科學(xué)家從月壤里“挖”出了這些寶

都芃

發(fā)現(xiàn)嫦娥石、找到月壤水……在秋高氣爽的金秋時節(jié)，月壤研究也迎來了大豐收，一系列有關(guān)嫦娥五號月壤樣品的最新研究成果相繼發(fā)表，人們對于距離我們最近的“鄰居”——月球的認(rèn)知不斷得到刷新。

從2020年12月嫦娥五號返回器攜帶1731克月壤樣品成功返回地面至今，共計有4批50余克月壤樣品被分發(fā)至了100多個科研團(tuán)隊，研究范圍涉及月球地質(zhì)演化歷史、月球資源分析等。

正是透過這些細(xì)微、不起眼的月壤，月球的神秘面紗正在被一點(diǎn)點(diǎn)揭開。

挖掘月球的潛在價值

今年9月9日，國家航天局、國家原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合宣布，來自中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（以下簡稱核地研院）的研究團(tuán)隊首次在月球上發(fā)現(xiàn)新礦物，并命名為“嫦娥石”。“嫦娥石”也是人類發(fā)現(xiàn)的第六種月球新礦物，其單晶顆粒的粒徑只有10微米大小，不到一根頭發(fā)絲直徑的1/10。

核地研院月球研究團(tuán)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(xué)成分一致的，地球巖石中至今還未發(fā)現(xiàn)。這也證明了“嫦娥石”形成的環(huán)境和條件不同于地球。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(rèn)識月球起源與演化意義重大。此外，“嫦娥石”所含的高含量稀土是否具有開發(fā)價值，也值得進(jìn)一步研究。

不僅是“嫦娥石”，核地研院的研究團(tuán)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(shù)。氦-3一直被視為未來重要的清潔聚變資源之一。而月球則是儲存氦-3的天然“倉庫”。核地研院第一批月球樣品使用責(zé)任人黃志新介紹，目前的核聚變實(shí)驗(yàn)主要利用氘—氚反應(yīng)來開展，但這種方式的核聚變會產(chǎn)生中子，具有一定危害性。而以氦-3為原料的聚變過程不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，并且反應(yīng)釋放的能量更大，堪稱是未來的完美能源。氦-3雖好，但在地球上卻儲量極低。氦-3的主要來源是太陽風(fēng)，由于受地球磁場和大氣的阻擋，能夠到達(dá)地球的氦-3微乎其微。但與地球相反的是，月球由于缺少大氣層保護(hù)，常年受太陽風(fēng)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，在月球上卻儲量驚人。探月工程首任首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽自遠(yuǎn)曾估算，月壤中的氦-3含量可滿足長達(dá)萬年的地球能源需求。黃志新表示，對嫦娥五號月壤樣品中氦-3含量及最佳提取參數(shù)的測定，將為中國后續(xù)對月球氦-3資源的遙感預(yù)測、總量估算、未來開發(fā)和經(jīng)濟(jì)評價提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

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(tuán)隊在詳細(xì)分析嫦娥五號月壤樣品中的元素和礦物結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，月壤中的一些活性化合物具有良好的催化性能。研究團(tuán)隊以其為催化劑，利用人工光合成技術(shù)，借助模擬太陽光，成功將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為了氧氣、氫氣、甲烷、甲醇。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊還進(jìn)一步提出了利用月壤實(shí)現(xiàn)地外人工光合成的策略與步驟。該研究主要負(fù)責(zé)人之一、南京大學(xué)教授姚穎方表示，如果將月壤提取成分作為月球上的人工光合成催化劑，未來也許只需要月球上的太陽能、水和月壤，便能產(chǎn)生氧氣和碳?xì)浠衔铮瑢?shí)現(xiàn)低能耗和高效能量轉(zhuǎn)換，為建立適應(yīng)月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)提供潛在方案。同時姚穎方也指出，目前月壤的催化效率低于地球上可用的催化劑，但研究團(tuán)隊接下來將對月壤中的有效催化成分進(jìn)行分離、提煉，力求得到更好的催化效果，并爭取實(shí)現(xiàn)地外人工光合成技術(shù)在未來航天計劃中的搭載試驗(yàn)，從而進(jìn)行真實(shí)環(huán)境驗(yàn)證。

探尋月球水的真正成因

水作為生命之源，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，一系列觀測數(shù)據(jù)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(yuǎn)鏡或探測器遠(yuǎn)遠(yuǎn)給月球“相個面”，證實(shí)其“命中有水”外，人類還沒有真的從月壤中直接發(fā)現(xiàn)水。但就在不久前，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所的唐紅、李雄耀團(tuán)隊發(fā)表的相關(guān)研究結(jié)果證實(shí)，嫦娥五號月壤樣品礦物表層中存在大量的太陽風(fēng)成因水，為月球有水再添“實(shí)錘”。

