星河月影，嫦娥五号——我与月的爱情信使

前天的推送中，我们讲述了《和月老师的爱情故事》。

今天，我们将一起解读嫦娥五号为您带回的，来自月亮的信息。

图片来源：科普中国

自2020年12月17日，嫦娥五号样品舱于内蒙古四子王旗成功着陆，并带回1731g月壤样品，实现了中国首次地外天体采样，人类时隔44年后再次带回新的月球样品。这是中国深空探测的重要里程碑，也开启了中国月球科学研究的新篇章。

1.采集月球样品的意义

人类对地外天体的认识可以分为三个阶段：天文观测，遥感或就位探测，样品返回。自1970年2月，在阿波罗11号首次返回样品，人类对月球的认识就发生发生质的飞跃。

Wood等科学家通过对研究阿波罗11号月壤样品的研究，发现1676颗月球岩屑中有约4%是由斜长石构成的斜长岩。为了解释斜长岩月壳的形成，Wood等提出了著名的岩浆洋理论（图1）：月球在形成初期，是大规模熔融的硅酸盐外层，即岩浆洋，随着月球的冷却，橄榄石和辉石率会先结晶，因其密度较大则会沉降在月球深部，形成原始月幔。当结晶到一定程度时（约60%-70%），斜长石开始结晶，由于密度小，会堆积在岩浆洋顶部，形成原始的斜长岩月壳(图1)。

图1 月球岩浆洋模型示意图

同时这个理论也可以解释克里普(KREEP)岩的形成，相容性元素会较早结晶，而相容元素含量不断升高，最终在月幔与月壳之间形成极富钾(K)、稀土元素(Rare-Earth Element)、磷(P)等元素的克里普岩。因此可以说月球样品对揭示月球形成与演化中起到了根本的作用。

图2 月球形成的大撞击理论模型示意图

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而月球是由行星撞击而撞击溅射物围绕地球吸积形成（图2）。这一学说之所以能被广泛接受，月球样品是功不可没的。科学家通过对月球样品成分的研究，发现月球整体上相对于地球是贫铁的，同时极度亏损挥发性元素。这一数据强有力的支持了“大撞击理论”，月球形成于星子忒伊亚（Theia）对地球的撞击后，撞击溅射物围绕地球的吸积。由于碰撞后产生了巨大热量，使挥发分逃逸。原始行星忒伊亚的铁核主要进入了地核，导致月球整体上相对于地球贫铁。

此外，月球样品在揭示月球撞击历史、月表物质组成和太空风化过程也发挥着不可替代的作用。

2. 嫦娥5号月球样品的特殊性

尽管人类对月壤样品的研究已有40之久，美国已经6次阿波罗任务（采样381.7kg）和苏联也有3次月球号任务（采样321g），但两国采样范围均落在低纬地区，且仅占月球表面的<8%面积。这很大程度限制了对月球的认识和研究。

2020年12月17日，我国的嫦娥五号在月球风暴洋西北部(43.06°N，51.92°W)采集1731g样品，该区域位于P58月海玄武岩单元内（P58指的是在风暴洋60个玄武岩单元中年龄从老到新排行第58的玄武岩单元）。该地远离美苏以往的采样区，其纬度更高，所采集到的样品也更年轻。

图3 (a) 月球形成和演化的时间线，LMO代表月球岩浆洋，KREEP代表克里普；(b)月海玄武岩单元及其撞击坑模式年龄；(c)采样位置：绿色-美国阿波罗号，蓝色-苏联月球号，红色-嫦娥五号

3. 月壤的性质和矿物组成

嫦娥五号采集的并不是玄武岩，而是覆盖在玄武岩基岩之上的月壤。月壤是月球表土的细粒部分，其物质来源极为复杂，既包含下覆基岩的贡献，也包含撞击作用带来的深部或远处的溅射物。

研究显示嫦娥五号月壤其峰值粒径约为50µm，颗粒粒径分布与阿波罗成熟月壤相仿，平均模态质量为0.5567ng，圆度为0.875，体密度为1.24g/cm³，真密度为3.20g/cm³，比表面积为0.56m²/g。

图4 月壤颗粒显微照片（A-D）

从月壤中分选的较大颗粒，主要包括如下几种类型：玄武岩岩屑、角砾岩、黏结物等（图4A-D）。玄武岩岩屑主要由单斜辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿等矿物构成，从结构上，可以被分为嵌晶结构、辉绿/次辉绿结构、斑状结构和等粒结构（图4E-H）。

图4 月壤颗粒背散射图(E-H)

