有關(guan) 嫦娥五號月壤樣品的最新研究成果相繼發表

　　科學家從(cong) 月壤裏“挖”出了這些寶

　　◎實習(xi) 記者 都 芃

　　發現嫦娥石、找到月壤水……在秋高氣爽的金秋時節，月壤研究也迎來了大豐(feng) 收，一係列有關(guan) 嫦娥五號月壤樣品的最新研究成果相繼發表，人們(men) 對於(yu) 距離我們(men) 最近的“鄰居”——月球的認知不斷得到刷新。

　　從(cong) 2020年12月嫦娥五號返回器攜帶1731克月壤樣品成功返回地麵至今，共計有4批50餘(yu) 克月壤樣品被分發至了100多個(ge) 科研團隊，研究範圍涉及月球地質演化曆史、月球資源分析等。

　　正是透過這些細微、不起眼的月壤，月球的神秘麵紗正在被一點點揭開。

　　挖掘月球的潛在價(jia) 值

　　今年9月9日，國家航天局、國家原子能機構聯合宣布，來自中核集團核工業(ye) 北京地質研究院(以下簡稱核地研院)的研究團隊首次在月球上發現新礦物，並命名為(wei) “嫦娥石”。“嫦娥石”也是人類發現的第六種月球新礦物，其單晶顆粒的粒徑隻有10微米大小，不到一根頭發絲(si) 直徑的1/10。

　　核地研院月球研究團隊牽頭人李子穎表示，雖然“嫦娥石”所屬的磷酸鹽礦物在地球上很常見，但和“嫦娥石”化學成分一致的，地球岩石中至今還未發現。這也證明了“嫦娥石”形成的環境和條件不同於(yu) 地球。通過對“嫦娥石”形成條件的研究，可以倒推月球演化過程，對認識月球起源與(yu) 演化意義(yi) 重大。此外，“嫦娥石”所含的高含量稀土是否具有開發價(jia) 值，也值得進一步研究。

　　不僅(jin) 是“嫦娥石”，核地研院的研究團隊還首次成功獲得嫦娥五號月壤樣品中氦-3的含量和提取參數。氦-3一直被視為(wei) 未來重要的清潔聚變資源之一。而月球則是儲(chu) 存氦-3的天然“倉(cang) 庫”。核地研院第一批月球樣品使用責任人黃誌新介紹，目前的核聚變實驗主要利用氘—氚反應來開展，但這種方式的核聚變會(hui) 產(chan) 生中子，具有一定危害性。而以氦-3為(wei) 原料的聚變過程不會(hui) 產(chan) 生有害物質，並且反應釋放的能量更大，堪稱是未來的完美能源。氦-3雖好，但在地球上卻儲(chu) 量極低。氦-3的主要來源是太陽風，由於(yu) 受地球磁場和大氣的阻擋，能夠到達地球的氦-3微乎其微。但與(yu) 地球相反的是，月球由於(yu) 缺少大氣層保護，常年受太陽風吹拂，月壤中含有大量的氦-3資源，且月壤中的鈦鐵礦對氦-3有較好的儲(chu) 存作用。種種因素都使得在地球上稀缺的氦-3，在月球上卻儲(chu) 量驚人。探月工程首任首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠曾估算，月壤中的氦-3含量可滿足長達萬(wan) 年的地球能源需求。黃誌新表示，對嫦娥五號月壤樣品中氦-3含量及最佳提取參數的測定，將為(wei) 中國後續對月球氦-3資源的遙感預測、總量估算、未來開發和經濟評價(jia) 提供基礎科學數據。

　　除了存在潛在能源外，“渾身是寶”的月壤或許還有更多用途。今年5月，我國研究團隊在詳細分析嫦娥五號月壤樣品中的元素和礦物結構後發現，月壤中的一些活性化合物具有良好的催化性能。研究團隊以其為(wei) 催化劑，利用人工光合成技術，借助模擬太陽光，成功將水和二氧化碳轉化為(wei) 了氧氣、氫氣、甲烷、甲醇。在此基礎上，研究團隊還進一步提出了利用月壤實現地外人工光合成的策略與(yu) 步驟。該研究主要負責人之一、南京大學教授姚穎方表示，如果將月壤提取成分作為(wei) 月球上的人工光合成催化劑，未來也許隻需要月球上的太陽能、水和月壤，便能產(chan) 生氧氣和碳氫化合物，實現低能耗和高效能量轉換，為(wei) 建立適應月球極端環境的原位資源利用係統提供潛在方案。同時姚穎方也指出，目前月壤的催化效率低於(yu) 地球上可用的催化劑，但研究團隊接下來將對月壤中的有效催化成分進行分離、提煉，力求得到更好的催化效果，並爭(zheng) 取實現地外人工光合成技術在未來航天計劃中的搭載試驗，從(cong) 而進行真實環境驗證。

