行星礦產(chǎn)及行星資源地質(zhì)學(xué)初論*

秦克章 鄒心宇

1. 中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星學(xué)院，北京 100049

仰望星空、探索太空是人類從未停止的夢(mèng)想。

20世紀(jì)50年代末，人類開(kāi)啟了深空探測(cè)的序幕。迄今為止，已發(fā)射深空探測(cè)任務(wù)超過(guò)240次，對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)包括月球、行星、彗星、太陽(yáng)等天體進(jìn)行了探測(cè)，飛行最遠(yuǎn)的探測(cè)器距離地球超過(guò)200億km(葉培建等, 2018)。從1959年到1976年，美國(guó)和前蘇聯(lián)兩國(guó)共發(fā)射83個(gè)月球探測(cè)器，其中45個(gè)發(fā)射成功。1969年7月美國(guó)“阿波羅11號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了人類登上月球的夙愿，隨后美國(guó)“阿波羅”計(jì)劃和前蘇聯(lián)的“月球”計(jì)劃相繼進(jìn)行了多次登月取樣，共獲得了382kg月球樣品和難以數(shù)計(jì)的科學(xué)數(shù)據(jù)(歐陽(yáng)自遠(yuǎn)等, 2003)。僅在2020這一年，就有中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”、美國(guó)“毅力號(hào)”和阿聯(lián)酋“希望號(hào)”開(kāi)展火星探測(cè)任務(wù)，中國(guó)“嫦娥5號(hào)”月球采樣返回，日本“隼鳥(niǎo)2號(hào)”小行星采樣返回，歐洲航天局發(fā)射太陽(yáng)軌道探測(cè)器等。通過(guò)深空探測(cè)，取得了大量科學(xué)探測(cè)和技術(shù)成果，拓展了人類對(duì)太陽(yáng)系和宇宙的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了空間技術(shù)的進(jìn)步。20世紀(jì)70年代末，美國(guó)國(guó)家航空航天局開(kāi)始以行星采礦為目的研究太陽(yáng)系衛(wèi)星，許多行星采礦基礎(chǔ)設(shè)施、路線圖、開(kāi)采系統(tǒng)被提出(Dickson, 1978)。

我國(guó)自1993年起，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)10年的論證提出了中國(guó)月球探測(cè)分為“繞”、“落”、“回”的三步實(shí)施發(fā)展規(guī)劃(葉培建和彭兢, 2006; 葉培建等, 2018; 李春來(lái)等, 2021)，在此之后中國(guó)探月工程(嫦娥工程)四期制定了月球科學(xué)綜合研究、月基觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)研究、月球資源原地利用試驗(yàn)這三個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)，規(guī)劃了嫦娥6～8號(hào)等任務(wù)，擬建成具備科學(xué)探測(cè)、科研試驗(yàn)和資源利用技術(shù)驗(yàn)證等綜合功能的月球機(jī)器人科研站基本型(裴照宇等, 2015, 2020; Lietal., 2019)。

了解并利用行星礦產(chǎn)資源、可持續(xù)永久開(kāi)發(fā)太空是行星科學(xué)與深空探測(cè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。利用太空資源是實(shí)現(xiàn)持續(xù)太空開(kāi)發(fā)的唯一方式(李雄耀等, 2019)，將大力推動(dòng)太空工業(yè)和人類文明的發(fā)展。太陽(yáng)系中月球、水星、金星和火星都存在可以被人類利用的資源。月球正好可以成為我們開(kāi)發(fā)太空的階梯，由于火星只是一個(gè)荒漠，火星可當(dāng)成地球來(lái)開(kāi)發(fā)。關(guān)于行星礦產(chǎn)，尤其是月球上有哪些礦產(chǎn)，哪些礦產(chǎn)易于就地開(kāi)發(fā)利用，哪些礦產(chǎn)具有高附加值且地球上稀缺可星際傳輸是非常值得思考與探索的問(wèn)題。

類似于20世紀(jì)前期地殼露頭礦為主的早期找礦勘查階段，人類關(guān)注的共性要素可從如下三個(gè)方面考慮：一是工業(yè)巖石與礦物(包含制水、制氧等人類生活所需礦產(chǎn))的種類、品質(zhì)及可利用性；二是以利用其金屬、非金屬元素為目標(biāo)礦石的品質(zhì)(品位與共伴生組分的多寡與優(yōu)劣及可利用性)；三是基于行星與地球成礦作用的相似性與特殊性，發(fā)展比較行星礦產(chǎn)資源地質(zhì)學(xué)。行星礦產(chǎn)的勘探、開(kāi)發(fā)與利用也是廣大地球與行星科學(xué)工作者和深空探測(cè)界十分關(guān)心而又長(zhǎng)期未得以清晰論證的重要問(wèn)題。因目前積累的資料(主要來(lái)自月壤)尚十分稀缺，導(dǎo)致研究起來(lái)難度甚大，難免想象的成分居多，但這一步也不得不盡早邁出。在此從以下4個(gè)方面對(duì)該問(wèn)題作一嘗試性探討，以拋磚引玉。

