嫦娥五号带回的月球“土特产”，藏着什么秘密？
本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：乔乐、尹承翔、陈剑、付晓辉、凌宗成，编辑：缓缓、怀尘，原文标题：《微尘有玄机》，题图来自：视觉中国
从“月宫”潇洒走一回，嫦娥五号成功带回星际“土特产”——1731克月球样品。首批样品于2021年7月12日向国内科学家发放，新成果竞相涌现。
嫦娥五号拍摄的月面全景照片。来源／月球与行星探测工程地面应用系统
微尘有玄机
月壤是月球表面广泛分布的一层非常细粒的风化产物。着陆探测月面实地勘察以及遥感影像研究表明几乎整个月球表面都被月壤覆盖，只有在一些特别陡峭的撞击坑坑壁及陡坎等处，才有基岩出露。年轻的月海区域月壤厚度一般为4-5米，而古老的高地区域可以达10-15米。目前，科学家研究的月球样品，包括岩石和月壤，其实都采自月壤层。地球土壤的形成是各种地质营力综合作用的结果，基岩经历物理风化、化学风化以及独一无二的生物风化过程从而发生破碎、分解形成土壤。
而月球上高度真空以及非常干燥缺水的环境决定了月壤与地球土壤截然不同的形成过程，在月壤形成过程中，来自外太空的陨石高速撞击导致的机械破碎、翻耕、混合占据了主导作用，月壤形成之后还会受到各种来自太阳及宇宙的微小粒子的持续轰击，物理及化学性质也因此发生改变——科学家将这一系列过程形象地描述为“太空风化”，受太空风化较为严重的月壤则称为“成熟”月壤。
嫦娥五号采集回来的1731克月球“土特产”，来自风暴洋东北部玄武岩单元上发育的月壤层，主要由当地基岩（玄武岩熔岩）破碎和风化形成。月壤中通常包含一些外来组分，这是由于月球上撞击作用频发，导致物质混杂的结果。
但实验室研究表明嫦娥五号月壤中外来物质的比例很低，只有5%左右。从嫦娥五号月壤的光学照片可以看出，嫦娥五号月壤呈灰黑色色调，且颗粒较细。实验室月壤粒度分析显示，95%嫦娥五号月壤粒径处于1.40-9.35微米范围（平均粒径为3.96微米），属于粘土-粉砂类。
嫦娥五号采样区周围60×60千米区域图像。原始数据来源／Kaguya TC
值得一提的是，嫦娥五号月壤比大多数阿波罗月壤更加细粒。微陨石持续的撞击会使得月壤变得更加细粒，因此月壤粒径也是成熟度的一个指标，嫦娥五号月壤较细的粒径揭示了其较高的成熟度。
嫦娥五号月壤既然主要由当地玄武岩破碎形成，那么在其中发现玄武岩碎片便不足为奇了。我国科研工作者在嫦娥五号月壤中识别出了大量的玄武岩岩屑。在代表性玄武岩岩屑的光学照片中可以看到，组成玄武岩的暗色矿物（富含镁、铁等元素，如辉石、橄榄石和钛铁矿）与亮色矿物（镁、铁含量较低，硅和铝含量较高，如斜长石）。
嫦娥五号两颗玄武岩岩屑背散射电子图像（A和B）和元素丰度假彩色图（C和D，硅=蓝色，镁=绿色，铁=红色，铝=白色，钙=黄色，钛=粉色，钾=青色）。来源／车晓超等
在结构上，这些玄武岩岩屑表现出多样性。在玄武岩岩屑的背散射电子图像中，可以明显看出两颗玄武岩岩屑之间结构的差异：岩屑1质地较细，斜长石和钛铁矿成板条状，并相互交叉在一起，而辉石填补空隙；岩屑2颗粒更为粗大，辉石、长石和钛铁矿都主要呈块状。
任何事物都有两面性，撞击作用也不例外。一方面，撞击作用使得组成月壤的物质更加破碎，导致月壤更加细粒；另一方面，高速撞击过程中产生的大量热量也会融化月表物质，从而将小尺寸岩屑、矿物碎片胶结在一起，形成粘结集块岩，这在某种程度上又增加了月壤的粒径。嫦娥五号月壤的粘结集块岩中，黑色有光泽的就是玻璃质物质。
如前所述，嫦娥五号着陆区远离阿波罗着陆区，其采集回来的玄武岩样品也与阿波罗玄武岩自然也有所差别。嫦娥五号玄武岩比以往任何采样任务返回的玄武岩样品都要年轻，即便将月球陨石的年龄考虑进去，嫦娥五号玄武岩也成功将月球火山喷发活动停止时间推迟了8-9亿年，首次从样品的角度证明月球在20亿年前还“活跃着”。
嫦娥五号玄武岩和阿波罗玄武岩在化学成分上也有所区别。阿波罗玄武岩钛含量变化范围巨大，但表现出明显的双峰性（中钛玄武岩缺乏）。轨道遥感数据反演表明月海玄武岩钛含量是连续分布的，这印证了阿波罗样品并不具有全月代表性。