　　探尋月球水的真正成因

　　水作為(wei) 生命之源，是人類太空探索中始終繞不開的話題。月球上有水嗎？答案是肯定的。在過去的許多年間，一係列觀測數據都間接地證明了月球上水的存在。但“聽說過沒見過”，除了用望遠鏡或探測器遠遠給月球“相個(ge) 麵”，證實其“命中有水”外，人類還沒有真的從(cong) 月壤中直接發現水。但就在不久前，中國科學院地球化學研究所的唐紅、李雄耀團隊發表的相關(guan) 研究結果證實，嫦娥五號月壤樣品礦物表層中存在大量的太陽風成因水，為(wei) 月球有水再添“實錘”。

　　水不會(hui) 憑空產(chan) 生，那麽(me) 月球上的水是從(cong) 哪來的？關(guan) 於(yu) 這一問題，科學界目前主要認為(wei) ，月球水可能來自月球內(nei) 部岩漿或外部太陽風，彗星、流星體(ti) 和微流星體(ti) 的撞擊。但紅外光譜數據顯示，整個(ge) 月球表麵都有水的分布，而月球上的水若來自月球內(nei) 部岩漿或來自外部天體(ti) 撞擊的話，其在月球表麵的分布將會(hui) 十分不均，這似乎無法解釋為(wei) 何水會(hui) 遍布月球表麵。因此，科學家普遍認為(wei) 太陽風是月球水的主要來源之一。太陽風中含有帶正電的氫離子，當其不斷轟擊月球表麵時，其中的氫離子會(hui) 與(yu) 月表物質中的氧原子結合，從(cong) 而在整個(ge) 月球表麵生成羥基或水分子，這樣便可解釋為(wei) 何整個(ge) 月球表麵都有水的存在。

　　此次唐紅、李雄耀團隊的研究便圍繞著月壤中的太陽風成因水展開。研究團隊運用紅外光譜和納米離子探針對嫦娥五號月壤樣品開展深入分析，其結果顯示嫦娥五號月壤樣品的礦物表層中存在大量的太陽風成因水，估算其水含量至少為(wei) 170ppm(1ppm為(wei) 百萬(wan) 分之一)，這一數值顯著高於(yu) 月球內(nei) 部的水含量；並且分析結果還顯示，月壤中水含量的差異主要歸因於(yu) 測試深度的差異，礦物中的水主要分布在極表層內(nei) ，並且其氫同位素比值與(yu) 太陽風的十分接近，主要以羥基的形式存在。這些證據全部有力證實了，太陽風質子注入就是嫦娥五號采樣地區月壤中水的主要來源。

　　雖然整個(ge) 月球表麵都有水的存在，但並不意味著月球上每個(ge) 區域月壤的水含量都相同。一部分的太陽風成因水會(hui) 在太陽的照射下“蒸發”，還有一部分則會(hui) 遷移並沉降到溫度極低的兩(liang) 極永久陰影區，經過漫長的地質活動後形成大量水冰。而此次嫦娥五號月壤樣品的研究結果也顯示，由於(yu) 月表存在翻騰作用，月壤顆粒暴露在太陽風中的時間不同，導致了礦物中注入的太陽風質子總量不同，進而也會(hui) 致使不同區域月壤中的太陽風成因水含量不同。通過對嫦娥五號采樣地區月壤成熟度的測定，結合此前遙感探測發現的月表中緯度地區太陽風成因水與(yu) 月壤成熟度正相關(guan) 這一現象，研究團隊進一步提出，在與(yu) 嫦娥五號采樣區有著相似月壤成熟度的月表中緯度地區，其月壤中的太陽風成因水含量應大致相同。而在月壤成熟度更高的如風暴洋西北側(ce) 高地，其月壤中的水含量可能更高。這一看法不僅(jin) 為(wei) 未來月表水資源利用提供了重要依據，也為(wei) 探索太陽係內(nei) 其他無大氣天體(ti) ，如水星、小行星等表層土壤中的太陽風成因水的形成機製和分布規律提供了重要參考。

　　此外，嫦娥五號月壤樣品中能夠發現水，很大程度上得益於(yu) 其采樣地點的獨特。嫦娥五號的月壤樣品采樣地點位於(yu) 月球最大的月海——風暴洋的東(dong) 北部，這裏以前從(cong) 未有人踏足，與(yu) 以往別國任務的采樣點相距甚遠。而同位素定年結果更是表明，該區域月壤樣品的年齡約為(wei) 20億(yi) 年，是目前獲得的最年輕的月壤樣品。更為(wei) 重要的是，嫦娥五號月壤樣品中的主要組成物質是輝石、斜長石和橄欖石，而這幾種礦物恰恰都是探究太陽風成因水儲(chu) 量的最佳載體(ti) 。

　　推演月球的來龍去脈

　　作為(wei) 地球唯一的天然行星，月球地質活動的曆史一直是科學家關(guan) 注的重點。通過對嫦娥五號月壤樣品的深入研究，許多此前關(guan) 於(yu) 月球地質活動模棱兩(liang) 可的問題，如今有了更為(wei) 清晰的答案。