1 行星資源地質(zhì)學(xué)的定義與內(nèi)涵

在地球上看，礦產(chǎn)資源是指通過(guò)地質(zhì)作用所形成的、埋藏于地殼淺部或出露于地表，并具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的礦物或有用元素含量達(dá)到工業(yè)利用價(jià)值要求的礦物集合體。而研究行星資源地質(zhì)學(xué)，就是研究行星上的礦產(chǎn)資源?？偟膩?lái)看，行星資源地質(zhì)學(xué)是比較行星學(xué)、地質(zhì)學(xué)與資源地質(zhì)學(xué)(礦床學(xué)、礦產(chǎn)勘查學(xué))及行星探測(cè)技術(shù)與行星開(kāi)發(fā)地質(zhì)工程的交叉領(lǐng)域，是研究研究行星礦產(chǎn)資源類型、分布、成因、演化規(guī)律，以及尋找、勘查、評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)并利用行星礦產(chǎn)資源的一門學(xué)科。

行星資源地質(zhì)學(xué)的主要研究對(duì)象是地球以外的星體，如月球、火星、金星等類地行星，主要研究方法是以資源地質(zhì)學(xué)的視角，對(duì)研究對(duì)象的資源稟賦和潛在分布進(jìn)行探索、對(duì)其成分-結(jié)構(gòu)-性能、元素賦存狀態(tài)、開(kāi)發(fā)利用價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，從而為行星礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與太空的可持續(xù)永久開(kāi)發(fā)建設(shè)提供基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)方法。行星資源地質(zhì)學(xué)有別于行星地質(zhì)資源與工程學(xué)(李守定等, 2019)，前者聚焦于行星礦產(chǎn)資源，而后者則側(cè)重于基地建設(shè)與資源開(kāi)發(fā)。

目前，行星資源地質(zhì)學(xué)最重要的研究對(duì)象就是月球，這個(gè)人類曾經(jīng)登上去的地方、也是離地球最近的星體。筆者嘗試以行星資源地質(zhì)學(xué)的視角，分析月球上可能蘊(yùn)含著哪些礦產(chǎn)資源，并對(duì)更具活力的火星潛在的礦產(chǎn)資源予以討論。

2 行星礦產(chǎn)資源的類型、礦種——以月球?yàn)槔?/h2>

如今距人類首次登月“阿波羅11號(hào)”已經(jīng)52年，月球一直是各大國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)的首選目標(biāo)，也是人類開(kāi)展太陽(yáng)系空間探測(cè)的理想基地和前哨站。前人主要從巖石學(xué)家或地球化學(xué)家的視角開(kāi)展了行星資源地質(zhì)學(xué)的探索，如認(rèn)為月球具有KREEP巖、鈦鐵礦和3He資源。但是前人的觀察是全球尺度的，且品種尚相當(dāng)局限，難以滿足太空基地建設(shè)的需要。迄今從礦床學(xué)角度出發(fā)的比較行星礦產(chǎn)資源地質(zhì)學(xué)研究尚鮮見(jiàn)。

因此，我們有必要從礦床學(xué)和月球-地球巖石組成對(duì)比的角度，根據(jù)地球上金屬礦產(chǎn)資源和非金屬礦產(chǎn)資源的成因、分布及相關(guān)的地質(zhì)作用，對(duì)月球潛在的金屬礦產(chǎn)和非金屬礦產(chǎn)資源的種類和可能分布作進(jìn)一步探索和拓展性思考。以下思考不乏大膽想象的成分，旨在為行星礦產(chǎn)資源的研究與開(kāi)發(fā)提供較開(kāi)闊的思路與啟示。

2.1 月球的結(jié)構(gòu)與巖石組成

行星殼的巖性主要為火成巖，從成因上分析可能形成于火山噴發(fā)或隕石撞擊，其過(guò)程產(chǎn)生的熱量是行星巖石熔融分異以及發(fā)生變質(zhì)作用的主要能量之一。月球的月表主要由三大結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即風(fēng)暴洋KREEP地體(PKT, Procellarum KREEP Terrane)、斜長(zhǎng)巖高地(FHT, Feldspathic Highlands Terrane)和南極艾肯盆地(SPA, South Pole Aitken Terrane)。

根據(jù)“Apollo”、“Luna”、“嫦娥-5”計(jì)劃(圖1)獲取的巖石樣品(圖2a)以及更具有全月球代表性的月球隕石(圖2b)的成分特征與成因，目前常常將月球巖石分為三大類，即月海玄武巖、高地巖石和KREEP巖(Heikenetal., 1991)。月海玄武巖富鐵，可根據(jù)其鈦與鋁的含量而進(jìn)一步分為低鈦玄武巖、高鈦玄武巖和高鋁低鈦玄武巖；KREPP巖本質(zhì)上屬于玄武巖，但與月海玄武巖不同的是其極其富含不相容元素(如K, REE, P, Th, U等)；而高地巖石是構(gòu)成原始地殼最主要的巖石類型，主要由富鈣斜長(zhǎng)石(An95-97)構(gòu)成(歐陽(yáng)自遠(yuǎn), 2005)。

