從 " 月宮 " 瀟灑走一回，嫦娥五號成功帶回星際 " 土特產 " —— 1731 克月球樣品。首批樣品于 2021 年 7 月 12 日向國內科學家發(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用系統(tǒng)

微塵有玄機

月壤是月球表面廣泛分布的一層非常細粒的風化產物。著陸探測月面實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 10-15 米。目前，科學家研究的月球樣品，包括巖石和月壤，其實都采自月壤層。地球土壤的形成是各種地質營力綜合作用的結果，基巖經歷物理風化、化學風化以及獨一無二的生物風化過程從而發(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致的機械破碎、翻耕、混合占據了主導作用，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，物理及化學性質也因此發(fā)生改變——科學家將這一系列過程形象地描述為 " 太空風化 "，受太空風化較為嚴重的月壤則稱為 " 成熟 " 月壤。

嫦娥五號采集回來的 1731 克月球 " 土特產 "，來自風暴洋東北部玄武巖單元上發(fā)育的月壤層，主要由當?shù)鼗鶐r（玄武巖熔巖）破碎和風化形成。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)，導致物質混雜的結果。

但實驗室研究表明嫦娥五號月壤中外來物質的比例很低，只有 5% 左右。從嫦娥五號月壤的光學照片可以看出，嫦娥五號月壤呈灰黑色色調，且顆粒較細。實驗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)阿波羅月壤更加細粒。微隕石持續(xù)的撞擊會使得月壤變得更加細粒，因此月壤粒徑也是成熟度的一個指標，嫦娥五號月壤較細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?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

在結構上，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構的差異：巖屑 1 質地較細，斜長石和鈦鐵礦成板條狀，并相互交叉在一起，而輝石填補空隙；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更加破碎，導致月壤更加細粒；另一方面，高速撞擊過程中產生的大量熱量也會融化月表物質，從而將小尺寸巖屑、礦物碎片膠結在一起，形成粘結集塊巖，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集塊巖中，黑色有光澤的就是玻璃質物質。

如前所述，嫦娥五號著陸區(qū)遠離阿波羅著陸區(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，正好填補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鍵證據；再比如填補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照片。來源／月球樣品信息數(shù)據庫

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。

關于這個問題，我國科研工作者進行了深入的研究，例如：鑒于嫦娥五號著陸區(qū)位于風暴洋區(qū)域（風暴洋 - 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，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，因此它更加容易發(fā)生熔融；此外，巖石質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，尚需進一步研究。但可以預見的是不論最終何種機制導致了月球的火山活躍期如此持久，相關研究都會極大促進我們對月球乃至整個太陽系類地行星演化的理解。

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

星際快遞，未來可期

作為將近半個世紀以來的首次月球采樣返回探測任務，嫦娥五號任務實現(xiàn)了對月球正面西部年輕玄武巖單元的取樣。實驗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，月球內部可能比之前想象的溫度更高，革新了我們對月球的科學認知。與以往的月球樣品相比，嫦娥五號樣品具有更加細粒、富鐵釷元素等特征，這也印證了嫦娥五號樣品的獨特性，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，我國嫦娥六號任務將實現(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備當中，長期駐留的月球科研站也進入了實質性論證階段。相信在不久的將來，會有越來越多新的月球樣品供科學家們來分析，推動認識月球、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目的資助。

作者簡介：

喬樂，山東大學（威海）空間科學與物理學院，副研究員，碩導。研究方向：月球遙感及地質學。

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

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

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

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