撩開“月壤”的神秘面紗

徐繼山

月壤之 形

月壤，究竟長什么樣呢？看上去這是個很簡單的問題，但分析起來，稍微有點復雜。從“嫦娥五號”探測器帶回的樣本來看，月壤呈現的是一種土黃色的散體狀態。奇怪的是，1978年美國曾贈送給我國1克月壤，這塊塊狀結構的月壤呈水泥灰色。然而，蘇聯取回的月壤顏色也是土黃色的。這是怎么回事呢？這是因為我國和美國在月球表面取樣的地點是不同的，這就好比地球上的土有黃土、紅土和黑土之分，其成土條件和成分不同，粒度、顏色等外觀狀態自然也不一樣。

先前，美國和蘇聯的取樣地點大都位于月球赤道附近。而我國“嫦娥五號”探測器的取樣地點，經過科學家多次計算和勘測，最終確定在月球正面的風暴洋北部。這個取樣地點更加靠近呂姆科山，大概在15億年前這片區域曾發生過火山活動。需要說明的是，月球是一顆很不活躍的衛星，大部分火山都活躍在30億～40億年前。所以，這片區域的月壤更加“年輕”，科研價值也更大。

月壤披覆在月球表面，籠罩著月陸、月海、山脈、月谷、環形山等各種地貌。月球上是不存在水的，這個“海”當然也是“枯海”，實際是低于月球表面的巨型低洼盆地。前文所說的“風暴洋”就是最大的月海，面積約為500萬平方千米。月陸，是較高的大面積區域，一般高出月海底面2～3千米，主要由淺色的斜長巖組成，反射率較高。正因如此，月球才有了“月亮”之名。環形山，是月球表面最顯著的地貌，直徑大于1千米的環形山有3萬多個，使得月亮表面如同患過“天花”一般，“麻坑”滿面。這些“坑”，絕大部分是隕石撞擊形成的，其余的一小部分是火山活動造成的。所以每一個“坑”，都見證著“磨難”。

?“阿波羅號”月壤取樣點（左）與“嫦娥五號”月壤取樣點（右）

“嫦娥五號”探測器著陸點

月球正面地貌圖

月球表面不同形態的撞擊坑：A.碗狀撞擊坑;B.內隆起型撞擊坑;C.平底型撞擊坑; D.同心型撞擊坑（據王世杰等，2007）

俗話說：“上天容易，入地更難。”雖然人類已經完成了登月與月壤取樣，但是目前尚無能力鉆透月壤層而直接測得它的厚度。在月球表面，有許多小一點的撞擊坑，這些小坑能間接幫助我們了解月壤厚度。經模擬試驗發現，當月壤厚度介于撞擊坑直徑的1/10～1/8時，可以形成“同心型”撞擊坑。這樣，根據月球表面不同區域各種“款型”的撞擊坑，就能大概推算出月壤的厚度分布了。根據測算，月壤厚度比較薄，大致在0.02～10米之間。

月壤之 質

在顯微鏡下，我們可以看到月壤是由巖石碎屑、粉末、角礫等形態的物質構成的，那些黑色的小顆粒，就是火山灰。還能看到一個非常有趣的現象——月壤顆粒具有氣泡狀的結構，這應當是在“撞擊—重熔”作用下形成的。

月壤呈現為松散結構，屬于殘余物或遷移物。不同于地球上風化作用產生的土，月球具有完全不同的內動力、外動力地質作用環境。在地球上，巖石受到的風化作用包括風、水、溫差變化等，它們把頑固的巖石變得支離破碎，最終形成一片散土。月球上的作用沒有這般豐富，卻顯得簡單而獨特。

