关于作者

 郑永春,博士,中国科学院国家天文台月球与深空探测研究部、中国科学院月球与深空探测重点实验室副研究员。2000年起参与探月工程、深空探测等国家重大科技任务。主要研究领域为行星地质与遥感。
首批香江学者计划入选者,中国科学院青年创新促进会首批入选者,中国青年科技工作者协会代表。先后获中国科学院院长奖、我国首次月球探测工程有功人员奖、探月工程嫦娥二号任务突出贡献者奖、香江学者奖、中国科学院青年创新促进会优秀会员等。

科普:月球岩石和土壤

郑永春
2015年08月06日
通过地基天文望远镜对月观测、太空望远镜和环月卫星的遥感探测、以及无人驾驶月球车和阿波罗宇航员的月表巡视勘查,目前已经知道几乎整个月球表面都覆盖着一层细粉状的风化物质——月壤(Lunar Regolith),也就是月球表面的风化物质层。
由于长期的小天体撞击,大块的基岩仅出露于陡峭的山脉、撞击坑和火山通道的峭壁等处。
月壤是指覆盖在月球基岩层之上全部风化物质,甚至包括或卧、或埋于粉状风化物中的直径数米的岩石。
狭义的月壤指月球土壤(Lunar Soil),是根据阿波罗采集的月球样品的分类处理进行定义的。
科学家在对采集的月球样品进行分类时,先按粒度大小进行分级筛选,分成>1 cm、1 cm~4 mm、4mm~2 mm、2 mm~1 mm和<1 mm几个部分。
颗粒直径≥1 cm的部分在研究工作中被当作岩石样品来进行研究,称为月岩(Lunar Rocks);
颗粒直径<1 cm的部分当作土壤样品对待,按习惯也称为月壤,即狭义上的月壤;
其中颗粒直径<1 mm的部分是整个月壤样品的主要组成部分,在大部分月壤样品中占总重量的90%以上。
实际上,不管是月岩还是月壤,都采自月球的风化层。
月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带,包含着相关区域的大量信息。月壤的研究不仅涉及月球本身,而且还包含太阳系空间的物质和能量的重要信息。对月壤层和月壤样品的深入研究可提供丰富信息。这些信息包括:
(1).太阳系早期演化的历史记录;
(2).月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史;
(3).月球中挥发分的脱气历史;
(4).太阳风的组成和太阳表层的成分特征;因为太阳风可以毫无保留地注入月球,而到达地球的大部分太阳风被地球磁场屏蔽掉了,不能抵达地球表面;
(5).小天体和微陨石撞击月球的历史记录,进而推断地球遭受小天体撞击的历史;
(6).月壤主要由下伏基岩演化而来,通过对月壤的研究,可以了解月壳岩石圈的组成和分布特征,对研究月球乃至地月系的演化历史具有重要意义。
除科学意义外,月壤还含有丰富的资源,包括:稀有气体等气体成分(特别是可用于可控核聚变的燃料氦-3)、钛铁矿、克里普岩(KREEP Rocks,富含K、REE和P)等矿物资源。
由于月壤处于月球的最表层,具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点,是未来月球基地建设、采矿、修路、资源提取的首选目标。
在可预见的相当长的时间内,月壤的经济价值远高于下伏的基岩。
因此,通过对月壤的精细研究,可提供月球资源开发利用前景的重要信息,并为月球基地的选址提供重要的科学依据。
需要说明的是,目前所谓的月球资源,是指对地球上的人类具有潜在的开发价值,还不具备商业开发的价值。但是,利用月壤在月球上就地生产一些建筑材料、结构部件、铺设路面、生产氧气和水等,对于人类在月球上的长期居留是十分必要的。由于地球和月球之间运输费用十分昂贵,月壤资源的就地开发利用,可以大大减少从地球上运到月球的运货量,从而降低经费投入。
以下照片为作者摄于约翰逊航天中心:
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月球上没有氧气、绝对干燥、没有微生物,所以采回地球的月球样品必须存放在充满氮气的密封箱内,研究人员通过密封箱的两个塑胶手套,来进行分样、切割、称量等操作。
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这是平放的钻孔样品。钻孔的层序反映了月球土壤层的层序,不能颠倒。

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操作月球样品的塑胶手套。

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阿波罗11、12、14号人物的钻孔直径为1.97 cm,阿波罗15、16、17的钻孔直径为4.13 cm。

最长的钻孔长度不到2.5米。由于当时技术所限,钻孔完全依靠人力钻取,而由于月球重力仅为地球的六分之一,达到这个长度已经非常不易。
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怎样保证月球样品免受地球环境的污染,避免月球样品接触到氧气、水、生物,是月球样品保存最重要的课题之一。

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加工和存放月球样品的器皿和工具也有严格要求,要避免对样品的沾染。

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阿波罗样品的编号头两位,15表示是阿波罗15号任务采集的样品。对岩石和土壤分开采用不同的编号方式。
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阿波罗15的岩石样品

岩石类型:月壤角砾岩,采样地点:Dune撞击坑南部坑缘

这块角砾岩是由玄武岩碎片和玻璃胶结在一起形成的。由于每一个碎片是撞击溅射过来的,可能来自完全不同的地区,因此需要对每个碎片进行精细的研究。

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阿波罗16号采集的月球岩石样品

这是月球上的斜长岩,也就是我们从地球上看过来月球上颜色比较明亮地区的岩石。地球上也有很多类似的岩石,河北的张家口附近就有这种岩石。
采样地点:阿波罗登月舱西北角30米处。
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60016是阿波罗16号任务采集的,是一块易碎的、灰色的、角砾岩。岩石孔隙度较大,有很多浅色和黑色的碎屑斑晶,代表不同的岩石和矿物。
采样地点:登月舱西南14-15米处。

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这是月球土壤。月球土壤非常不同于地球土壤,形成机制也与地球土壤迥异。
月球土壤也有一些特殊的物理性质,包括热导率、磁性、电导率、颗粒粒度、粒形都很有特点,是我们研究的兴趣所在。
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博物馆设计了一个触摸月球的设施,中间有一小块真正的月球岩石,每个人都可以触摸它,我能虔诚地摸了摸,感觉凉凉地、滑滑地…………
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让公众都有机会了解航天项目,发挥航天计划对青少年和公众的教育、启迪的重要作用,科普教育是十分重要的一环。
约翰逊航天中心准备了很多月球样品的,将其密封在有机玻璃里面,供博物馆和青少年教育。
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大块的月球样品要切割成薄片进行研究。
月球样品来自不易,不管是教育目的,还是研究目的,样品使用要非常谨慎,慎之又慎,浪费一克就是罪人。
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