　　中國科學院紫金山天文台研究員徐偉(wei) 彪及其行星化學科研團隊聯合南京地質古生物研究所，對月球樣品進行研究後發現，樣品中有極高含量的高鈦玄武岩。研究團隊據此推測，嫦娥五號月球著陸區或曾有多次火山噴發。

　　徐偉(wei) 彪表示，在目前所有收集到的月球隕石中基本沒有發現高鈦玄武岩，這是因為(wei) 鈦鐵礦處於(yu) 月球淺層，一般分布在月殼以下、月幔以上的區域，而玄武岩是月球深處月幔物質經高溫熔融產(chan) 生的岩漿噴發到月表，冷卻後凝固而成的一種岩石。因此在正常情況下，玄武岩中的鈦含量應該很低。徐偉(wei) 彪進一步解釋說，之所以會(hui) 出現高鈦玄武岩，可能是由於(yu) 鈦鐵礦比重較重，造成了月幔上重下輕的重力不穩定結構，鈦鐵礦經過翻轉下沉到深部月幔，經過熔融後，與(yu) 岩漿一起噴發出來，冷卻後被“封鎖”在了玄武岩中。

　　研究團隊結合此前在嫦娥五號月壤樣品中已經發現的低鈦、中鈦月海玄武岩大膽推測，嫦娥五號著陸區曆史上至少發生過3次火山噴發活動。徐偉(wei) 彪認為(wei) ，這一結論將為(wei) 研究月球演化提供重要線索，也有望解答月幔源區不同物質成分來源、火山岩漿形成的能量來源和月球晚期火山活動的精細時空分布規律等多項重要問題。

　　如果月球上曾經有過如此密集的火山噴發活動，那它們(men) 又是在何時停止的？嫦娥五號月壤樣品同樣給出了刷新過去認知的答案。在此之前，美國和蘇聯的月壤樣本，以及地球上的月球隕石研究都表明，月球的岩漿活動至少持續到大約28億(yi) 到30億(yi) 年前。

　　由中國科學院地質與(yu) 地球物理研究所和國家天文台主導，多家研究機構團隊聯合對嫦娥五號月壤樣品展開研究。他們(men) 利用超高空間分辨率鈾—鉛定年技術，對嫦娥五號月壤樣品玄武岩岩屑中50餘(yu) 顆富鈾礦物進行分析，確定其形成年齡約為(wei) 20.3億(yi) 年，這意味著月球直到20億(yi) 年前仍存在岩漿活動，將以往月球樣品限定的岩漿活動停止時間向後推遲了約8億(yi) —9億(yi) 年。

　　除了岩漿活動，嫦娥五號月壤樣品研究也為(wei) 我國科研人員“看清”太空風化作用機製提供了重要參考。中國科學院地質與(yu) 地球物理研究所的研究團隊利用單顆粒樣品操縱、掃描電鏡形貌觀察、聚焦離子束精細加工、透射電鏡結構解析等一係列分析方法，獲得了單個(ge) 嫦娥五號月壤顆粒表麵的矽酸鹽、氧化物、磷酸鹽和硫化物的太空風化作用信息。通過與(yu) 來自月球低緯度地區的美國阿波羅計劃月壤樣品的分析結果進行對比，研究人員發現，嫦娥五號月球樣品和阿波羅樣品的表層微觀結構特征沒有表現出較大的差異。這能夠幫助我們(men) 更好地認識月球中緯度的太空風化作用，也為(wei) 月球遙感光譜校正模型在月球中緯度的適用性提供了支撐。

　　今年6月，中國地質大學地球科學學院地球化學係教授宗克清和汪在聰與(yu) 合作者在嫦娥五號月壤化學成分研究方麵取得了重要進展：他們(men) 在2毫克和4毫克樣品消耗量的條件下，對不同批次的嫦娥五號表取月壤中48種主量和微量元素同時進行了準確測定，並詳細討論了嫦娥五號月壤樣品的均一性、外來物質加入量以及著陸區玄武岩的成因。

　　研究人員對兩(liang) 批月壤樣品的7次分析結果揭示嫦娥五號月壤樣品在毫克水平上非常均一，與(yu) 遙感預測值基本一致。除了極個(ge) 別元素(鎳)外，嫦娥五號月壤的主量和微量元素含量與(yu) 其中玄武岩玻璃和岩屑的元素含量高度一致，表明嫦娥五號著陸區所在的風暴洋北部月海區域受到外來高地物質和KREEP(富鉀、稀土和磷的一種月球物質)衝(chong) 擊後混入的量非常有限。

　　該研究係統評估了嫦娥五號月壤的化學組成，定量分析了月壤中外來物質的混入量，為(wei) 認識月球年輕岩漿活動和後期改造過程提供了新的製約。