研究月壤，为登月和驻留作准备（上）

郑永春

2020 年12 月17 日凌晨1 时59 分，“嫦娥五号”返回器成功着陆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。中国国家航天局12 月19 日正式向中国科学院移交了本次从月球上采集回来的1 731 克月球土壤和岩石样品，国家天文台建设了月球样品实验室，专门用来保存分配这些月球土壤和岩石，并组织科学家开展科学研究。

月壤再临地球

科技的大厦不是一天建成的，而是要长期地积累。上一次的月球采样，已经是半个世纪以前了。1969—1972 年这短短的3 年间，美国共有12 名宇航员登陆月球，采集了381.7 千克月球岩石和土壤回到地球，这就是著名的阿波罗计划。1976 年，美国送给中国1 克月壤作为国礼。这1 克月壤，以欧阳自远院士为代表的中国科学家对其中的0.5 克进行了集中研究，发表了很多学术论文，得到了关于月球的一些认识，也奠定了中国探月工程的基础。另外的0.5 克月壤则被保存在北京天文馆进行展出。

中国的探月工程在上世纪90 年代开始论证，然后逐渐积累。2004 年农历大年初二，中国探月工程立项。2007 年10 月发射了“嫦娥一号”卫星;2010 年10 月发射了“嫦娥二号”卫星;2013 年“嫦娥三号”和“玉兔号”月球车登陆月球正面;2019 年1 月，“玉兔二号”月球车和“嫦娥四号”着陆器，成为人类历史上第1个登陆月球背面的航天器。随着“嫦娥五号”带着月壤返回地球，中国航天人通过16 年的努力，完成了探月工程“绕、落、回”三步走的目标。

有人可能會说， 美国已经采了二三百千克的月球土壤，我们的1 731克月球土壤是不是少了一点？对于月球样品来讲，重量不是问题，因为现在的分析技术已经很先进了，仪器的高精尖程度比50 年前有了巨大的进步，不用说1 731 克，即便是十分之一，173 克样品就已经可以满足所有的分析需求了。从科学家的角度，我们更希望从月球上的不同地区，采集多样化的月球土壤，因为不同地区的月壤中含有更丰富的信息。

科学家为何更喜欢研究月球岩石？

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，了解它的重量、大小、成分、矿物组成等信息，对采样地点的地质背景等相关信息都有完整的描述。

不同的月球岩石，来自月球不同地区，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分析，进行矿物组成分析，进行同位素定年等。通过这些细致而全面的研究工作，我们可以知道这块月岩的类型、形成年代，以及当时的形成环境。所以，从地质学家的角度看，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，但每一块岩石都有独特的信息。

那我们开展科学研究时，如何区分月岩、月壤、月尘呢？

月球样品中颗粒直径大于1 厘米的石块，都会被当作岩石研究。直径小于1 厘米，被当作月壤进行研究。月壤中颗粒直径更细的物质，会被当作月尘进行研究。

月球的岩石类型比地球上简单得多。在月球上，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，这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，形成了一种新的岩石类型。

月壤中藏着的秘密

整个月球表面都覆盖着一层厚厚的月壤，不同的地方厚度不同。月陆地区历史更古老，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，去过沙漠的人知道，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。

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，这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。

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，月壤中含有单质的纳米铁，产生了很强的磁性，这是月壤第二个重要性质。

那么，纳米铁又是怎么形成的？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。