走近月壤研究：從月壤微尺度礦物結構和化學成分下手

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)二次離子質譜來開展研究。側重微觀尺度的礦物結構和化學成分兩方面緊密結合來研究月球樣品，這是我們區(qū)別于國內其他研究單位的主要特點。

——夏小平中國科學院廣州地球化學研究所研究員

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，以及一小點黑色粉末，此刻被研究人員珍藏在3個透明小瓶子里，放進實驗室的手套箱內，手套箱內充滿氮氣，保護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“天外來客”。7月12日，國家航天局探月與航天工程中心在北京國家天文臺舉行嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，13家科研機構成為首批開展嫦娥五號月球科研樣品研究的單位。中國科學院廣州地球化學研究所(以下簡稱廣州地化所)獲得了3份嫦娥五號月球樣品，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?對嫦娥五號月球樣品展開研究，是否可以找到月壤的特殊礦物組成和化學成分?帶著這些疑問，廣州地化所的研究團隊將開啟月壤研究之旅。

研究不會損耗樣品可以原樣返回

1972年，美國尼克松總統(tǒng)訪華時，贈送給我國1克月球樣品。其中一半用于展覽，一半被科學家拿來進行研究，廣州地化所正是我國最早一批開展月壤研究的科研單位之一。

“美國的月壤樣品采自6個登月點，蘇聯的則采自3個登月點。我國嫦娥五號選取的采樣點與美國、蘇聯都不同，不同區(qū)域取得的樣品有著不一樣的地質背景。”廣州地化所研究員朱建喜說。

據了解，嫦娥五號采樣點附近的火山活動更為活躍，持續(xù)時間也更長，是研究月球內部能量衰竭，以及更加全面了解月球地質演化歷史的理想地點。這意味著，針對嫦娥五號月球樣品的研究將有可能獲得與以往不一樣的研究結果，對人類進一步認識月球具有獨特的科研價值，也將會為預測地球未來的命運提供重要的科研資料。

目前，還沒有任何國家采集到過月球內部的基巖，此前所采的月球樣品均來自覆蓋在月球表面的碎石頭。

“月球上沒有水和空氣，白天溫度高達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，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，總體來說，月壤與地球上的土壤不一樣，一般顆粒都非常細小，“我們研究團隊獲得的3份嫦娥五號月球樣品主要由輝石、橄欖石和長石等礦物組成。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，廣州地化所研究團隊將重點開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程的重要線索。

月球樣品數量如此少，是否足夠研究所用呢?“以小見大，見微知著。研究一座山的物質構成，不需要把整座山都搬到實驗室來，只需從山上采集有代表性的石頭就可以。”朱建喜用了一個形象的比喻來回答。

“嫦娥五號月球樣品來之不易，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，基本不會損耗樣品，幾乎可以原樣返回，有利于未來進一步的研究分析，發(fā)揮這些珍貴樣品的最大價值。”

兩大“利器”助力微觀尺度研究

對于如何開展研究，夏小平表示：“我們主要選擇無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)二次離子質譜來開展研究。側重微觀尺度的礦物結構和化學成分兩方面緊密結合來研究月球樣品，這是我們區(qū)別于國內其他研究單位的主要特點。”

月球表面的一個重要特點是具有廣泛分布、厚度達幾十到數百米的細粒月壤。美國阿波羅計劃采集的樣品表明，這些月壤粒徑大多只有0.1—0.4微米，多數比我們平時關注的PM2.5還要小很多。

“據我們初步了解，我國嫦娥五號月球樣品比阿波羅樣品還要更加細小，是什么因素導致了月壤具有這種極為細粒的形態(tài)?如此細粒的月壤究竟由什么特殊的礦物組成?嫦娥五號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問題。”朱建喜說。

他表示，團隊將通過研究月球樣品的納米礦物學特征，考察宇宙射線侵蝕的強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月壤形成的影響。

探尋月球形成和演化過程

關于月球的形成，目前科學界廣泛認可的是大撞擊假說。大撞擊假說認為月球是地球被一個外來天體撞擊熔融后分離出去一部分物質凝結形成的。提出這個假說的主要證據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。

“大撞擊假說認為撞擊產生的高溫導致揮發(fā)性元素大多丟失，揮發(fā)份極度虧損。10多年前，科學家基本都認為月球的內部和表面不存在水，非常干燥。但近年來的月球探測已表明，月球的內部和表面都存在一定量的水。”夏小平說。

研究表明，一些月球礦物含有結構水，月球的北極還發(fā)現了水冰，月球隕石坑即使在陽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，目前仍爭論不休，這也影響到大撞擊假說是否成立。

“從月壤樣品中探求月球的形成和演化過程是我們的研究方向之一。我們計劃用原位微區(qū)二次離子質譜法測定樣品的揮發(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，“大撞擊模型推測月球的揮發(fā)性元素會變成氣體逃逸出月球，氫和惰性氣體應該完全丟失。我們將對樣品中輝石、長石、橄欖石以及磷灰石等礦物進行揮發(fā)份含量和同位素測試，以討論巖漿演化、去氣等過程對我們觀察到的月球樣品揮發(fā)份含量的影響。”

原位微區(qū)二次離子質譜法是目前行星科學測定樣品元素和同位素組成最先進的分析方法。廣州地化所是國內為數不多擁有大型二次離子質譜儀的科研單位之一，對揮發(fā)份元素的分析研究是其特長所在。該所自主研發(fā)的分析方法將該儀器測試水含量的背景值降低到百萬分之一，達到了世界同類實驗室的先進水平。

夏小平進一步介紹，巖漿演化可以導致揮發(fā)份富集從而使科研人員高估月球本身的水含量，去氣作用會導致揮發(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。通過原位微區(qū)剖面揮發(fā)份含量和同位素的同時分析可以識別這些作用的影響。另外，結合同位素分析還可以識別月球形成后隕石撞擊、太陽風和地球風帶來的外來水的影響。

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

關鍵詞： 月球形成真相 月壤研究 礦物結構 化學成分