研究月壤，為登月和駐留作準備（上）

鄭永春

2020 年12 月17 日凌晨1 時59 分，“嫦娥五號”返回器成功著陸內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域，標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成，探月工程圓滿收官。中國國家航天局12 月19 日正式向中國科學院移交了本次從月球上采集回來的1 731 克月球土壤和巖石樣品，國家天文臺建設(shè)了月球樣品實驗室，專門用來保存分配這些月球土壤和巖石，并組織科學家開展科學研究。

月壤再臨地球

科技的大廈不是一天建成的，而是要長期地積累。上一次的月球采樣，已經(jīng)是半個世紀以前了。1969—1972 年這短短的3 年間，美國共有12 名宇航員登陸月球，采集了381.7 千克月球巖石和土壤回到地球，這就是著名的阿波羅計劃。1976 年，美國送給中國1 克月壤作為國禮。這1 克月壤，以歐陽自遠院士為代表的中國科學家對其中的0.5 克進行了集中研究，發(fā)表了很多學術(shù)論文，得到了關(guān)于月球的一些認識，也奠定了中國探月工程的基礎(chǔ)。另外的0.5 克月壤則被保存在北京天文館進行展出。

中國的探月工程在上世紀90 年代開始論證，然后逐漸積累。2004 年農(nóng)歷大年初二，中國探月工程立項。2007 年10 月發(fā)射了“嫦娥一號”衛(wèi)星;2010 年10 月發(fā)射了“嫦娥二號”衛(wèi)星;2013 年“嫦娥三號”和“玉兔號”月球車登陸月球正面;2019 年1 月，“玉兔二號”月球車和“嫦娥四號”著陸器，成為人類歷史上第1個登陸月球背面的航天器。隨著“嫦娥五號”帶著月壤返回地球，中國航天人通過16 年的努力，完成了探月工程“繞、落、回”三步走的目標。

有人可能會說， 美國已經(jīng)采了二三百千克的月球土壤，我們的1 731克月球土壤是不是少了一點？對于月球樣品來講，重量不是問題，因為現(xiàn)在的分析技術(shù)已經(jīng)很先進了，儀器的高精尖程度比50 年前有了巨大的進步，不用說1 731 克，即便是十分之一，173 克樣品就已經(jīng)可以滿足所有的分析需求了。從科學家的角度，我們更希望從月球上的不同地區(qū)，采集多樣化的月球土壤，因為不同地區(qū)的月壤中含有更豐富的信息。

科學家為何更喜歡研究月球巖石？

阿波羅登月從月球上采集的巖石，每一塊都有獨特的編號。通過編號，可以追溯它是哪次任務、什么時候采集的，了解它的重量、大小、成分、礦物組成等信息，對采樣地點的地質(zhì)背景等相關(guān)信息都有完整的描述。

不同的月球巖石，來自月球不同地區(qū)，蘊含著不同的月球信息。科學家會把它們切成薄片，在顯微鏡下觀察，并進行微量元素和主量元素分析，進行礦物組成分析，進行同位素定年等。通過這些細致而全面的研究工作，我們可以知道這塊月巖的類型、形成年代，以及當時的形成環(huán)境。所以，從地質(zhì)學家的角度看，更喜歡月球的巖石，而不是月球的土壤。因為月球上同一個地方的土壤成分相對均一，但每一塊巖石都有獨特的信息。

那我們開展科學研究時，如何區(qū)分月巖、月壤、月塵呢？

月球樣品中顆粒直徑大于1 厘米的石塊，都會被當作巖石研究。直徑小于1 厘米，被當作月壤進行研究。月壤中顆粒直徑更細的物質(zhì)，會被當作月塵進行研究。

月球的巖石類型比地球上簡單得多。在月球上，巖石基本上都是巖漿巖，因為它沒有河流的搬運作用，所以也就沒有沉積巖。它也沒有高溫高壓的過程，所以也沒有變質(zhì)巖。月球上的巖石主要分為三大類：首先是斜長巖，主要分布在月陸地區(qū)，斜長巖的主要成分是鋁和鈣的硅酸鹽，鋁和鈣組成了淺色的礦物，所以月陸的表面反射太陽光的能力較強，看起來比較明亮。月球上顏色比較深的地方叫月海，月海中分布的主要是玄武巖，這種巖石里鐵鎂質(zhì)的礦物含量比較高，所以看起來顏色偏黑。第三類巖石叫角礫巖，這種巖石里既有斜長巖的碎片，又有玄武巖的碎片，這是因為微隕石的撞擊產(chǎn)生的高溫，把周圍的巖石碎片熔融、黏結(jié)在一起，形成了一種新的巖石類型。

月壤中藏著的秘密

整個月球表面都覆蓋著一層厚厚的月壤，不同的地方厚度不同。月陸地區(qū)歷史更古老，月壤厚達8 ?10 米;月海地區(qū)形成的年代相對較新，月壤厚度約為3 ?5 米。

人類將來要利用的月球資源，其實都蘊含在月壤里。月壤就像地球上的一些粉塵，去過沙漠的人知道，腳印踩上去之后，邊緣很快就塌掉了，因為砂礫之間的摩擦力很小，很難保持穩(wěn)定的形狀。但如果沙子里摻上水，腳印就特別清晰，這是因為沙子之間的黏結(jié)力增強了，能夠保持一定的形狀。

在月球上踩下的腳印，就像在潮濕的沙灘上踩下的腳印。月球土壤是小天體和隕石撞擊月球表面的巖石粉碎形成的，跟地球土壤由巖石風化、風沙和泥沙搬運，使得土壤顆粒相互摩擦變圓的方式不同，月壤顆粒棱角突出，呈多邊形，顆粒之間的摩擦力很大。所以，月球表面的月壤一旦壓實成型，比較容易保持原來的形狀，這是月球土壤和地球土壤的差別。

月球上只有黑白灰三種顏色，沒有彩色，但是月壤中卻發(fā)現(xiàn)了一些綠色的、橘黃色的玻璃珠，這可能是火山噴發(fā)形成的火山玻璃。通過對這些顆粒的研究，可以了解火山形成的過程，還能知道如何開發(fā)和利用這些月壤。

在美國休斯敦航天中心，我曾經(jīng)親眼看到月壤樣品，觸摸過月球巖石。在北京的一次國際學術(shù)交流會上，我有幸親手觸摸到來自月球的土壤。當時，我手上拿著阿波羅登月采集的一罐月壤，它被密封在一個小罐子里面，我手上拿一根磁鐵。當磁鐵移動的時候，有一團月壤跟著磁鐵一起移動。這就說明，月壤中含有單質(zhì)的納米鐵，產(chǎn)生了很強的磁性，這是月壤第二個重要性質(zhì)。

那么，納米鐵又是怎么形成的？這非常有意思。月球上是真空，小行星、微隕石撞擊月球表面之后，月壤中含有的氧化亞鐵，跟來自太陽風的氣體進行氧化還原反應，被還原成納米級的單質(zhì)鐵。與地球不同，這些單質(zhì)鐵在月壤中可以穩(wěn)定存在。如果將來有能力在月球上選礦的話，用磁力分選的方式，就可以把這些納米鐵收集起來，加工成一些金屬材料，而不必從地球上帶過去。