圖1 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局月球地貌圖(據(jù)Hiesinger and Head, 2006)展現(xiàn)了月球正面(a)與背面(b)的“Apollo”和“Luna”計(jì)劃著陸點(diǎn)、盆地及其他主要地形Fig.1 Global views of the Moon (USGS shaded relief map, from Hiesinger and Head, 2006)Figure from nearside (a) and farside (b) shows the location of the “Apollo”and “Luna”landing sites, basins, and other prominent morphologic features

圖2 月球樣品(a) Apollo月壤樣品(Zeng et al., 2019)；(b)第一塊確認(rèn)的月球隕石Allan Hills 81005(美國(guó)國(guó)家航空航天局拍攝，自Meteoritical Bulletin Database)Fig.2 Lunar samples(a) Apollo soil particles (from Zeng et al., 2019); (b) first approved meteorite (Allan Hills 81005) classified as Lunar (photographs by NASA photo S82-35869 referenced in the Meteoritical Bulletin Database)

總的來(lái)看，月球和地球有著明顯的區(qū)別。月球極度虧損揮發(fā)分，非常干燥(Nozetteetal., 2001; Campelletal., 2003)，而且是單一板塊的行星體，未經(jīng)歷板塊構(gòu)造(肖龍, 2013)，并不發(fā)育地球上常見(jiàn)的各類弧巖漿-大陸巖漿類型(如安山巖、花崗巖等)。

2.2 月球的金屬資源

根據(jù)大尺度月表探測(cè)以及月表樣品的觀測(cè)，月球上含有在地球上發(fā)現(xiàn)的所有元素，但是它們并不富集成礦(Dukeetal., 2006)。然而，由于：(1)礦床往往都是都聚集在很小的范圍之內(nèi)(例如，地球上的斑巖礦床、銅鎳硫化物礦床、膠東金礦等單個(gè)礦床通常分布在幾平方千米到幾百平方千米的范圍內(nèi))；(2)與礦床伴隨的大規(guī)模巖體往往不富集礦質(zhì)元素；(3)礦床往往都是隱伏的(如地球上的銅鎳硫化物礦床、中溫?zé)嵋航鸬V、斑巖礦床形成于古地表20～1.5km不同深度)(秦克章等, 1997, 2021)。因此，從礦床學(xué)的角度看，月球雖然目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與地球類似的金屬“礦床”，但月球依然充滿找礦潛力。我們將從影響地球金屬礦產(chǎn)資源的成礦專屬性因素、構(gòu)造因素、太空風(fēng)化因素等角度，嘗試探討月球潛在的金屬礦產(chǎn)資源的品種及其分布。

2.2.1 新的成礦可能性——來(lái)自成礦專屬性與構(gòu)造背景的認(rèn)知

雖然月球現(xiàn)在沒(méi)有巖漿活動(dòng)，但是在距今39億年左右可能經(jīng)歷了高強(qiáng)度的小行星轟擊階段，形成了月面上大大小小的撞擊盆地，之后距今38～31億年間被不斷噴發(fā)出的玄武巖漿所充填。Zhangetal.(2015)從測(cè)月雷達(dá)的數(shù)據(jù)中解譯出月壤之下的深處有3個(gè)界面，代表了3套玄武巖的厚度，其中最上面一套，即最晚一期玄武巖厚達(dá)195m，這表明月球巖漿活動(dòng)的晚期，也就是約25億年前，仍存在巨量的玄武巖漿噴發(fā)。這些玄武巖很可能是由富Fe-Ti的月幔源區(qū)部分熔融形成的(Linetal., 2012)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們十分關(guān)注月海玄武巖中的鈦鐵礦，克里普巖中的稀土元素、釷和鈾，以及月壤中的核聚變?nèi)剂稀?He。其中克里普組分(KREEP)，因富含鉀(K)、稀土(REE)和磷(P)而得名。而氦則是地球上稀少的資源，但是月壤中的3He可達(dá)100～500萬(wàn)t(歐陽(yáng)自遠(yuǎn), 2002)。月球鈦鐵礦中的鈦含量普遍高于地球，月球正面玄武巖中TiO2含量高于4.5%的總資源量可達(dá)70～100萬(wàn)億t (Giguereetal., 2000)。基于月球表面與淺層被大面積的玄武巖所覆蓋，那么其下相對(duì)應(yīng)的鎂鐵-超鎂鐵侵入巖乃至層狀巖體的含礦性就理當(dāng)給予更大的關(guān)注。由此看，月球的礦產(chǎn)資源還有新的可能性。