嫦娥五号玄武岩具有相对阿波罗玄武岩（图5），较低单斜辉石含量（30.9-49.5%），和较高斜长石含量（29.3-47.4%）。斜长石的核部富集Mg、Ca而边部富Fe贫Ca，具有平坦的稀土模式分布，但亏损Eu。且一致且均一的初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值，其可能结晶于同一熔岩流的不同部位。橄榄石中Ti含量随Fo值先升高再降低，反映了岩浆从钛铁矿不饱和向饱和演化，与阿波罗低钛玄武岩相似，但与高钛玄武岩演化趋势不同，母岩浆TiO₂约为4.4%。

图5 （A）辉石成分四角图

图5 （B）长石成分三角图

图5 （C）橄榄石Ti-Fo图

图5 （D）全岩TiO2-gO图

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4. 嫦娥五号月球样品的年龄

同位素年代学是理解月球形成和演化的重要基础，同位素定年体系有很多。目前适用于月壤样品，同时也是最精确的是Pb-Pb等时线法，具体而言是横坐标为²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb、纵坐标为²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb的一组数据进行拟合，在²⁰⁴Pb（非放射成因Pb的代表）为0的y轴截距即放射成因²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb比值，可以计算年龄。科学家对嫦娥五号月壤中全部4种类型的玄武岩岩屑进行了Pb-Pb定年。不同结构的玄武岩给出了一致的结晶年龄（2030±4Ma）（图6），表明月球在距今20亿年前仍存在大规模火山活动，相比于阿波罗样品将月球火山活动的时限晚了约10亿年。

图6 嫦娥五号玄武岩定年结果及其对撞击坑定年曲线的修正

这一年龄不但也修正了撞击坑定年曲线，提高了撞击坑定年的精确度和准确度。且对人类理解月球形成演化有更大的科学意义，比如为什么月球在20亿年前仍然存在火山活动。是玄武岩源区富含的克里普物质持续放射性生热，维持了月球长时间火山活动？亦或是玄武岩源区富含挥发分，导致月幔熔点降低，从而诱发了火山活动。还是其他原因，目前还有待更深一步的研究。

5. 嫦娥五号月球玄武岩的成因

图7 嫦娥五号玄武岩的源区性质和喷发机制示意图

学者（图7）认为嫦娥五号玄武岩形成于贫克里普（<0.5克里普）和水（1-5ppm）的易融源区（20%单斜辉石-钛铁矿堆晶）。低程度部分熔融（2-3%）和广泛分离结晶（43-78%）形成了嫦娥五号玄武岩高度演化（Mg^#≈28.4），富轻稀土（La/Yb≈4）和高Th含量的特征（约5.1ppm）。

图8 C.P. Haupt的嫦娥五号玄武岩起源示意图

也有学者（C.P. Haupt等）通过高压高温相平衡实验和岩石学模拟，限制玄武岩源区的深度和温度。发现类似的结论--嫦娥五号玄武岩可能是由月幔浅层单斜辉石和富铁钛氧化物堆积体熔融形成的，也可能是由热的富镁母岩熔融体的高度分离结晶形成的。但高度分离结晶需要太高的月幔温度(>1500℃)，而时间是在上述提到的2Ga，目前没有证据支持月幔温度>1500℃。所以更支持前一种观点（图8）。

但两者都颠覆了以往认知，反映风暴洋克里普地体内的年轻月海玄武岩形成可能与克里普元素的富集并没有直接联系。

6. 其他认识

撞击玻璃

图9 嫦娥五号月壤中撞击玻璃的结构

嫦娥五号月壤还发现大量撞击玻璃（图9），撞击成因玻璃是了解内太阳系撞击历史的重要研究对象，能够反映月壳物质组成和内太阳系的撞击动力学。

图10 嫦娥五号月壤中撞击玻璃的成分

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撞击玻璃的主微量成分与玄武岩成分一致，来自于着陆区附近玄武岩或月壤的熔融（图10）。

图11 嫦娥五号月壤中撞击玻璃的年龄分布图

撞击玻璃的年龄分布可以分为17个组别，揭示嫦娥五号着陆区物质在20亿年以来遭受的撞击历史（图11）。

外来物质的来源

图12 嫦娥五号月壤中外来物质可能的来源

嫦娥五号月壤中发现的少量外来物质包括：高钛、低钛玄武岩、富镁斜长岩、镁质岩套、高地玻璃等。这些外来物质的发现揭示了月球表面物质的多样性和复杂性（图10）。

展望与总结

嫦娥五号月壤采集于风暴洋克里普地体年轻月海玄武岩区域，前人从未至此，这是一次全新的探索，新样品必将带来新发现，新发现必将催生新理论，从而为我们解开更多太阳系和行星演化的秘密。

参考文献

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C.P. Haupt, C.J. Renggli, M. Klaver, E.S. Steenstra, J. Berndt, A. Rohrbach, S. Klemme,Experimental and petrological investigations into the origin of the lunar Chang'e 5 basalts,Icarus,Volume 402,2023,115625.

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