達(dá)300℃。在月表嚴(yán)苛的環(huán)境下，月表巖石發(fā)生機械破碎，疊加太陽風(fēng)、宇宙射線注入以及隕石與微隕石的轟擊、翻耕等作用，月表在長達(dá)億年時間內(nèi)形成了細(xì)如粉塵的一層月壤，科學(xué)家普遍認(rèn)為其厚度可達(dá)數(shù)米至十幾米，主要取決于月表下腹巖石的年齡。

月壤的形成過程決定了它不僅包含月球自身的巖石或礦物碎片，還含有少量的撞擊體殘留物與濺射物，以及這些物質(zhì)與月表環(huán)境相互作用的產(chǎn)物。以嫦娥五號月壤為例，其主要由玄武巖碎屑、角礫巖、膠結(jié)物和玻璃珠組成，以及少量的非月海物質(zhì)（高地巖石碎片）和極少量的非月球物質(zhì)（隕石碎片）。除了少量是鉆孔樣品之外，嫦娥五號月壤大部分鏟自月球表面。月表由于無大氣，太陽風(fēng)、隕石、微隕石等外動力可以直接與月表物質(zhì)發(fā)生作用，并記錄在月壤中，因此，月壤是揭示月表形成過程、太空風(fēng)化、撞擊歷史等科學(xué)和工程問題的重要窗口。

截至目前，人類共計從月球采集并返回了383.7千克月球樣品，包括月表巖石、鏟取月壤和鉆孔樣品，其中美國阿波羅載人登月任務(wù)從月球正面的6個低緯度地區(qū)取回了381.7千克月球樣品，蘇聯(lián)的月球號任務(wù)取回了約300克月壤樣品，我國嫦娥五號任務(wù)共取回了1731克月壤樣品。

基于美國阿波羅和蘇聯(lián)月球號返回樣品的研究，科學(xué)家提出了月球形成和演化的框架，例如“大碰撞起源假說”“巖漿洋假說”“晚期重型轟擊假說”等，這些返回樣品的研究刷新了人類對月球起源和演化的認(rèn)識，促進(jìn)了行星科學(xué)的建立與發(fā)展，拓展了人類對太陽系起源和演化諸多基礎(chǔ)科學(xué)問題的認(rèn)知邊界，也增強了人類邁入更遠(yuǎn)深空的信心。

2020年12月17日是個值得銘記的日子，我國嫦娥五號探測器攜帶1731克月壤成功返回地球。這是44年來人類再次實現(xiàn)從月表取樣返回，中國也成為了繼美國、蘇聯(lián)之后，第三個成功采集到月壤的國家。這些“土特產(chǎn)”為何珍貴？攜帶著月球的哪些奧秘？對未來月球探測有何啟示？圍繞這些問題，我國科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些線索，并在持續(xù)不斷地開展深入研究。

最年輕樣品延長月球“地質(zhì)壽命”

嫦娥五號月壤樣品采自月球的玄武巖單元，這些玄武巖是月幔形成的巖漿溢流到月表固化而成的巖石，它們記錄著月球衰老的密碼。所以，嫦娥五號樣品返回后，第一個需要研究的問題就是采樣區(qū)下腹玄武巖的形成年齡。

以往的月球樣品研究表明，月球在30億至28億年前基本停止了巖漿活動，成為一個地質(zhì)意義上的“死亡”星球。那么，如何測定月球玄武巖的年齡呢？目前主流的方法是尋找月球玄武巖中一些微細(xì)含鈾不含鉛的礦物，例如斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石等，通過分析這些礦物中放射性鈾衰變形成的鉛同位素組成，就可以計算出玄武巖的年齡。嫦娥五號樣品是粉末狀的微細(xì)月壤，沒有大的巖塊樣品，而適合測定年齡（俗稱“定年”）的斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石通常小于5微米，甚至不到3微米，對分析技術(shù)提出了極其苛刻的要求。

我國科學(xué)家為了完成這項定年任務(wù)，構(gòu)建了國際一流微區(qū)分析平臺，研發(fā)了離子探針超高空間分辨率的定年技術(shù)，空間分辨率從＞10微米提高到＜3微米。利用這些新技術(shù)，我國科學(xué)家對嫦娥五號玄武巖巖屑的富鈾礦物進(jìn)行了精確的鉛同位素分析，確定嫦娥五號玄武巖形成于20.30±0.04億年前，嫦娥五號月壤是最年輕的月球樣品，這一發(fā)現(xiàn)也將月球的“地質(zhì)壽命”延長了8億至9億年，刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認(rèn)知。

對于月球這種具有大的表面積/體積比的小星球來說，科學(xué)家通常認(rèn)為它的內(nèi)部能量會快速耗散而發(fā)生冷卻，從而早早結(jié)束其“地質(zhì)壽命”。然而，嫦娥五號玄武巖的定年結(jié)果證實20億年前月球還有活力，因此，科學(xué)家要回答的第二個問題就是月球的巖漿活動為何可以持續(xù)這么久？

