从月球土壤的微观矿物结构和化学成分探索月球形成的真相

选择具有电子能量损失谱的高分辨率透射电子显微镜和原位微区二次离子质谱进行研究。注重微观尺度矿物结构和化学成分的紧密结合来研究月球样品，这是我们区别于国内其他研究机构的主要特点。

中国科学院广州地球化学研究所夏晓萍研究员

月球土壤研究的探讨

研究人员在三个透明的小瓶子里收集了几块不起眼的米粒大小的黑色石头和一点点黑色粉末，放入实验室的手套箱里。手套箱里装满了氮气，以保护小石头和粉末免受空气污染。

这不是普通的小石头和粉末，它们是珍贵的“悄悄话”。7月12日，国家航天局探月与航天工程中心在北京国家天文台举行嫦娥五号任务首批月球科研样品发放仪式，13家科研机构成为首批开展嫦娥五号月球科研样品研究的单位。中国科学院广州地球化学研究所(以下简称广州地球化学研究所)获得了嫦娥五号月球的三个样品，包括一个月球土壤粉末样品和两个岩屑样品。

月球形成的真相是什么？通过对嫦娥五号月球样品的研究，能发现月球土壤特殊的矿物成分和化学成分吗？带着这些疑问，广州地球化学研究所的研究团队将开始月球土壤的研究之旅。

样品可以原封不动地退回

1972年，美国总统尼克松访华时，向中国赠送了1克月球样品。其中一半用于展览，另一半被科学家用于研究。广州地球化学研究所是我国最早开展月壤研究的科研单位之一。

“美国的月壤样本是从6个月球着陆点采集的，而苏联的月壤样本是从3个月球着陆点采集的。中国嫦娥五号选择的采样点与美国和苏联不同。不同地区获得的样品具有不同的地质背景。”广州地球化学研究所研究员朱建喜说。

众所周知，嫦娥五号采样点附近的火山活动更为活跃，持续时间更长，是研究月球内部能量耗损，全面了解月球地质演化历史的理想场所。这意味着，对嫦娥五号月球样品的研究很可能会获得与以往不同的研究成果，这将对人类进一步认识月球具有独特的科研价值，也将为预测地球未来命运提供重要的科研数据。

目前还没有国家采集过月球内部的基岩，之前采集的所有月球样品都来自覆盖在月球表面的砾石头。

“月球上没有水和空气。白天温度高达100摄氏度，晚上降至零下200摄氏度。昼夜温差巨大，月球岩石容易解体，所以月球表面有很多砾石头。”朱建西介绍。此外，在过去的40亿年里，大量陨石不断撞击月球，砸碎月球岩石并“制造”大量砾石。

广州地球化学研究所研究员夏晓萍说，一般来说，月球土壤与地球土壤不同，其颗粒一般都很小。“我们研究团队获得的嫦娥五号月球三个样品，主要由辉石、橄榄石、长石等矿物组成。粉末样品的重量为100毫克，另外两个岩屑样品的重量分别为60.5毫克和137.3毫克”。

围绕这些月球样品，广州地球化学研究所的研究团队将重点关注两个方面：一方面是月球土壤是如何形成的，另一方面是从这些样品中，找到能够揭示月球演化过程的重要线索。

月球样本数量这么少，够研究吗？“由小见大，见微知著。要研究一座山的物质组成，你不需要

“嫦娥五号的月球样品来之不易，非常珍贵。”夏晓萍说，“我们的研究原则是尽可能保持样品的完整性，基本不丢失样品，几乎原封不动地归还，这有利于今后进一步研究分析，充分发挥这些珍贵样品的最大价值。"

两个“利器”有助于微观研究

对于如何开展研究，夏晓萍表示：“我们主要选择无损或微损失样品分析手段——高分辨率透射电子显微镜结合电子能量损失谱和原位微区二次离子质谱进行研究。注重微观尺度矿物结构和化学成分的紧密结合来研究月球样品，是我们区别于国内其他研究单位的主要特征。”

月球表面的一个重要特征是广泛分布的细粒月壤，厚度在几十到几百米。美国阿波罗计划采集的样本显示，这些月壤大部分只有0.1-0.4微米大小，大部分比我们平时关注的PM2.5小很多。

“根据我们的初步了解，我国嫦娥五号的月球样品甚至比阿波罗的还要小。是什么因素导致月壤有这种极细的颗粒形状？如此细粒的月壤是由哪些特殊矿物组成的？嫦娥五号月球样品记录的月面环境演化历史是怎样的？这些都是我们想要回答的科学问题。”朱建西说。

他说，该团队将研究月球样品的纳米矿物学特征，考察宇宙射线侵蚀强度和撞击诱发矿物的组成、形态、变形特征和阶段，寻找高压矿物和含铀物质，并利用同位素测年和热释光测年揭示撞击温度和压力的演化历史，讨论它们是否能反映月球的演化以及这些因素对月壤形成的影响。

探索月球的形成和演化

关于月球的形成，大撞击假说目前被科学界广泛接受。大撞击假说认为，月球是由一部分与地球分离的物质受到外来天体撞击融化后凝结而成。这一假说的主要证据是地球和月球的氧同位素组成相似，以及阿波罗样品中普遍缺乏挥发性物质。

“大撞击假说认为，撞击产生的高温导致大部分挥发性元素流失，挥发性成分极度流失。10多年前，科学家基本认为月球内部和表面都没有水，而且非常干燥。然而，近年来的月球探测表明，月球内部和表面都有一定量的水。”夏晓萍说。

研究表明，一些月球矿物含有结构水，即月球的北极还发现了水冰，月球陨石坑即使在阳光照射下也有自由水的红外光谱。因此月球到底是干的还是湿的，目前仍争论不休，这也影响到大撞击假说是否成立。

“从月壤样品中探求月球的形成和演化过程是我们的研究方向之一。我们计划用原位微区二次离子质谱法测定样品的挥发份和挥发性元素的含量以及同位素组成。”夏小平阐释道，“大撞击模型推测月球的挥发性元素会变成气体逃逸出月球，氢和惰性气体应该完全丢失。我们将对样品中辉石、长石、橄榄石以及磷灰石等矿物进行挥发份含量和同位素测试，以讨论岩浆演化、去气等过程对我们观察到的月球样品挥发份含量的影响。”

原位微区二次离子质谱法是目前行星科学测定样品元素和同位素组成最先进的分析方法。广州地化所是国内为数不多拥有大型二次离子质谱仪的科研单位之一，对挥发份元素的分析研究是其特长所在。该所自主研发的分析方法将该仪器测试水含量的背景值降低到百万分之一，达到了世界同类实验室的先进水平。

夏小平进一步介绍，岩浆演化可以导致挥发份富集从而使科研人员高估月球本身的水含量，去气作用会导致挥发份在月球表面后期丢失，从而使科研人员低估月球本身的水含量。通过原位微区剖面挥发份含量和同位素的同时分析可以识别这些作用的影响。另外，结合同位素分析还可以识别月球形成后陨石撞击、太阳风和地球风带来的外来水的影响。

同时，团队还将着重研究月球样品里的金属小颗粒，通过研究金属小颗粒里的三氧同位素组成成分，寻找太阳系原始星云的同位素组成。