首先，從地球上看，成礦專屬性對(duì)于礦床類型和礦種具有重要的控制作用。以巖漿礦床為例，其形成與地幔的基性-超基性巖漿存在對(duì)應(yīng)關(guān)系：鉻鐵礦床與超基性巖相伴，銅鎳硫化物礦床與基性-超基性巖相伴，釩鈦磁鐵礦礦床與基性巖相伴，金剛石礦床與金伯利巖和鉀鎂煌斑巖相伴，磁鐵礦-赤鐵礦礦床與安山巖相伴，鉑族元素礦床與超基性巖和基性巖相伴，磁鐵礦-磷灰石礦床與深成堿性巖相伴。因此，成礦專屬性非常有助于判斷月球上可能有什么樣的礦，能找什么樣的礦。考慮到月球主要以鎂鐵-超鎂鐵巖為主，月球上沒(méi)有條件形成包括花崗巖/云英巖型鎢-錫礦床、斑巖型Cu-Mo-Au礦床與淺成低溫?zé)嵋旱V床、造山型Au礦在內(nèi)的各類與中酸性巖有關(guān)的、與流體有關(guān)的巖漿-熱液礦床。月球上形成的礦床可能主要是與基性-超基性巖以及堿性巖有關(guān)的礦床，例如：鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖有關(guān)的Cu-Ni-Co礦床、層狀巖體型鉻鐵礦床、鉑族元素礦床、鈦鐵礦礦床、釩鈦磁鐵礦礦床等。

其次，構(gòu)造是控制地球上礦床類型和礦種的又一重要因素。以鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖為例，它可以產(chǎn)出于洋中脊(如洋中脊玄武巖MORB)、俯沖帶(如阿拉斯加型巖體，如烏拉爾地區(qū))、地幔柱(如布什維爾德巖體、Stillwater巖體、Iceland、Hawaii; Bryan and Ernst, 2008)、造山帶(東天山各類基性巖-超基性巖礦床;Qinetal., 2011; 秦克章等, 2012)，以及特殊的構(gòu)造背景——隕石撞擊坑(肖德貝利；Mungalletal., 2004)。不同構(gòu)造背景下，鎂鐵-超鎂鐵巖形成不同類型的礦床(秦克章等, 2017)。例如，俯沖-碰撞帶可以發(fā)育蛇綠巖型鉻鐵礦床、地幔柱以及地幔柱疊置造山帶的區(qū)域主要產(chǎn)出銅鎳鈷硫化物礦床、碰撞造山帶背景主要產(chǎn)出中溫?zé)嵋航鸬V床和淡色花崗巖有關(guān)的稀有金屬礦床。

綜合考慮月球以超鎂鐵質(zhì)巖為主體的巖石類型以及不存在板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)機(jī)制這兩大因素，月球上最有可能富集的金屬元素為PGE、Cr、Cu-Ni-Co、V-Ti-Fe、Nb-Ta-Be-U-REE等元素。這些金屬元素有可能賦存在與月幔以及類似于地幔柱的月幔柱有關(guān)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)礦床(如南非布什維爾德，圖3a)以及與撞擊有關(guān)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖礦床(如加拿大肖德貝利礦，圖3b)。

圖3 地球上兩類構(gòu)造背景有關(guān)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖礦床(a)地幔柱有關(guān)的南非布什維爾德層狀巖體(據(jù)Junge et al., 2015修改)；(b)撞擊有關(guān)的加拿大肖德貝利礦床(Rousell et al., 2003; Keays and Lightfoot, 2004)Fig.3 Mafic-ultrafic rocks associated ore deposits in the two kinds of geological settings in the Earth(a) geological plane and profile maps of the Bushveld layered complex, South Africa (modified after Junge et al., 2015); (b) geological map of Sudbery complex (Rousell et al., 2003; Keays and Lightfoot, 2004)

2.2.2 月球潛在的礦產(chǎn)資源——地球上的層狀巖體與隕石撞擊構(gòu)造兩類礦床實(shí)例

地幔柱是地球動(dòng)力系統(tǒng)中重要的組成部分，不僅形成規(guī)模巨大的大火成巖省(Ernst, 2014)，也形成了眾多具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦床類型(表1)。而與地幔柱有關(guān)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)礦床，是月球上可能存在的一種成礦類型(表2)。由地幔柱形成不同的巖漿系列顯示了特有的成礦專屬性，如鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)層狀巖體與釩鈦磁鐵礦礦床和銅鎳硫化物礦床，科馬提巖與銅鎳硫化物礦床，斜長(zhǎng)巖與釩鈦磁鐵礦礦床，過(guò)堿性花崗巖系列與鈮-鉭-鋯-稀土礦床，金伯利巖與金剛石礦等(秦克章等, 2012; 徐義剛等, 2013)。地幔柱成礦的重要案例為南非Bushveld巖體。Bushveld巖體東西長(zhǎng)約450km，南北寬約350km，厚7～9km(Naldrettetal., 2008)(圖3a)，是世界上規(guī)模最大的層狀巖體，賦含有世界上最大的條帶狀鉻鐵礦床、鉑族元素礦床和釩鈦磁鐵礦礦床。該巖體分為底部邊緣帶、下部帶、關(guān)鍵帶、主帶和上部帶(圖3a)。最主要的賦礦層位為上部帶與關(guān)鍵帶。上部帶主要由塊狀至層狀輝長(zhǎng)巖、橄長(zhǎng)巖和橄欖閃長(zhǎng)巖組成(Naldrettetal., 2008)，層狀特征發(fā)育。厚度為2000～2800m(Arndtetal., 2005)，以磁鐵礦、橄欖石和磷灰石堆晶相的出現(xiàn)為特征(Cawthorn, 2007)，賦含26個(gè)磁鐵礦含量>50%的磁鐵礦層，累積厚度20.4m，并有260萬(wàn)t釩和2.1億t鈦(Mccandlessetal., 1999; Kinnairdetal., 2005)。以堆晶斜長(zhǎng)石的首次出現(xiàn)為標(biāo)志把關(guān)鍵帶分為上下兩部分。下關(guān)鍵帶為超鎂鐵巖，以斜方輝石厚堆晶層為特征，含若干鉻鐵礦巖層，包括LG1-7和MG1，厚度可以超過(guò)1m(Scoon and Teigler, 1994)；上關(guān)鍵帶包括超鎂鐵巖堆晶、方輝橄欖巖、蘇長(zhǎng)巖和斜長(zhǎng)巖，包括MR和UG2鉻鐵巖層在內(nèi)的主要PGE資源都賦存在上關(guān)鍵帶。“關(guān)鍵帶”內(nèi)Cr總資源量34.7億t，PGE儲(chǔ)量為6.5萬(wàn)t，其中Pt資源量占全球總資源量的75%，Pd資源量占全球總資源量的54%(Naldrettetal., 2009; Vermaak, 1997; Naldrett, 2004)。