此前，科學(xué)家對于月球能夠維持活力有兩種猜測：一是巖漿源區(qū)富含放射性元素以提供形成巖漿的熱源；二是巖漿源區(qū)富含水（或其他物質(zhì)）以降低源區(qū)巖石的熔點。我國科學(xué)家通過對嫦娥五號月壤樣品的研究，排除了這兩種猜想的可能性。最后，我國科學(xué)家采用了一系列巖石學(xué)和熱力學(xué)模擬計算，恢復(fù)了嫦娥五號玄武巖的初始巖漿成分，并與阿波羅玄武巖的初始巖漿進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)嫦娥五號玄武巖的初始巖漿含有更多的鈣和鈦，這些物質(zhì)很可能是月球巖漿洋晚期結(jié)晶的易熔物質(zhì)，后期通過翻轉(zhuǎn)加入月幔，不僅為月?！把a鈣補鈦”，還導(dǎo)致月幔熔點降低，有助于延緩月球衰老的速度。

我國月壤研究成果啟示

2021年7月，嫦娥五號月壤樣品向全社會開放申請，激起了全國科技工作者的熱情。國內(nèi)幾十家科研院所和高校圍繞粒度、成分、年齡、巖石成因、太空風(fēng)化、太陽風(fēng)成因水、撞擊歷史、高精度同位素、巖漿演化、外源物質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、材料應(yīng)用等諸多方面開展了系統(tǒng)研究，取得了一系列原創(chuàng)科研成果，提升了我國在月球與深空探測領(lǐng)域的國際影響力和地位。

1.太空風(fēng)化：揭示月表演化進(jìn)程

月球等無大氣天體表面受太陽風(fēng)、宇宙射線、隕石和微隕石撞擊等作用后，會導(dǎo)致月表物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而改造月表的光譜特征，影響光譜探測數(shù)據(jù)解譯的準(zhǔn)確度和可靠性，所以，月球的太空風(fēng)化過程和機制一直是月球科學(xué)的重要內(nèi)容。

我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)嫦娥五號月壤樣品中常見的納米級單質(zhì)金屬鐵可能具有多種形成機制，并首次發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦和藍(lán)輝銅礦在月球表面的分布，這為揭示月球表面的改造過程提供了重要的研究依據(jù)。此外，結(jié)合原位光譜探測數(shù)據(jù)與返回樣品的實驗室光譜測量數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)嫦娥五號月壤樣品雖然年輕，但成熟度相對較高，這給重新審視現(xiàn)有的月壤成熟度評價體系以及月壤的形成與時空演化歷史，提出了新的問題與挑戰(zhàn)。

2.太陽風(fēng)成因水：月表水來源、成因和保存機制的“中國貢獻(xiàn)”

近十年，諸多探測器和觀測結(jié)果都表明月表普遍含有10克/噸-1000克/噸的水（結(jié)構(gòu)水），兩極含量高、赤道含量低，極區(qū)甚至有水冰（可高達(dá)50000克/噸），且隨日照時間發(fā)生動態(tài)變化，這些發(fā)現(xiàn)給了人們未來原位利用月表水的希望。但是，月表水是如何形成、保存和遷移的呢？

嫦娥五號月壤樣品采集的緯度為北緯43度，處于中緯度地區(qū)，為揭示月表水的成因機制提供了重要機遇?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，嫦娥五號鏟取粉末樣品中的橄欖石、輝石、長石、玻璃等細(xì)粒組分記錄了太陽風(fēng)氫離子注入事件。跟阿波羅月壤樣品相比，嫦娥五號月壤樣品含有更多的太陽風(fēng)注入氫（通常被科學(xué)家稱為太陽風(fēng)成因水，即由于太陽風(fēng)的作用形成的廣義水），結(jié)合阿波羅樣品的研究和極區(qū)撞擊實驗的數(shù)據(jù)，就可以建立月表水含量與緯度的經(jīng)驗公式，進(jìn)而預(yù)測其他未采樣區(qū)域的水含量。今年3月，我國科學(xué)家在研究嫦娥五號月壤時發(fā)現(xiàn)撞擊玻璃珠含有高達(dá)2000克/噸的水含量，這些水來自太陽風(fēng)，因為它們與太陽風(fēng)具有相同的基因（氫同位素組成）。進(jìn)一步的分析結(jié)果顯示，月壤中的撞擊玻璃珠不僅能夠儲存太陽風(fēng)成因水，還能往外排水，這為深刻理解月表水的成因、保存和遷移提供了新思路，也為未來制定月表水探測方案提供了參考。

