發(fā)現(xiàn)嫦娥石、找到月壤水……通過嫦娥五號返回器攜帶1731 克月壤樣品正在被研究，研究范圍涉及月球地質(zhì)演化歷史、月球資源分析等。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。

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。

據(jù)悉，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(jì)有4 批50 余克月壤樣品被分發(fā)至100 多個科研團(tuán)隊(duì)，研究范圍涉及月球地質(zhì)演化歷史、月球資源分析等。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）的月球研究團(tuán)隊(duì)首次在月球上發(fā)現(xiàn)新礦物，并命名為“嫦娥石”?！版隙鹗币彩侨祟惏l(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(duì)牽頭人李子穎表示，地球巖石中尚未找到和“嫦娥石”化學(xué)成分一致的礦物質(zhì)，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。

除了“嫦娥石”，核地研院月球研究團(tuán)隊(duì)還首次成功獲得了嫦娥五號月壤樣品中氦- 3的含量和提取參數(shù)。核地研院第一批月球樣品使用責(zé)任人黃志新介紹，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 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。而月球由于缺少大氣層保護(hù)，長期受太陽風(fēng)吹拂，且月壤中的鈦鐵礦對氦- 3 有較好的儲存作用，因此氦- 3 在月球上儲量驚人。據(jù)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)估算，月壤中的氦- 3 含量可滿足地球長達(dá)萬年的能源需求。

除了存在潛在能源外，今年5 月，我國研究團(tuán)隊(duì)還在嫦娥五號月壤樣品中發(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(duì)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。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?，?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。

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。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(duì)通過研究證實(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，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。同時，研究顯示，月壤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，這說明太陽風(fēng)質(zhì)子注入是嫦娥五號月壤樣品中水的主要來源。

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)特性。嫦娥五號月壤樣品采樣地點(diǎn)位于月球最大的月?！L(fēng)暴洋的東北部，這里以前從未有人踏足。而同位素定年結(jié)果表明，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，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。

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。這是因?yàn)橐徊糠值奶栵L(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。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)而也導(dǎo)致不同區(qū)域月壤中的太陽風(fēng)成因水含量不同。同時，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出，在月壤成熟度更高的地區(qū)，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。

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)。中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員徐偉彪表示，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月壤樣品中有極高含量的高鈦玄武巖，這意味著嫦娥五號月球著陸區(qū)或發(fā)生過多次火山噴發(fā)。

徐偉彪表示，在目前所有找到的月球隕石中，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。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(duì)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)律等多個重要問題。

如果月球上曾經(jīng)有過如此密集的火山噴發(fā)活動，那它們是在何時停止的？多家研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)對嫦娥五號月壤樣品玄武巖巖屑中富鈾礦物進(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 至9 億年。