导 语

沉寂四十多年之后，人类再次从月球表面采回新的样品。北京时间2020年12月17日1时59分，嫦娥五号样品舱成功返回地球，圆满实现我国探月工程第一阶段“绕”、“落”、“回”三步走的目标。嫦娥五号采回的月球样品和阿波罗样品有什么区别？我们能从中获得哪些新的科学认识？The Innovation邀请行星科学家为我们做出深度解读。

北京时间2020年12月17日1时59分，嫦娥五号样品舱成功着陆在内蒙古四子王旗预定着陆区。这是中国探月工程（CLEP）的又一重要里程碑，圆满实现了第一阶段“绕”、“落”、“回”三步走的目标。中国从此成为继美国和前苏联后第三个从月球成功采样返回的国家。这也是继1972年美国“阿波罗17号”和1976年前苏联“月球24号”采样返回任务之后，人类探测器再一次从月球采回样品。

嫦娥五号于2020年11月24日4:30从海南文昌卫星发射中心发射升空，并于12月1日着陆在月球风暴洋地区（图1）。经过19个小时的月面活动后，样品采集和封装工作于12月2日完成。随后，上升器携带着样品从着陆器顶部起飞并与轨道器（返回舱）交会对接。12月17日样品舱返回地球。

嫦娥五号的月球样品采集有两种方式：月壤岩芯钻取和表壤抓取（图1）。嫦娥五号着陆器上装备有全景相机和着陆相机，获得了着陆区高分辨率地形地貌图像；可见-近红外成像光谱仪获得了月球表面光谱特征和物质成分；探月雷达获得了浅表结构；这些数据为返回样品提供了关键的地质背景。

图1 左：月球正面月海玄武岩模式年龄^[1]与放射性元素钍（Th）含量的分布^[2]。红色点为嫦娥五号着陆点位置，青绿色点为阿波罗任务着陆点，蓝色点为月球号着陆点（图片修改自QuickMap, https://quickmap.lroc.asu.edu/）。右：嫦娥五号在月球表面岩芯钻取和表壤抓取的示意图。

月球样品对于月球科学研究而言是无价之宝。对阿波罗月球样品的研究极大地推动了月球科学的发展。例如：阿波罗样品中发现的纯斜长岩碎屑揭示了月球表面曾经是一个熔融的岩浆洋^[3]。用返回样品的绝对年龄进行校准，建立的撞击坑定年法(依据撞击坑的密度来确定天体表面年龄)是获取类地行星和小天体表面年龄的最重要方法^[4]。月球物质成分与地球的相似性为月球形成的假说提供了重要证据^[5]。

嫦娥五号选取的着陆点远离美国阿波罗计划的6个采样点，以及前苏联月球号计划的3个采样点（图1）。相对于非常不均一的月球表面，阿波罗计划和月球号计划的采样点，仅能代表月表约5-8%面积。嫦娥五号将提供不同的月球样品，从而更加全面和深入地认识月球。

基于撞击坑定年的结果，嫦娥五号着陆点的熔岩流异常年轻，仅12~20亿年^[6-8]。作为对比，阿波罗计划与月球号任务采集的玄武岩年龄为31~39亿年。通过对嫦娥五号样品的同位素定年，可以校正月球撞击通量曲线（图2），从而使得撞击坑年代学更加准确地测定10~30亿年之间的事件年龄。

图2 月球撞击通量曲线。嫦娥五号样品将提供关键的绝对年代数据，从而更准确的拟合撞击通量曲线。（修改自https://sservi.nasa.gov/articles/video-the-lunar-crater-chronology/）

现有理论认为，月球曾覆盖着深达数百公里的岩浆洋。随着岩浆洋的不断冷却结晶，放射性元素铀（U）和钍（Th），以及钾、稀土和磷（K、REE、P，缩写KREEP，即克里普）在残余熔体中不断富集，最终集中在月球的壳-幔之间。月球正面风暴洋区域的玄武岩等显示出最富集这种克里普组分的特征，而嫦娥五号着陆点即位于这一地区（据钍含量分布），并且年龄非常年轻（图1）。因此，嫦娥五号样品可以揭示月球最晚期的火山活动及其月幔源区的地球化学特征（图3）。

图3 月壳形成演化历史。嫦娥五号样品将揭示月球最晚期的火山活动及月幔岩浆源区的地球化学特征。（修改自https://www.open.edu/openlearn/ocw/mod/oucontent/view.php?id=69111&section=4.6）

此外，嫦娥五号样品可能还记录了月球磁场的信息，保存了注入的太阳风。钻取的月壤岩芯就像一本历史书，记载了月球表面十多亿年来的演化过程。

总结与展望

嫦娥五号月球样品的采集并返回，将促进行星科学与地球科学的交叉融合，为我国行星科学的发展起到至关重要的作用，也使我国地球科学的研究有一个更加广阔的视角。同时，返回月球样品的研究为现代地球化学分析技术的进步提供了非常重要的机遇。

参考文献

1. Hiesinger, H., et al., Ages and stratigraphy of lunar mare basalts: A synthesis, in Recent Advances and Current Research Issues in Lunar Stratigraphy. 2011, Geological Society of America. p. 1-51.

2. Lawrence, D.J., et al., Global spatial deconvolution of Lunar Prospector Th abundances. Geophysical Research Letters, 2007. 34(3).

3. Wood, J.A., et al., Lunar Anorthosites. Science, 1970. 167(3918): p. 602-604.

4. Stöffler, D., et al., Cratering History and Lunar Chronology. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2006. 60(1): p. 519-596.

5. Canup, R.M., Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2004. 42(1): p. 441-475.

6. Jia, M., et al., A catalogue of impact craters larger than 200 m and surface age analysis in the Chang'e-5 landing area. Earth and Planetary Science Letters, 2020. 541.

7. Qian, Y.Q., et al., Geology and Scientific Significance of the Rümker Region in Northern Oceanus Procellarum: China's Chang'E-5 Landing Region. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018. 123(6): p. 1407-1430.

8. Wu, B., et al., Rock Abundance and Crater Density in the Candidate Chang'E-5 Landing Region on the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018. 123(12): p. 3256-3272.

本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 将于2021年第一期发表的News & Buzz 文章“New lunar samples returned by Chang'e-5: Opportunities for new discoveries and international collaboration” (投稿: 20201207；接收: 20201211)

本文链接：www.cell.com/the-innovation/home

作者简介

杨蔚，The Innovation青年编委，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，纳米离子探针实验室主任。嫦娥3号、4号任务科学家团队成员。主要从事离子探针分析技术研发和岩石地球化学研究。在PNAS、NSR、GCA、EPSL等杂志发表SCI论文50余篇。

林杨挺，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，国际陨石学会会士，中国空间科学学会常务理事。嫦娥3号、4号任务科学家团队组长，首次火星探测任务预先研究团队组长，载人航天工程空间科学与应用领域月球与行星科学专家组首席科学家。长期从事陨石学和行星科学研究，包括小行星与太阳系的形成，火星陨石与火星的地质演化，以及月球的形成与演化，参与我国月球与深空探测工程的科学目标论证。在PNAS、Nature Astronomy、Science Advance、NSR、GCA、 EPSL、GRL等杂志发表SCI论文120余篇。

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