表1 大火成巖省巖漿系列與伴生的成礦作用Table 1 Magmatic series in large igneous provinces and associated mineralization

表2 月球上可能的資源類型Table 2 Potential types of mineral resources in the Moon

另一種月球上可能存在的成礦類型為與撞擊有關(guān)的巖漿型銅鎳硫化物礦床(表2)。巖漿型銅鎳硫化物礦床是指與鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖相關(guān)的富含Cu、Ni的硫化物礦床，是世界上銅、鎳、鉑族元素的最重要來(lái)源，其中肖德貝里(Sudbury)是全球最重要的銅鎳礦集區(qū)(銅鎳儲(chǔ)量全球第二)之一(圖3b)，被認(rèn)為礦床的形成與隕石的撞擊引起地殼熔融有關(guān)(Mungalletal., 2004)，其邊部還產(chǎn)有柯石英、金剛石微粒以及石墨礦?？紤]到月球上的撞擊盆地和大型撞擊坑很多，但被撞擊的月殼的再次撞擊熔融能否會(huì)使這些微量元素足夠富集而成礦床，值得重點(diǎn)研究?？紤]到月球上隕石撞擊事件頻頻發(fā)生，形成隕石沖擊型礦產(chǎn)是完全有可能的。

2.3 月球的非金屬資源

非金屬資源是一種重要的礦產(chǎn)資源。在地球上，非金屬資源主要被用于建筑材料(如水泥、石材、磚瓦、各類填料)、制作生活用具(如陶瓷、玻璃)、實(shí)現(xiàn)特定功能(如化工、制造、農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)用、航空航天)，也是最重要的珠寶玉石的來(lái)源。然而，由于月球水含量極低，且不發(fā)育變質(zhì)作用，使其無(wú)法形成絕大多數(shù)地球上常見(jiàn)的非金屬資源。

目前，只有粗粒月壤可作為非金屬資源，用于建筑用途及部分原材料。月壤形成過(guò)程中的強(qiáng)烈太空風(fēng)化，產(chǎn)生了撞擊熔融玻璃和納米鐵等，還可以通過(guò)粒度分選，得到微納米的月壤及特殊礦物材料(Linetal., 2012; Xiaoetal., 2015)。然而，由于月球上沒(méi)有包括石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白堊和大理巖在內(nèi)的石灰質(zhì)原料，沸石和浮巖等活性材料以及各類沉積巖和黏土作為輔助原料，無(wú)法制作水泥。因此，粗粒月壤并不能用于傳統(tǒng)意義上的混凝土建設(shè)。

月球玄武巖制作纖維。地球上以天然玄武巖拉制連續(xù)纖維已獲應(yīng)用，是玄武巖石料在1450～1500℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖纖維是一種新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料，它是由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成。玄武巖連續(xù)纖維不僅強(qiáng)度高，而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優(yōu)異性能(謝爾蓋和李中郢，2003)。玄武巖連續(xù)纖維已在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業(yè)、高溫過(guò)濾織物以及防護(hù)領(lǐng)域等多個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

需要指出的還有，月球重力低，溫差大，沒(méi)有氧氣，但有強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)作用(注入H離子，200nm表面)，因而太空風(fēng)化作用可能相當(dāng)發(fā)育。從地球上的物理-化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物推測(cè)，月球上太空風(fēng)化作用聚礦值得高度重視?？赡芫劢钩傻V的高豐度元素及特征重礦物，具有比重大、硬度高、抗風(fēng)化能力強(qiáng)的礦物，包括金、鉑、鋯石、鈮鉭鐵礦、金紅石、鈦鐵礦、獨(dú)居石、磁鐵礦、鉻鐵礦等。通過(guò)超低重力環(huán)境進(jìn)一步長(zhǎng)距離空中風(fēng)選，有可能成為品質(zhì)優(yōu)良的古砂礦型金屬與非金屬礦產(chǎn)。

