The Innovation Geoscience | 首篇嫦娥五号样品研究成果综述

2020年12月17日，嫦娥五号任务成功采集1731 g月壤样品返回地球，实现我国首次地外天体采样。自2021年7月12日首批月球样品向我国科学家分发以来，共有来自40多家机构的科学家对其进行了研究，在月壤物理性质、物质来源、月海玄武岩形成时代和机制、月幔源区特征、太空风化作用等多个方面取得了大批原创成果，改写了人类对月球的认识，促进了我国行星科学的发展。

图1 图文摘要

月球样品对揭示月球形成与演化、月球撞击历史、月表物质组成和太空风化过程具有不可替代的作用。但是，有限的月球采样制约了月球科学的发展，美国6次阿波罗任务（381.7 kg）和苏联3次月球号任务（321 g）的采样范围均落在低纬地区，仅占月球表面的<8%面积。2020年12月17日，我国的嫦娥五号任务在月球风暴洋西北部采集1731 g样品（图2），远离以往采样返回任务着陆点，其纬度更高，撞击坑模式年龄更年轻，新的样品为月球科学研究带来了新的机遇。

图2 嫦娥五号月球样品采样位置

月壤物理性质和组成

嫦娥五号月壤（图3）物理性质测试表明其峰值粒径约为50 µm，颗粒粒径分布与阿波罗成熟月壤相仿，平均模态质量为0.5567 ng，圆度为0.875，体密度为1.24 g/cm3，真密度为3.20 g/cm3，比表面积为0.56 m2/g。嫦娥五号月壤主要由玄武岩碎屑、矿物碎屑、角砾岩碎屑、粘结物和玻璃组成（图4），其中本地物质占绝大多数。

图3 嫦娥五号月壤的照片（A）月面采样地点；（B）实验室；（C）显微照片

图4 嫦娥五号月壤颗粒主要类别（A-D）分别为玄武岩、角砾岩、玻璃和粘结物的显微照片；（E-H）分别为嵌晶、次辉绿、斑状、等粒结构玄武岩的背散射图像

玄武岩喷发时间和机制

目前通过多种方法对嫦娥五号玄武岩的整体成分进行了限定，其较阿波罗玄武岩低MgO（4.87%）、高FeO（22.1%），80%以上的玄武岩颗粒TiO2含量集中在3.8-6.2%。除此之外，对比于阿波罗样品，嫦娥五号玄武岩单斜辉石含量较低（30.9-49.5%），斜长石含量较高（29.3-47.4%）。斜长石具有平行的稀土元素模式，均一的初始87Sr/86Sr比值，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）。

图5 嫦娥五号玄武岩的全岩和矿物化学组成。（A）辉石成分四角图；（B）长石成分三角图；（C）橄榄石Ti vs. Fo图；（D）全岩TiO2 vs MgO图

Pb-Pb同位素分析显示嫦娥五号月壤中不同结构的玄武岩都具有一致的结晶年龄（2030±4 Ma，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推迟了约10亿年。这一年龄结果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（图6）。

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

进一步研究发现（图7），嫦娥五号玄武岩形成于贫克里普（<0.5克里普）和水（1-5 ppm）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5.1 ppm）。这颠覆了以往认知，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。

图7 嫦娥五号玄武岩的源区性质和喷发机制示意图

撞击玻璃与撞击历史

嫦娥五号月壤中也包含有大量的撞击玻璃（图8A-C），形成于陨石撞击产生熔体的快速淬火冷却。通过对干净玻璃（内部成分均匀）的主要元素和微量元素研究发现，其主体上（89.6%的干净玻璃）与玄武岩成分一致（图8D-E），来自于着陆区附近玄武岩或月壤的熔融。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8 嫦娥五号月壤中撞击玻璃的结构、成分和年龄分布

外来物质的来源

嫦娥五号月壤相对于玄武岩，具有较高的MgO（6.48~7.07%）和Ni（130-167ppm）含量，指示其中可能包含有月球其他区域来源的物质和陨石物质。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9）。

图9 嫦娥五号月壤中外来物质可能的来源

太空风化作用对月壤的改造

太空风化是发生在月球等无大气天体表面最为普遍的现象之一，形成于太阳风、宇宙射线、微陨石等的注入。嫦娥五号月壤来自于与以往不同的着陆区，其太空风化效应与阿波罗月壤相比既具有相似性，也具有独特性（图10）。与阿波罗月壤类似，太空风化作用在嫦娥五号月壤颗粒表面导致了纳米金属铁颗粒和太阳风成因水的产生。太阳风成因水主要分布在月壤颗粒的最表层（<100 nm；1116-2516 ppm），异常贫氘（δD -908到992‰），含量与温度相关，最高可达2%。嫦娥五号月壤中的撞击玻璃珠也具有一定储水能力（0-1909 ppm），与其H同位素的组成呈负相关（-990±6‰到522±440‰）。除此之外，嫦娥五号月壤中发现了与阿波罗月壤不同的太空风化产物，包括歧化作用形成的Fe3+，共析反应形成的磁铁矿和蒸发沉积形成的蓝辉铜矿，表明太空风化作用比之前所普遍认为的更为复杂。

图10 嫦娥五号月壤太空风化示意图

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，其研究在多个角度刷新了人类对年轻月海玄武岩形成机制、月球表面物质运输过程、太空风化作用、水的含量和存储形式等的认识。嫦娥五号样品研究极大地促进了我国行星科学队伍的发展，同时也提升了我国地外样品研究技术，尤其是微区原位分析技术的发展，为我国未来的月球与深空探测任务打下了坚实的基础，引领中国走向航天强国和浩渺深空。

原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2023.100014

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第1卷第1期以Review发表的“Chang’e-5 lunar samples shed new light on the Moon” (投稿: 2023-05-20；接收: 2023-06-22；在线刊出: 2023-06-23)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2023.100014

引用格式：Chen Y., Hu S., Li J., et al. (2023). Chang’e-5 lunar samples shed new light on the Moon. The Innovation Geoscience 1(1), 100014.

林杨挺，中国科学院地质与地球物理所研究员，国家杰出青年基金获得者，中国空间科学学会常务理事、中国矿物岩石地球化学学会理事、中国南极陨石专家委员会主任委员，主要从事地球化学、天体化学、行星科学、陨石学研究。

Web：http://sourcedb.igg.cas.cn/cn/zjrck/200907/t20090713_2065532.html

李春来，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院月球与深空探测总体部副主任、探月工程一期、二期地面应用系统总设计师、探月工程三期副总设计师兼地面应用系统总设计师、中国首次火星探测任务工程副总设计师，主要从事月球与深空探测研究。

Web：http://www.nao.cas.cn/nrc/zg/index_90957.html?json=http://sourcedb.naoc.cas.cn/cn/gb/zg/202204/t20220406_6419438.json

李献华，中国科学院院士，中国科学院地质与地球物理所研究员，科睿唯安全球高被引科学家、ESI全球地学高被引学者和爱思唯尔中国高被引学者，曾获侯德封奖、黄汲清青年地质科学技术奖、何梁何利科学与技术进步奖和国家自然科学二等奖，主要从事同位素年代学、地球化学、前寒武纪地质学研究。

Web：http://sourcedb.igg.cas.cn/cn/zjrck/200907/t20090713_2065535.html

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