走近月壤研究：從月壤微尺度礦物結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分下手

我們選擇配有電子能量損失譜的高分辨透射電子顯微鏡和原位微區(qū)二次離子質(zhì)譜來(lái)開(kāi)展研究。側(cè)重微觀尺度的礦物結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分兩方面緊密結(jié)合來(lái)研究月球樣品，這是我們區(qū)別于國(guó)內(nèi)其他研究單位的主要特點(diǎn)。

——夏小平中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員

走近月壤研究③

形如米粒般大小的幾塊毫不起眼的黑色石頭，以及一小點(diǎn)黑色粉末，此刻被研究人員珍藏在3個(gè)透明小瓶子里，放進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的手套箱內(nèi)，手套箱內(nèi)充滿氮?dú)?，保護(hù)小石頭和粉末不被空氣污染。

這可不是一般的小石頭和粉末，它們是珍貴的“天外來(lái)客”。7月12日，國(guó)家航天局探月與航天工程中心在北京國(guó)家天文臺(tái)舉行嫦娥五號(hào)任務(wù)第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，13家科研機(jī)構(gòu)成為首批開(kāi)展嫦娥五號(hào)月球科研樣品研究的單位。中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱廣州地化所)獲得了3份嫦娥五號(hào)月球樣品，包括1份月壤粉末樣品和2份巖屑樣品。

月球形成的真相是什么?對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品展開(kāi)研究，是否可以找到月壤的特殊礦物組成和化學(xué)成分?帶著這些疑問(wèn)，廣州地化所的研究團(tuán)隊(duì)將開(kāi)啟月壤研究之旅。

研究不會(huì)損耗樣品可以原樣返回

1972年，美國(guó)尼克松總統(tǒng)訪華時(shí)，贈(zèng)送給我國(guó)1克月球樣品。其中一半用于展覽，一半被科學(xué)家拿來(lái)進(jìn)行研究，廣州地化所正是我國(guó)最早一批開(kāi)展月壤研究的科研單位之一。

“美國(guó)的月壤樣品采自6個(gè)登月點(diǎn)，蘇聯(lián)的則采自3個(gè)登月點(diǎn)。我國(guó)嫦娥五號(hào)選取的采樣點(diǎn)與美國(guó)、蘇聯(lián)都不同，不同區(qū)域取得的樣品有著不一樣的地質(zhì)背景。”廣州地化所研究員朱建喜說(shuō)。

據(jù)了解，嫦娥五號(hào)采樣點(diǎn)附近的火山活動(dòng)更為活躍，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)，是研究月球內(nèi)部能量衰竭，以及更加全面了解月球地質(zhì)演化歷史的理想地點(diǎn)。這意味著，針對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品的研究將有可能獲得與以往不一樣的研究結(jié)果，對(duì)人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月球具有獨(dú)特的科研價(jià)值，也將會(huì)為預(yù)測(cè)地球未來(lái)的命運(yùn)提供重要的科研資料。

目前，還沒(méi)有任何國(guó)家采集到過(guò)月球內(nèi)部的基巖，此前所采的月球樣品均來(lái)自覆蓋在月球表面的碎石頭。

“月球上沒(méi)有水和空氣，白天溫度高達(dá)100多攝氏度，晚上又驟降至零下200多攝氏度，巨大的晝夜溫差使得月球巖石極易崩解，因此在月球表層有很多碎石頭。”朱建喜介紹。此外，40多億年來(lái)，大量隕石不斷撞擊月球，也將月球巖石撞得粉碎，“制造”了大量碎石。

廣州地化所研究員夏小平表示，總體來(lái)說(shuō)，月壤與地球上的土壤不一樣，一般顆粒都非常細(xì)小，“我們研究團(tuán)隊(duì)獲得的3份嫦娥五號(hào)月球樣品主要由輝石、橄欖石和長(zhǎng)石等礦物組成。粉末樣品重量是100毫克，其他2份巖屑樣品重量分別是60.5毫克和137.3毫克”。

圍繞這些月球樣品，廣州地化所研究團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)開(kāi)展兩方面的研究工作，一方面探尋月壤是如何形成的，另一方面則從這些樣品中探求能夠揭示月球演化過(guò)程的重要線索。

月球樣品數(shù)量如此少，是否足夠研究所用呢?“以小見(jiàn)大，見(jiàn)微知著。研究一座山的物質(zhì)構(gòu)成，不需要把整座山都搬到實(shí)驗(yàn)室來(lái)，只需從山上采集有代表性的石頭就可以。”朱建喜用了一個(gè)形象的比喻來(lái)回答。

“嫦娥五號(hào)月球樣品來(lái)之不易，十分珍貴。”夏小平表示，“我們的研究原則是盡量保持樣品的完整性，基本不會(huì)損耗樣品，幾乎可以原樣返回，有利于未來(lái)進(jìn)一步的研究分析，發(fā)揮這些珍貴樣品的最大價(jià)值。”