3.撞擊歷史：藏著地球生命興衰的秘密

嫦娥五號月壤樣品不僅包含了月球重要的演化信息，還藏著地球生命興衰的秘密。小行星撞擊是人類文明未來面臨的潛在災(zāi)難之一。6500萬年前，1顆直徑約10公里的小行星撞擊地球，造成了統(tǒng)治地球1.5億年的恐龍滅絕。那么對地月系統(tǒng)，小行星撞擊事件是否會突然增加？嫦娥五號月壤樣品中的撞擊玻璃珠是尋找答案的最佳對象。

月球玻璃珠最早在阿波羅月壤樣品中發(fā)現(xiàn)，大小從幾十微米到幾毫米不等，通常呈球形、橢圓形或啞鈴形，主要由火山噴發(fā)和撞擊濺射形成，其中經(jīng)常包含被撞擊體的巖石和礦物碎片等，藏著大量月球與內(nèi)太陽系演化的信息。我國科學(xué)家采用離子探針精密儀器準(zhǔn)確分析了嫦娥五號月壤中撞擊玻璃珠的成分與年代，建立了月球撞擊濺射物數(shù)值模型，并從嫦娥五號著陸區(qū)周圍10萬多個撞擊坑中篩選出潛在源撞擊坑，證實了在嫦娥五號著陸區(qū)附近，月球經(jīng)歷了至少17次強烈撞擊。通過對比小行星帶內(nèi)撞擊/裂解時間年齡與嫦娥五號著陸區(qū)附近的撞擊事件年齡，發(fā)現(xiàn)其中一組的撞擊年齡與地球上白堊紀(jì)末期恐龍滅絕事件的年代吻合，推測當(dāng)時撞擊頻率突增，災(zāi)變事件可能同時發(fā)生在地球和月球上。

4.機械力學(xué)、新材料、新礦物研究：助力月球開發(fā)

嫦娥五號月壤樣品中首次發(fā)現(xiàn)了自然界存在的新礦物“嫦娥石”——一種含釔的磷酸鹽，其后續(xù)的成因研究將對限定嫦娥五號玄武巖經(jīng)歷的演化歷史提供重要啟示。近期，我國科學(xué)家披露了嫦娥五號月壤的機械力學(xué)性質(zhì)，為未來月球車、科研站建設(shè)、載人探月等任務(wù)提供工程力學(xué)參考。同時，科學(xué)家還在利用嫦娥五號月壤開展原位資源利用方向的研究，例如原位制備燃料和氧氣、玻璃纖維的發(fā)現(xiàn)等，這些研究成果將從不同角度服務(wù)我國未來月球探測任務(wù)。

未來探月將走向何方

從古至今，月球一直激發(fā)著人類對浩瀚宇宙的向往和思考。月球探測不僅可以拓展月球科學(xué)的認(rèn)知邊界，也為深刻認(rèn)識地球的宜居性演化提供了新思路和視角。同時，月球探測還是深空探測的前哨陣地。月球獨特的大小、位置、表面和空間環(huán)境等條件是人類發(fā)展深空探測高新科技的天然試驗場和平臺，在月球上發(fā)展對地觀測、對天觀測、空間實驗、資源利用、長期駐留作業(yè)等具有獨特優(yōu)勢，這些積累會成為未來人類踏足更遠(yuǎn)深空的跳板。

月球是人類邁向更遠(yuǎn)深空的中轉(zhuǎn)站，是研究生命、太陽系和宇宙“三大起源”的重要途徑。在“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略規(guī)劃圓滿完成后，我國探月工程將進(jìn)入新階段——建設(shè)月球科研站。今年4月，中國探月工程總設(shè)計師、深空探測實驗室主任吳偉仁院士在2023年“中國航天日”第一屆深空探測國際會議上透露，國際月球科研站將按照3個階段分步實施，2030年前后建成國際月球科研站基本型，開展月球環(huán)境探測和資源利用試驗驗證；2040年前后建成國際月球科研站完善型，開展日地月空間環(huán)境探測及科學(xué)試驗，并建成鵲橋通導(dǎo)遙綜合星座，服務(wù)載人登月和火星、金星等深空探測；之后建設(shè)應(yīng)用型月球科研站，由科研型試驗站逐步升級到實用型、多功能的月球基地。

當(dāng)前，越來越多的國家加入到探月隊伍當(dāng)中。為維護(hù)我國在深空疆域的正當(dāng)權(quán)益，不斷提升我國月球與深空探測的深度與廣度是必走之路，中國航天人也將為人類深刻認(rèn)識月球、地球以及太陽系的形成演化繼續(xù)貢獻(xiàn)中國智慧。

（作者為中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員。中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽副研究員和曾小家博士、中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所龍濤博士對本文亦有貢獻(xiàn)）

來源：北京日報 胡森

流程編輯：U031

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