月球采礦冶煉。常用金屬，如鋁，鐵，鈦，等，可以高溫電解得到。稀有貴金屬，如金、鉑、鈀、釕、銠、鋨、銥，熔融高豐度月巖后可以直接沉積得到，而它們又是很好的電解陽(yáng)極材料。月巖融化后拉成細(xì)絲，變成月巖纖維，性能與玄武巖纖維、玻璃纖維差不多，抗拉強(qiáng)度很高，可以用作天機(jī)索的原料。月球上要進(jìn)行規(guī)模化建筑，可以直接熔融月壤結(jié)塊，作為基礎(chǔ)材料，也可以用來(lái)直接硬化月表。高溫熔融可以簡(jiǎn)單地聚焦反射太陽(yáng)光到月球土壤。另外，月球上能量供應(yīng)充足，便于能源利用的溫差大、高真空、低重力，沒(méi)有空氣帶來(lái)的困擾，沒(méi)有侵蝕氧化，在月球上建立冶煉廠、工廠，在機(jī)器人幫助下，生產(chǎn)條件比地球好很多。鉆石有非常優(yōu)良的物理性能，包括導(dǎo)熱性，硬度，強(qiáng)度，光學(xué)性能等，但在地球上很難生產(chǎn)，真空環(huán)境中可以開(kāi)發(fā)出快速大塊鉆石生產(chǎn)技術(shù)，開(kāi)拓全新的工業(yè)應(yīng)用空間。很多情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求也會(huì)大大降低，有可能建設(shè)非常大的結(jié)構(gòu)，便于建成永久性科研與生活基地，從而成為向外太空探測(cè)的中繼站。未來(lái)幾十年內(nèi)，也許人類就會(huì)在月球、火星上建設(shè)巨大的城市。

2.4 月球礦產(chǎn)資源的尋找

基于成礦專屬性、構(gòu)造因素的制約，可以推斷出月球最有可能開(kāi)發(fā)和利用的礦產(chǎn)資源是與月幔(月幔柱)、與撞擊有關(guān)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖礦床以及與KREEP巖有關(guān)的稀有-稀土礦產(chǎn)。前兩類巖漿礦床往往產(chǎn)出的金屬類型為Cr、Co、Ni-Cu、PGE、Fe、V、Ti，除了鉻鐵礦、磁鐵礦和鈦鐵礦之外，都是金屬硫化物礦床。我們可以根據(jù)地球上的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)這一特定資源類型進(jìn)行勘探。目前，地球上主要有遙感、地球化學(xué)勘探和地球物理勘探三類方法，用于資源的探測(cè)。

在地球上，我們已經(jīng)可以基于不同衛(wèi)星、不同信號(hào)來(lái)源通過(guò)提取特定波長(zhǎng)的信號(hào)來(lái)確定成礦靶區(qū)，該方法已經(jīng)成功運(yùn)用在各類巖性識(shí)別領(lǐng)域的找礦上(包括鎂鐵-超鎂鐵巖)。由于遙感方法不需要人近距離到目的地，因此，當(dāng)前衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)遙感，在地球上，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)(西藏、新疆等)的礦產(chǎn)資源勘探上起到了越來(lái)越重要的先行者作用。但值得一提是，由于月球上覆蓋了一層數(shù)米到十余米厚的月壤，且由于月球缺乏化學(xué)風(fēng)化作用，很有可能使得常規(guī)遙感方法在月球上失效。這是因?yàn)檫b感方法：(1)穿透性不強(qiáng)，容易受到月壤的干擾；(2)遙感方法需要通過(guò)特定指標(biāo)去探測(cè)異常，而這些指標(biāo)往往是明顯區(qū)別于本地的。如地球上由于風(fēng)化作用的存在，大量成礦元素會(huì)被淋濾出來(lái)，這使得礦床附近會(huì)有顯著的金屬元素異常，或是形成特征的含水的表生礦物，如黃鉀鐵礬、鐵帽等。此外，地球上大量礦床往往都伴隨了一定的蝕變作用，包含水羥基和羥基等的特征譜線是遙感的重要識(shí)別標(biāo)志，然而月球是十分干燥的，因此月球遙感找礦可能無(wú)法簡(jiǎn)單套用地球的模式(Linetal., 2020a, b)，需要進(jìn)一步尋找可靠的找礦識(shí)別標(biāo)志。

固體地球物理方法是去尋找具有重磁電彈性波異常的地質(zhì)體。而金屬硫化物具有高重力和密度、一定的磁化率和較高的極化率(劉光鼎等, 2013)，因此重力、磁力、電法和淺層地震方法都已經(jīng)被成功運(yùn)用在地球上鎂鐵-超鎂鐵巖的找礦勘探上。其中，航磁方法不需要進(jìn)行人到達(dá)實(shí)地，因此也可能是月球勘探早期十分重要的方法。然而，值得注意的是，由于月球在30億年之后沒(méi)有磁場(chǎng)，航磁方法可能只適用于月面古老地區(qū)(根據(jù)隕石坑分布可以圈定)的找礦。

