行星矿产及行星资源地质学初论*

秦克章 邹心宇

1. 中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

2. 中国科学院大学地球与行星学院，北京 100049

仰望星空、探索太空是人类从未停止的梦想。

20世纪50年代末，人类开启了深空探测的序幕。迄今为止，已发射深空探测任务超过240次，对太阳系内包括月球、行星、彗星、太阳等天体进行了探测，飞行最远的探测器距离地球超过200亿km(叶培建等, 2018)。从1959年到1976年，美国和前苏联两国共发射83个月球探测器，其中45个发射成功。1969年7月美国“阿波罗11号”首次实现了人类登上月球的夙愿，随后美国“阿波罗”计划和前苏联的“月球”计划相继进行了多次登月取样，共获得了382kg月球样品和难以数计的科学数据(欧阳自远等, 2003)。仅在2020这一年，就有中国“天问一号”、美国“毅力号”和阿联酋“希望号”开展火星探测任务，中国“嫦娥5号”月球采样返回，日本“隼鸟2号”小行星采样返回，欧洲航天局发射太阳轨道探测器等。通过深空探测，取得了大量科学探测和技术成果，拓展了人类对太阳系和宇宙的认识，推动了空间技术的进步。20世纪70年代末，美国国家航空航天局开始以行星采矿为目的研究太阳系卫星，许多行星采矿基础设施、路线图、开采系统被提出(Dickson, 1978)。

我国自1993年起，经过长达10年的论证提出了中国月球探测分为“绕”、“落”、“回”的三步实施发展规划(叶培建和彭兢, 2006; 叶培建等, 2018; 李春来等, 2021)，在此之后中国探月工程(嫦娥工程)四期制定了月球科学综合研究、月基观测与实验研究、月球资源原地利用试验这三个主要科学目标，规划了嫦娥6～8号等任务，拟建成具备科学探测、科研试验和资源利用技术验证等综合功能的月球机器人科研站基本型(裴照宇等, 2015, 2020; Lietal., 2019)。

了解并利用行星矿产资源、可持续永久开发太空是行星科学与深空探测的一项重要任务。利用太空资源是实现持续太空开发的唯一方式(李雄耀等, 2019)，将大力推动太空工业和人类文明的发展。太阳系中月球、水星、金星和火星都存在可以被人类利用的资源。月球正好可以成为我们开发太空的阶梯，由于火星只是一个荒漠，火星可当成地球来开发。关于行星矿产，尤其是月球上有哪些矿产，哪些矿产易于就地开发利用，哪些矿产具有高附加值且地球上稀缺可星际传输是非常值得思考与探索的问题。

类似于20世纪前期地壳露头矿为主的早期找矿勘查阶段，人类关注的共性要素可从如下三个方面考虑：一是工业岩石与矿物(包含制水、制氧等人类生活所需矿产)的种类、品质及可利用性；二是以利用其金属、非金属元素为目标矿石的品质(品位与共伴生组分的多寡与优劣及可利用性)；三是基于行星与地球成矿作用的相似性与特殊性，发展比较行星矿产资源地质学。行星矿产的勘探、开发与利用也是广大地球与行星科学工作者和深空探测界十分关心而又长期未得以清晰论证的重要问题。因目前积累的资料(主要来自月壤)尚十分稀缺，导致研究起来难度甚大，难免想象的成分居多，但这一步也不得不尽早迈出。在此从以下4个方面对该问题作一尝试性探讨，以抛砖引玉。

1 行星资源地质学的定义与内涵

在地球上看，矿产资源是指通过地质作用所形成的、埋藏于地壳浅部或出露于地表，并具有开发利用价值的矿物或有用元素含量达到工业利用价值要求的矿物集合体。而研究行星资源地质学，就是研究行星上的矿产资源。总的来看，行星资源地质学是比较行星学、地质学与资源地质学(矿床学、矿产勘查学)及行星探测技术与行星开发地质工程的交叉领域，是研究研究行星矿产资源类型、分布、成因、演化规律，以及寻找、勘查、评价、开发并利用行星矿产资源的一门学科。

行星资源地质学的主要研究对象是地球以外的星体，如月球、火星、金星等类地行星，主要研究方法是以资源地质学的视角，对研究对象的资源禀赋和潜在分布进行探索、对其成分-结构-性能、元素赋存状态、开发利用价值进行评估，从而为行星矿产资源开发与太空的可持续永久开发建设提供基础理论与关键技术方法。行星资源地质学有别于行星地质资源与工程学(李守定等, 2019)，前者聚焦于行星矿产资源，而后者则侧重于基地建设与资源开发。

目前，行星资源地质学最重要的研究对象就是月球，这个人类曾经登上去的地方、也是离地球最近的星体。笔者尝试以行星资源地质学的视角，分析月球上可能蕴含着哪些矿产资源，并对更具活力的火星潜在的矿产资源予以讨论。

