首都科学讲堂 | 我们为何要研究月壤？（上）

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本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

2020年12月17日凌晨1时59分，嫦娥五号返回器成功着陆在内蒙古四子王旗预定区域，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成，探月工程圆满收官。本次任务共采集1731克月球样品，被移交给中国科学院国家天文台进行深入研究。科学家为何要登月“挖土”？月壤到底是怎么取样的，又将如何展开研究？

本期首都科学讲堂之“极简科学课”，中国科学院国家天文台研究员郑永春将带着我们一起，了解月壤的神奇之处与未来应用前景。

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主讲嘉宾：

郑永春

中国科学院国家天文台研究员，行星科学专家、科普作家

（供图 郑永春 摄影/张星海）

科学家为何更喜欢研究月球岩石？

1969年至1972年这短短的三年间，美国共有12名宇航员登陆月球，采集了381.7公斤的月球岩石和土壤回到地球，这就是著名的阿波罗计划。

阿波罗计划在月球表面考察的宇航员。

1976年美国总统特使访华的时候，送了1克阿波罗计划采集的月球样品给中国科学院，中国科学院把它交给中国科学院地球化学研究所，组织全国的科学家对其中的0.5克月岩进行研究，并发表了14篇论文。另外的0.5克月岩则被保存在北京天文馆进行展出。

阿波罗15号任务采集的月岩样品被封存在有机玻璃中。

阿波罗登月从月球上采集的岩石，每一块都有独特的编号。通过编号，可以追溯它是哪次任务、什么时候采集的，知道它的重量、大小、成分、矿物组成等，对采样地点的地质背景等相关信息都有完整的描述。

阿波罗计划采集的不同月岩样品。

阿波罗计划采集的不同月岩样品。

不同的月球岩石，来自于月球上的不同地区，蕴含着不同的月球信息。科学家会把它们切成薄片，在显微镜下观察，并进行微量元素和主量元素的分析，进行矿物组成的分析，进行同位素的定年，等等。通过这些细致而全面的研究工作，我们可以知道这块岩石的类型，它的形成年代，代表了当时什么样的形成环境。所以，从地质学家的角度来看，更喜欢月球的岩石，而不是月球的土壤。因为月球上同一个地方的土壤成分相对均一，所以只要有一个样品就够了，但每一块岩石都有独特的信息。

月球样品中颗粒直径大于1厘米的石块，都会被当做岩石来研究。直径小于1厘米被当做月壤进行研究。月壤中颗粒直径更细的物质，还会被当做月尘进行研究。

月球的岩石类型，要比地球上简单得多。月球上岩石基本上都是岩浆岩，因为它没有河流的搬运作用，所以也就没有沉积岩。它也没有高温高压的过程，所以也没有变质岩。月球上的岩石主要分为三大类，首先是斜长岩，主要分布在月陆地区，斜长岩的主要成分是铝和钙的硅酸盐，铝和钙组成了浅色的矿物，所以月陆的表面反射太阳光的能力较强，看起来比较明亮。月球上颜色比较深的地方叫月海，月海中分布的主要是玄武岩，这种岩石里面铁镁质的矿物含量比较高，所以看起来颜色偏黑。第三类岩石叫角砾岩，这种岩石里既有斜长岩的碎片，又有玄武岩的碎片，是因为微陨石的撞击产生的高温，把周围的岩石碎片熔融、黏结在一起，形成的一种新的岩石类型。

月壤中藏着很多秘密

整个月球表面都覆盖着一层厚厚的月壤，不同的地方厚度也不同。月陆地区形成的历史更古老，月壤厚达8-10米；月海地区形成的年代相对较新，月壤厚度约为3-5米。

人类将来要利用的月球资源，其实都蕴含在月壤里。月壤就像地球上的一些粉尘，去过沙漠你就知道，脚印踩上去之后，边缘很快就塌掉了，因为砂砾之间的摩擦力很小，很难保持稳定的形状。但如果把沙子里掺上水，脚印就特别清晰，这是因为沙子之间的黏结力增强了，能够保持一定的形状。

宇航员在月球上踩出的脚印。

在月球上踩下的脚印，就像在潮湿的沙滩上踩下的脚印。月球土壤是小天体和陨石撞击月球表面的岩石粉碎形成的，跟地球土壤由岩石风化、风沙和泥沙搬运，使得土壤颗粒相互摩擦变圆的方式不同，月壤颗粒棱角突出，呈多边形，颗粒之间的摩擦力很大。所以，月球表面的月壤一旦压实成型，比较容易保持原来的形状，这是月球土壤和地球土壤的差别。

月球上只有黑白灰三种颜色，没有彩色，但是月壤中却发现了一些绿色的、橘黄色的玻璃珠，可能是火山喷发形成的火山玻璃。通过对这些颗粒的研究，可以了解火山形成的过程，还能知道如何开发和利用这些月壤。

月壤中发现了一些绿色的、橘黄色的玻璃珠。

在美国休斯敦航天中心，我曾经亲眼看到月壤样品，触摸过月球岩石。在北京的一次国际学术交流会上，我有幸亲手触摸到了来自月球的土壤。当时，我手上拿着阿波罗登月采集的一罐月壤，它被密封在一个小罐子里面，我手上拿一根磁铁。当磁铁移动的时候，有一团月壤跟着磁铁一起移动。这就说明，月壤种含有单质的纳米铁，产生了很强的磁性，这是月壤的第二个重要性质。

一团月壤跟着磁铁移动。

纳米铁是怎么形成的？这非常有意思。月球上是真空，小行星、微陨石撞击月球表面之后，月壤中含有的氧化亚铁，跟来自太阳风的气体进行氧化还原反应，被还原成纳米级的单质铁。与地球上不同，这些单质铁在月壤中可以稳定存在。如果将来有能力在月球上选矿的话，用磁力分选的方式，就可以把这些纳米铁收集起来，加工成一些金属材料，而不必从地球上带过去。