水不會憑空產(chǎn)生，那么月球上的水是從哪來的？關(guān)于這一問題，科學(xué)界目前主要認(rèn)為，月球水可能來自月球內(nèi)部巖漿或外部太陽風(fēng)，彗星、流星體和微流星體的撞擊。但紅外光譜數(shù)據(jù)顯示，整個月球表面都有水的分布，而月球上的水若來自月球內(nèi)部巖漿或來自外部天體撞擊的話，其在月球表面的分布將會十分不均，這似乎無法解釋為何水會遍布月球表面。因此，科學(xué)家普遍認(rèn)為太陽風(fēng)是月球水的主要來源之一。太陽風(fēng)中含有帶正電的氫離子，當(dāng)其不斷轟擊月球表面時，其中的氫離子會與月表物質(zhì)中的氧原子結(jié)合，從而在整個月球表面生成羥基或水分子，這樣便可解釋為何整個月球表面都有水的存在。

此次唐紅、李雄耀團(tuán)隊的研究便圍繞著月壤中的太陽風(fēng)成因水展開。研究團(tuán)隊運(yùn)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(jié)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(fēng)成因水，估算其水含量至少為170ppm（1ppm為百萬分之一），這一數(shù)值顯著高于月球內(nèi)部的水含量;并且分析結(jié)果還顯示，月壤中水含量的差異主要?dú)w因于測試深度的差異，礦物中的水主要分布在極表層內(nèi)，并且其氫同位素比值與太陽風(fēng)的十分接近，主要以羥基的形式存在。這些證據(jù)全部有力證實(shí)了，太陽風(fēng)質(zhì)子注入就是嫦娥五號采樣地區(qū)月壤中水的主要來源。

雖然整個月球表面都有水的存在，但并不意味著月球上每個區(qū)域月壤的水含量都相同。一部分的太陽風(fēng)成因水會在太陽的照射下“蒸發(fā)”，還有一部分則會遷移并沉降到溫度極低的兩極永久陰影區(qū)，經(jīng)過漫長的地質(zhì)活動后形成大量水冰。而此次嫦娥五號月壤樣品的研究結(jié)果也顯示，由于月表存在翻騰作用，月壤顆粒暴露在太陽風(fēng)中的時間不同，導(dǎo)致了礦物中注入的太陽風(fēng)質(zhì)子總量不同，進(jìn)而也會致使不同區(qū)域月壤中的太陽風(fēng)成因水含量不同。通過對嫦娥五號采樣地區(qū)月壤成熟度的測定，結(jié)合此前遙感探測發(fā)現(xiàn)的月表中緯度地區(qū)太陽風(fēng)成因水與月壤成熟度正相關(guān)這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊進(jìn)一步提出，在與嫦娥五號采樣區(qū)有著相似月壤成熟度的月表中緯度地區(qū)，其月壤中的太陽風(fēng)成因水含量應(yīng)大致相同。而在月壤成熟度更高的如風(fēng)暴洋西北側(cè)高地，其月壤中的水含量可能更高。這一看法不僅為未來月表水資源利用提供了重要依據(jù)，也為探索太陽系內(nèi)其他無大氣天體，如水星、小行星等表層土壤中的太陽風(fēng)成因水的形成機(jī)制和分布規(guī)律提供了重要參考。

此外，嫦娥五號月壤樣品中能夠發(fā)現(xiàn)水，很大程度上得益于其采樣地點(diǎn)的獨(dú)特。嫦娥五號的月壤樣品采樣地點(diǎn)位于月球最大的月海——風(fēng)暴洋的東北部，這里以前從未有人踏足，與以往別國任務(wù)的采樣點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)。而同位素定年結(jié)果更是表明，該區(qū)域月壤樣品的年齡約為20億年，是目前獲得的最年輕的月壤樣品。更為重要的是，嫦娥五號月壤樣品中的主要組成物質(zhì)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(fēng)成因水儲量的最佳載體。

推演月球的來龍去脈

作為地球唯一的天然行星，月球地質(zhì)活動的歷史一直是科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。通過對嫦娥五號月壤樣品的深入研究，許多此前關(guān)于月球地質(zhì)活動模棱兩可的問題，如今有了更為清晰的答案。