兩大“利器”助力微觀尺度研究

對(duì)于如何開(kāi)展研究，夏小平表示：“我們主要選擇無(wú)損或者微損的樣品分析手段——配有電子能量損失譜的高分辨透射電子顯微鏡和原位微區(qū)二次離子質(zhì)譜來(lái)開(kāi)展研究。側(cè)重微觀尺度的礦物結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分兩方面緊密結(jié)合來(lái)研究月球樣品，這是我們區(qū)別于國(guó)內(nèi)其他研究單位的主要特點(diǎn)。”

月球表面的一個(gè)重要特點(diǎn)是具有廣泛分布、厚度達(dá)幾十到數(shù)百米的細(xì)粒月壤。美國(guó)阿波羅計(jì)劃采集的樣品表明，這些月壤粒徑大多只有0.1—0.4微米，多數(shù)比我們平時(shí)關(guān)注的PM2.5還要小很多。

“據(jù)我們初步了解，我國(guó)嫦娥五號(hào)月球樣品比阿波羅樣品還要更加細(xì)小，是什么因素導(dǎo)致了月壤具有這種極為細(xì)粒的形態(tài)?如此細(xì)粒的月壤究竟由什么特殊的礦物組成?嫦娥五號(hào)月球樣品記錄了怎樣的月球表面環(huán)境演化歷史?這些都是我們想回答的科學(xué)問(wèn)題。”朱建喜說(shuō)。

他表示，團(tuán)隊(duì)將通過(guò)研究月球樣品的納米礦物學(xué)特征，考察宇宙射線侵蝕的強(qiáng)度以及撞擊成因礦物的組合、形貌、形變特征和期次，找尋高壓礦物、含鈾礦物，采用同位素定年和熱釋光定年等方法來(lái)揭示撞擊溫度、壓力演化歷史，討論它們能否反映月球演化歷程以及這些因素對(duì)月壤形成的影響。

探尋月球形成和演化過(guò)程

關(guān)于月球的形成，目前科學(xué)界廣泛認(rèn)可的是大撞擊假說(shuō)。大撞擊假說(shuō)認(rèn)為月球是地球被一個(gè)外來(lái)天體撞擊熔融后分離出去一部分物質(zhì)凝結(jié)形成的。提出這個(gè)假說(shuō)的主要證據(jù)是地球和月球兩者相似的三氧同位素組成，以及阿波羅樣品普遍缺乏揮發(fā)份。

“大撞擊假說(shuō)認(rèn)為撞擊產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致?lián)]發(fā)性元素大多丟失，揮發(fā)份極度虧損。10多年前，科學(xué)家基本都認(rèn)為月球的內(nèi)部和表面不存在水，非常干燥。但近年來(lái)的月球探測(cè)已表明，月球的內(nèi)部和表面都存在一定量的水。”夏小平說(shuō)。

研究表明，一些月球礦物含有結(jié)構(gòu)水，月球的北極還發(fā)現(xiàn)了水冰，月球隕石坑即使在陽(yáng)光照射下也有自由水的紅外光譜。因此月球到底是干的還是濕的，目前仍爭(zhēng)論不休，這也影響到大撞擊假說(shuō)是否成立。

“從月壤樣品中探求月球的形成和演化過(guò)程是我們的研究方向之一。我們計(jì)劃用原位微區(qū)二次離子質(zhì)譜法測(cè)定樣品的揮發(fā)份和揮發(fā)性元素的含量以及同位素組成。”夏小平闡釋道，“大撞擊模型推測(cè)月球的揮發(fā)性元素會(huì)變成氣體逃逸出月球，氫和惰性氣體應(yīng)該完全丟失。我們將對(duì)樣品中輝石、長(zhǎng)石、橄欖石以及磷灰石等礦物進(jìn)行揮發(fā)份含量和同位素測(cè)試，以討論巖漿演化、去氣等過(guò)程對(duì)我們觀察到的月球樣品揮發(fā)份含量的影響。”

原位微區(qū)二次離子質(zhì)譜法是目前行星科學(xué)測(cè)定樣品元素和同位素組成最先進(jìn)的分析方法。廣州地化所是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多擁有大型二次離子質(zhì)譜儀的科研單位之一，對(duì)揮發(fā)份元素的分析研究是其特長(zhǎng)所在。該所自主研發(fā)的分析方法將該儀器測(cè)試水含量的背景值降低到百萬(wàn)分之一，達(dá)到了世界同類實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)水平。

夏小平進(jìn)一步介紹，巖漿演化可以導(dǎo)致?lián)]發(fā)份富集從而使科研人員高估月球本身的水含量，去氣作用會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)份在月球表面后期丟失，從而使科研人員低估月球本身的水含量。通過(guò)原位微區(qū)剖面揮發(fā)份含量和同位素的同時(shí)分析可以識(shí)別這些作用的影響。另外，結(jié)合同位素分析還可以識(shí)別月球形成后隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)和地球風(fēng)帶來(lái)的外來(lái)水的影響。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還將著重研究月球樣品里的金屬小顆粒，通過(guò)研究金屬小顆粒里的三氧同位素組成成分，尋找太陽(yáng)系原始星云的同位素組成。(記者葉青通訊員鄧土連)

關(guān)鍵詞： 月球形成真相 月壤研究 礦物結(jié)構(gòu) 化學(xué)成分