3 火星的潛在礦產(chǎn)資源

火星是另一個(gè)人類重點(diǎn)探測(cè)的星球。“海盜Ⅰ”、“海盜Ⅱ”、“探路者號(hào)”、“機(jī)遇號(hào)”和“好奇號(hào)”火星探測(cè)器發(fā)現(xiàn)火星土壤普遍為硅酸鹽，其主要成分有高鐵礦物、其他磁性物質(zhì)以及高濃度的硫酸鹽、氯鹽和微量的溴化物(Rossi and Gasselt, 2018)。與月球不同的是，目前已經(jīng)有明確的證據(jù)表明火星上存在液態(tài)水，例如在蓋爾環(huán)形山(Gale Crater)上發(fā)育有厚達(dá)130m以上的細(xì)粒風(fēng)化和河湖相沉積物(Bristowetal., 2018)。此外，火星上可能曾經(jīng)存在板塊構(gòu)造(Yin, 2012)。

總的來(lái)看，由于水(以及可能的板塊構(gòu)造)的存在，使得火星與月球相比，不僅同樣可能發(fā)育與地幔柱、隕石撞擊有關(guān)的鎂鐵質(zhì)巖漿礦床，還可能發(fā)育其它兩類成礦作用。

(1)與水有關(guān)的沉淀、化學(xué)風(fēng)化與次生富集作用。在地球上，水通過(guò)參與礦物的沉淀-溶解、巖石的化學(xué)風(fēng)化以及搬運(yùn)沉積，從而影響了地球金屬的再分布和非金屬資源的形成。地球上很多非金屬資源來(lái)自于流體的沉淀，如各類氯化物(石鹽、鉀鹽等)、硫酸鹽(雜鹵石、石膏等)、硝酸鹽(鉀、鈉、硝石等)和硼酸鹽(硼砂等)等蒸發(fā)巖礦物；沉積作用可以形成各類可作為建筑材料的沉積巖(泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖、石英砂、石英砂巖、石灰?guī)r)、與風(fēng)化有關(guān)的礦產(chǎn)(沉積型Co礦、斑巖礦床的次生富集帶、砂金)；化學(xué)風(fēng)化可以形成包括伊利石、高嶺土、膨潤(rùn)土(蒙脫石)、凸凹棒石粘土、海泡石粘土、纖維狀海泡石、累托石粘土、硅藻土在內(nèi)的各類具有重要功能性質(zhì)的黏土材料，以及產(chǎn)出于氧化帶的紅土鎳礦、風(fēng)化殼離子吸附型的重稀土礦等。此外，次生富集普遍存在于地表過(guò)程，可以形成礦床的次生富集帶、砂金、狗頭金等。

(2)變質(zhì)作用。變質(zhì)作用是巖石在一定的溫度和壓力條件下，發(fā)生結(jié)構(gòu)和成分變化的效應(yīng)。當(dāng)今地球很多的金屬-非金屬資源的分布于變質(zhì)帶之中，或者直接在變質(zhì)作用下形成，如很多寶玉石和非金屬礦床都分布于變質(zhì)帶之中。變質(zhì)作用可形成翡翠、剛玉(紅寶石、藍(lán)寶石)、綠松石、瑪瑙、透閃石、蛇紋巖(岫巖玉、藍(lán)田玉等)、滑石、葉蠟石(壽山石、田黃、凍石)等重要的非金屬珠寶玉石資源。

綜上所述，由于水(以及可能的板塊構(gòu)造)的存在，火星可能具備發(fā)育與沉淀、化學(xué)風(fēng)化、次生富集作用以及變質(zhì)作用有關(guān)的條件，具有潛在的類似地球的礦產(chǎn)資源稟賦。

此外，C型小行星(碳質(zhì)小行星)表面物質(zhì)含有水分，還蘊(yùn)藏其他稀有金屬和礦產(chǎn)資源，成為潛在的“地外礦藏”。M型小行星(金屬小行星)含鐵、鎳之類的金屬，約90%含量為鐵，其余約10%為鎳，還可能含有鉑、鈷、銠、銥、鋨等稀貴金屬。

4 行星資源的開(kāi)發(fā)與利用

行星資源地質(zhì)學(xué)將為人類在月球上的科學(xué)考察、長(zhǎng)期居住等提供重要的助力。后續(xù)的“嫦娥工程”中，包含開(kāi)展月球基地的建設(shè)和月球礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)。在此過(guò)程中，主要有生存和發(fā)展兩大需求。從長(zhǎng)期看，人類在月球長(zhǎng)期生存必須要盡可能的利用月球已有的資源。由于高昂的太空運(yùn)輸成本，月面建造普遍采用原位資源建造技術(shù)(ISRU)為主、地球運(yùn)輸材料為輔的建造方案(Ruessetal., 2008; Benaroyaetal., 2012)，尤其是水、氧氣、能源、礦產(chǎn)、建筑材料的月球增量是十分必要的。

(1)制氧的問(wèn)題。目前，美國(guó)國(guó)家航空航天局幾經(jīng)討論后形成了這樣的共識(shí)：對(duì)月球前哨而言，月球資源原位利用首要目的就是制氧(Mckay, 1992; Simon, 2008)。在能源允許的情況下，理論上月壤中的氧(賦存在硅酸鹽礦物的晶格中)是取之不盡的。目前，基于氫還原工藝、碳熱還原工藝和熔融氧化物電解工藝的月壤制氧技術(shù)已經(jīng)可以從大塊月壤中提取1%～30%的氧(Sanders and Larson, 2012)，其中碳熱還原工藝可以成為我國(guó)的優(yōu)選方案(閻師等, 2017)。