中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員徐偉彪及其行星化學(xué)科研團(tuán)隊聯(lián)合南京地質(zhì)古生物研究所，對月球樣品進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，樣品中有極高含量的高鈦玄武巖。研究團(tuán)隊據(jù)此推測，嫦娥五號月球著陸區(qū)或曾有多次火山噴發(fā)。

徐偉彪表示，在目前所有收集到的月球隕石中基本沒有發(fā)現(xiàn)高鈦玄武巖，這是因?yàn)殁佽F礦處于月球淺層，一般分布在月殼以下、月幔以上的區(qū)域，而玄武巖是月球深處月幔物質(zhì)經(jīng)高溫熔融產(chǎn)生的巖漿噴發(fā)到月表，冷卻后凝固而成的一種巖石。因此在正常情況下，玄武巖中的鈦含量應(yīng)該很低。徐偉彪進(jìn)一步解釋說，之所以會出現(xiàn)高鈦玄武巖，可能是由于鈦鐵礦比重較重，造成了月幔上重下輕的重力不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，鈦鐵礦經(jīng)過翻轉(zhuǎn)下沉到深部月幔，經(jīng)過熔融后，與巖漿一起噴發(fā)出來，冷卻后被“封鎖”在了玄武巖中。

研究團(tuán)隊結(jié)合此前在嫦娥五號月壤樣品中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的低鈦、中鈦月海玄武巖大膽推測，嫦娥五號著陸區(qū)歷史上至少發(fā)生過3次火山噴發(fā)活動。徐偉彪認(rèn)為，這一結(jié)論將為研究月球演化提供重要線索，也有望解答月幔源區(qū)不同物質(zhì)成分來源、火山巖漿形成的能量來源和月球晚期火山活動的精細(xì)時空分布規(guī)律等多項重要問題。

如果月球上曾經(jīng)有過如此密集的火山噴發(fā)活動，那它們又是在何時停止的？嫦娥五號月壤樣品同樣給出了刷新過去認(rèn)知的答案。在此之前，美國和蘇聯(lián)的月壤樣本，以及地球上的月球隕石研究都表明，月球的巖漿活動至少持續(xù)到大約28億到30億年前。

由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和國家天文臺主導(dǎo)，多家研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊聯(lián)合對嫦娥五號月壤樣品展開研究。他們利用超高空間分辨率鈾—鉛定年技術(shù)，對嫦娥五號月壤樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物進(jìn)行分析，確定其形成年齡約為20.3億年，這意味著月球直到20億年前仍存在巖漿活動，將以往月球樣品限定的巖漿活動停止時間向后推遲了約8億～9億年。

除了巖漿活動，嫦娥五號月壤樣品研究也為我國科研人員“看清”太空風(fēng)化作用機(jī)制提供了重要參考。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的研究團(tuán)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(xì)加工、透射電鏡結(jié)構(gòu)解析等一系列分析方法，獲得了單個嫦娥五號月壤顆粒表面的硅酸鹽、氧化物、磷酸鹽和硫化物的太空風(fēng)化作用信息。通過與來自月球低緯度地區(qū)的美國阿波羅計劃月壤樣品的分析結(jié)果進(jìn)行對比，研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月球樣品和阿波羅樣品的表層微觀結(jié)構(gòu)特征沒有表現(xiàn)出較大的差異。這能夠幫助我們更好地認(rèn)識月球中緯度的太空風(fēng)化作用，也為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(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系教授宗克清和汪在聰與合作者在嫦娥五號月壤化學(xué)成分研究方面取得了重要進(jìn)展：他們在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(jìn)行了準(zhǔn)確測定，并詳細(xì)討論了嫦娥五號月壤樣品的均一性、外來物質(zhì)加入量以及著陸區(qū)玄武巖的成因。

研究人員對兩批月壤樣品的7次分析結(jié)果揭示嫦娥五號月壤樣品在毫克水平上非常均一，與遙感預(yù)測值基本一致。除了極個別元素（鎳）外，嫦娥五號月壤的主量和微量元素含量與其中玄武巖玻璃和巖屑的元素含量高度一致，表明嫦娥五號著陸區(qū)所在的風(fēng)暴洋北部月海區(qū)域受到外來高地物質(zhì)和KREEP（富鉀、稀土和磷的一種月球物質(zhì)）沖擊后混入的量非常有限。

該研究系統(tǒng)評估了嫦娥五號月壤的化學(xué)組成，定量分析了月壤中外來物質(zhì)的混入量，為認(rèn)識月球年輕巖漿活動和后期改造過程提供了新的制約。