從內動力作用來說，月巖的主要成分為玄武巖，它們是早期火山—巖漿活動的產物。玄武巖是黑色的，所以月球表面就是灰蒙蒙的顏色。月球的外動力主要為溫差作用，其晝夜溫差可達300℃，白天高達130℃，晚上低至-180℃。要知道地球上最大溫差才50℃左右。對此，有人覺得很奇怪，地球、月球與太陽的距離差不多，為何溫差這么大？關鍵在于月球沒有大氣層，它完全暴露在太陽的輻射下，不能散熱，也不能隔熱。例如，月球上的一塊石頭，陽光照到的一面，溫度就會陡然上升至最高，而背陰的一面卻處于極低溫的狀態，很容易被溫差風化。月球的一晝夜相當于地球上的一個月，再硬的石頭，也會猝然崩解，由巖成土。在漫長的歲月里，月壤的粒度會越來越小，甚至達到幾十微米（頭發絲粗細大小）。此外，還有隕石撞擊的影響，撞擊作用不僅能使月巖破裂，撞擊產生的高溫作用也會使巖石的碎片重新“熔合”在一起。所以，在顯微鏡下能夠看到玻璃狀的重熔態物質。

月壤顆粒的三維顯微結構

月壤“撞擊—重熔”作用示意圖

太陽風示意圖

月壤的礦物成分主要為斜長石、輝石和橄欖石，以及鈦鐵礦、二氧化硅等礦物。月壤中的化學元素在地球上皆有，從這一點上來說，也體現了地球與月球在物質上是統一的，科學家們甚至一度認為月球來自地球。在月壤諸多化學元素中，鐵是含量排在第一位的金屬元素。因為月球沒有氧氣，鐵元素處于一種高度還原的環境下，僅以二價鐵的狀態存在著。比如鈦鐵礦，它是一種灰黑色的礦物，從而在本質上決定了月壤的主色調。

月壤之 用

地月之間的距離有38萬千米之遙，往返一趟，不僅費時費力，而且還很燒錢。費盡心思取回這么一點點土，有用嗎？歸納起來，月壤的價值至少體現在以下3個方面：

一是科學研究。探月工程本身就是一項科學研究活動。關于月球，迄今還有許多懸而未決的問題，涉及月球地質學、撞擊坑年代學、月巖學、月壤學和月球動力學等學科。比如月球火山活動時限問題，先前研究認為遠古月球大約在43.5億年前開始發生火山活動，但是結束時間尚不明確;月壤中的相當一部分物質來自月球深部的月幔，取回月壤，就能由表及里推知它深部的情況;月壤中還有一部分外來物質（濺射物），分析這些物質，就能了解月球撞擊坑的具體年代。此外，還有許多其他問題等待著探取的土樣給出答案。

二是資源開發。與地球相比，月球有著獨特的演化環境和地質背景，其稀有資源非常豐富。比如氦-3，這種元素與氘在超高溫下可以發生核聚變，生成氦-4和質子（氫）。值得一提的是，這種聚變不產生中子，不存在輻射，完全無污染，是一種名副其實的清潔能源。氦-3主要來源于太陽風，因為月球沒有大氣層，能夠很好地“保管”這些資源。據推算，地球上的氦-3只有500千克，且十分分散，幾乎沒有開發價值;而月壤中的氦-3可達100萬噸，這個數量按照人類目前對能源的消耗水平，用上一兩萬年都不成問題。此外，月球還有相當豐富的鈦、鐵、稀土等元素，以及多種地球上沒有的礦物，如靜海石。依此看來，月球就是一座巨大的資源寶庫，等待著人類去開發。

三是戰略意義。探月工程是一個復雜的系統工程，它需要強大的科技力量作支撐，所取得的科研成果，又會反過來強烈推動科技的發展。實施探月工程，需要集合宇宙學、空間天文學、空間材料學等學科理論，帶動信息技術、遙感技術、新能源技術、新材料技術等高新技術的發展。事實上，20世紀美國之所以擁有領先于世界的科技水平，很大程度上來自對“阿波羅”探月工程技術的開發和應用。我國古代天文學成就卓然，現代航空航天事業的發展更是突飛猛進，中國人對星空的探索從未止步，也必將永無止境。

致謝：感謝國家自然科學基金（42042054、42177123）、中國礦業大學教學研究項目（2020YB20、2018ZX06）、中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目（2019YJSJG011）、地質工程專業國家一流專業建設點資助項目、江蘇高校優勢學科建設工程項目的支持。