(2)水的問(wèn)題。在月球上，水的來(lái)源主要是存在于極地永久陰影區(qū)的水冰(李志杰和果琳麗, 2017)。

(3)材料的問(wèn)題。由于月球上不具備水泥的原材料，因此在月球上應(yīng)該使用非傳統(tǒng)的材料(如硫混凝土；Grugel and Toutanji, 2008)或者非傳統(tǒng)的固化技術(shù)(如太陽(yáng)能燒結(jié)；Nakamura and Smith, 2010; 微波燒結(jié)；Roedeletal., 2014)以充分利用月壤資源(馮鵬等, 2021)。月球混凝土是月球基地建設(shè)的首選材料(李志杰和果琳麗, 2017)。此外，月壤也可以用于制作玻璃，作為日常生活的容器。

(4)從能源上看，月球的主要能源系統(tǒng)將從早期的太陽(yáng)能，過(guò)渡階段的核裂變階段發(fā)展到最晚期的核聚變階段(任德鵬等, 2018)。在最早期太陽(yáng)能階段，太陽(yáng)能電池板無(wú)法原地制造，需要從地球上運(yùn)輸。由于月球具有14天的白晝、14天的黑夜，使得太陽(yáng)能不足以全天候供電，需要儲(chǔ)能。新能源電池最主要組成的鋰、鎳、鈷、鉑族元素，除了鋰，其它月球均具有豐產(chǎn)的地質(zhì)條件。目前，最有效的儲(chǔ)能方式是通過(guò)利用電解水+燃料電池的方式開(kāi)展化學(xué)儲(chǔ)能(孫峰等, 2015)，其中氧化鋅方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室水解循環(huán)(徐波等, 2009)。

(5)從礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)上看，月球具有較低的重力條件，而潛在的主要金屬資源為巖漿礦床，礦物類型為硫化物，這使得破碎和風(fēng)選成為月球選礦的可行方式。在此基礎(chǔ)上，在水和微生物的作用下，對(duì)精礦進(jìn)行堆浸提取，應(yīng)該是提取高價(jià)值元素或是制成精礦粉的重要方式。

5 結(jié)論與展望

月球不僅僅包含了月壤氣體資源(He、H)、月海玄武巖鈦鐵礦資源、KREEP巖稀土以及釷和鈾資源；還很可能具有與隕石撞擊或者月幔柱有關(guān)的、分布于月表環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的鎂鐵-超鎂鐵巖有關(guān)的巖漿礦床，可能的礦產(chǎn)資源包括Cr、Ni-Cu-Co、V-Ti-Fe、PGE、Ta-Nb-Be-U-REE等元素；以及特征的物理風(fēng)化形成的古砂礦重礦物。高分辨率的遙感光譜成像和航重、航磁方法將可能在早期金屬礦產(chǎn)資源探測(cè)中起到重要的作用。從月球開(kāi)發(fā)的視角看，月球能源的供給是最重要的。而月壤3He氣體資源的開(kāi)發(fā)利用將是人類得以在月球長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的核心要素。而火星相比于月球，由于水(以及可能存在的板塊構(gòu)造)的作用，其可能潛在具有類似于地球的金屬與非金屬資源稟賦。

總之，對(duì)行星礦產(chǎn)資源的研究、勘探、開(kāi)發(fā)與利用是行星資源地質(zhì)學(xué)的重要任務(wù)。研究與開(kāi)發(fā)行星礦產(chǎn)資源是實(shí)現(xiàn)太空永久與太空可持續(xù)開(kāi)發(fā)的重要前提。未來(lái)行星資源地質(zhì)學(xué)應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)學(xué)、行星化學(xué)、行星地質(zhì)學(xué)、行星物理學(xué)、礦業(yè)工程、冶金工程和材料學(xué)的交叉融合及理論應(yīng)用，發(fā)展行星地質(zhì)勘探方法與智能機(jī)器人工程技術(shù)，發(fā)展高/低溫、高/低壓、高輻照、低/微重力環(huán)境條件下樣品采集、加工、多尺度測(cè)試分析理論與方法，培養(yǎng)具有地質(zhì)資源與行星科學(xué)背景的交叉人才。

致謝相關(guān)思考中，曾與吳福元院士、魏勇研究員、李守定正高級(jí)工程師等同仁討論，獲益良多。林楊挺研究員審閱初稿提出寶貴意見(jiàn)與建議。承蒙韓春明研究員等審閱初稿提出重要的修改建議。在此一并致以誠(chéng)摯的謝意！

第一作者博士后期間跟隨孫樞院士和李繼亮研究員學(xué)習(xí)大地構(gòu)造，將研究視域從礦床學(xué)拓展到大地構(gòu)造與成礦。手頭還保留有李繼亮先生的藏書(shū)《在地球之外》(翻譯自俄文，1999)和《神秘的月球》(2001)。謹(jǐn)以此文紀(jì)念恩師孫樞先生和李繼亮先生！