嫦娥五号玄武岩落在中钛范围内，正好填补了阿波罗样品的空白。此外，嫦娥五号玄武岩还非常富集铁和钍元素，代表了一类极富铁的玄武岩，而其接近5ppm（百万分之一）的钍含量，几乎高于除克里普玄武岩（月球上一类较为特殊的玄武岩，富稀土、钍等元素）之外的任何玄武岩。
科学发展最重要的不是解决问题，而是发现问题。诚然，嫦娥五号解决了一系列关键问题，比如确定了月球在20亿年前还活跃着，为研究月球撞击历史及演化提供了关键证据；再比如填补了阿波罗样品的空白，首次返回了中钛玄武岩样品，从样品角度印证了月海玄武岩钛含量分布的连续性。
嫦娥五号玄武岩岩屑光学照片。来源／月球样品信息数据库
但嫦娥五号也抛出了一个更大的问题，为什么月球的“火山活跃期”可以持续到20亿年前？月球半径约是地球的三分之一，更小的体积也就意味着月球更加容易散失热量。
关于这个问题，我国科研工作者进行了深入的研究，例如：鉴于嫦娥五号着陆区位于风暴洋区域（风暴洋-克里普地体的重要组成部分，遥感研究表明该地体富集钍元素），首先考虑的便是嫦娥五号玄武岩岩浆源区中生热元素（如钍、铀等）的放射性衰变会源源不断地提供热量，但“溯源”研究表明，嫦娥五号玄武岩源区中生热元素含量并不高；水的存在可以显著降低熔点，使得月幔更加容易发生熔融，这也是月幔得以在20亿年前发生熔融的潜在原因之一，但关于月幔水含量的研究揭示嫦娥五号月幔源区非常干燥；一些科研工作者还提出，嫦娥五号玄武岩源区可能富集单斜辉石，由于单斜辉石有着较低的熔点，因此它更加容易发生熔融；此外，岩石质的月壳在一定程度上具有隔热作用，这同样会使得月幔冷却速率变慢。
总而言之，目前关于月球在20亿年前为什么还会有大规模的岩浆活动这个问题，还没有明确答案，尚需进一步研究。但可以预见的是不论最终何种机制导致了月球的火山活跃期如此持久，相关研究都会极大促进我们对月球乃至整个太阳系类地行星演化的理解。
嫦娥五号月壤光学照片。来源／李春来等（左图），月球样品信息数据库（右图）
星际快递，未来可期
作为将近半个世纪以来的首次月球采样返回探测任务，嫦娥五号任务实现了对月球正面西部年轻玄武岩单元的取样。实验室高精度样品分析发现，这些样品形成于距今约20亿年之前的火山喷发作用，比之前的玄武岩样品年轻了将近10亿年，说明月球在演化晚期阶段仍然存在大规模火山喷发活动，月球内部可能比之前想象的温度更高，革新了我们对月球的科学认知。与以往的月球样品相比，嫦娥五号样品具有更加细粒、富铁钍元素等特征，这也印证了嫦娥五号样品的独特性，这是我们更加深入研究月球的珍贵素材。
展望未来，嫦娥五号任务可以说是未来探月热潮的一个开端。2024年中期，我国嫦娥六号任务将实现人类首次月球背面取样返回探测，未来几年，美国的阿耳忒弥斯计划也将实现对月球南极地区的载人登陆和取样采样，我国的载人登月探测也在积极筹划与准备当中，长期驻留的月球科研站也进入了实质性论证阶段。相信在不久的将来，会有越来越多新的月球样品供科学家们来分析，推动认识月球、利用月球创新发展，为探索浩瀚宇宙不懈追求。
致谢：本文受到了中国科协2022年度研究生科普能力提升项目的资助。
作者简介：
乔乐，山东大学（威海）空间科学与物理学院，副研究员，硕导。研究方向：月球遥感及地质学。
尹承翔，山东大学（威海）空间科学与物理学院，硕士生。研究方向：月球与火星样品分析。
陈剑，山东大学（威海）空间科学与物理学院，博士后。研究方向：月球光谱学与物质成分。
付晓辉，山东大学（威海）空间科学与物理学院，教授，博导。研究方向：月球与行星表面地质过程。
凌宗成，山东大学（威海）空间科学与物理学院，教授，博导。研究方向：行星光谱遥感与深空探测。
本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：乔乐、尹承翔、陈剑、付晓辉、凌宗成，编辑：缓缓、怀尘
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