2 行星矿产资源的类型、矿种——以月球为例

如今距人类首次登月“阿波罗11号”已经52年，月球一直是各大国开展深空探测的首选目标，也是人类开展太阳系空间探测的理想基地和前哨站。前人主要从岩石学家或地球化学家的视角开展了行星资源地质学的探索，如认为月球具有KREEP岩、钛铁矿和3He资源。但是前人的观察是全球尺度的，且品种尚相当局限，难以满足太空基地建设的需要。迄今从矿床学角度出发的比较行星矿产资源地质学研究尚鲜见。

因此，我们有必要从矿床学和月球-地球岩石组成对比的角度，根据地球上金属矿产资源和非金属矿产资源的成因、分布及相关的地质作用，对月球潜在的金属矿产和非金属矿产资源的种类和可能分布作进一步探索和拓展性思考。以下思考不乏大胆想象的成分，旨在为行星矿产资源的研究与开发提供较开阔的思路与启示。

2.1 月球的结构与岩石组成

行星壳的岩性主要为火成岩，从成因上分析可能形成于火山喷发或陨石撞击，其过程产生的热量是行星岩石熔融分异以及发生变质作用的主要能量之一。月球的月表主要由三大结构构成，即风暴洋KREEP地体(PKT, Procellarum KREEP Terrane)、斜长岩高地(FHT, Feldspathic Highlands Terrane)和南极艾肯盆地(SPA, South Pole Aitken Terrane)。

根据“Apollo”、“Luna”、“嫦娥-5”计划(图1)获取的岩石样品(图2a)以及更具有全月球代表性的月球陨石(图2b)的成分特征与成因，目前常常将月球岩石分为三大类，即月海玄武岩、高地岩石和KREEP岩(Heikenetal., 1991)。月海玄武岩富铁，可根据其钛与铝的含量而进一步分为低钛玄武岩、高钛玄武岩和高铝低钛玄武岩；KREPP岩本质上属于玄武岩，但与月海玄武岩不同的是其极其富含不相容元素(如K, REE, P, Th, U等)；而高地岩石是构成原始地壳最主要的岩石类型，主要由富钙斜长石(An95-97)构成(欧阳自远, 2005)。

图1 美国地质调查局月球地貌图(据Hiesinger and Head, 2006)展现了月球正面(a)与背面(b)的“Apollo”和“Luna”计划着陆点、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

图2 月球样品(a) Apollo月壤样品(Zeng et al., 2019)；(b)第一块确认的月球陨石Allan Hills 81005(美国国家航空航天局拍摄，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)

总的来看，月球和地球有着明显的区别。月球极度亏损挥发分，非常干燥(Nozetteetal., 2001; Campelletal., 2003)，而且是单一板块的行星体，未经历板块构造(肖龙, 2013)，并不发育地球上常见的各类弧岩浆-大陆岩浆类型(如安山岩、花岗岩等)。

2.2 月球的金属资源

根据大尺度月表探测以及月表样品的观测，月球上含有在地球上发现的所有元素，但是它们并不富集成矿(Dukeetal., 2006)。然而，由于：(1)矿床往往都是都聚集在很小的范围之内(例如，地球上的斑岩矿床、铜镍硫化物矿床、胶东金矿等单个矿床通常分布在几平方千米到几百平方千米的范围内)；(2)与矿床伴随的大规模岩体往往不富集矿质元素；(3)矿床往往都是隐伏的(如地球上的铜镍硫化物矿床、中温热液金矿、斑岩矿床形成于古地表20～1.5km不同深度)(秦克章等, 1997, 2021)。因此，从矿床学的角度看，月球虽然目前没有发现与地球类似的金属“矿床”，但月球依然充满找矿潜力。我们将从影响地球金属矿产资源的成矿专属性因素、构造因素、太空风化因素等角度，尝试探讨月球潜在的金属矿产资源的品种及其分布。

2.2.1 新的成矿可能性——来自成矿专属性与构造背景的认知

虽然月球现在没有岩浆活动，但是在距今39亿年左右可能经历了高强度的小行星轰击阶段，形成了月面上大大小小的撞击盆地，之后距今38～31亿年间被不断喷发出的玄武岩浆所充填。Zhangetal.(2015)从测月雷达的数据中解译出月壤之下的深处有3个界面，代表了3套玄武岩的厚度，其中最上面一套，即最晚一期玄武岩厚达195m，这表明月球岩浆活动的晚期，也就是约25亿年前，仍存在巨量的玄武岩浆喷发。这些玄武岩很可能是由富Fe-Ti的月幔源区部分熔融形成的(Linetal., 2012)。长期以来，人们十分关注月海玄武岩中的钛铁矿，克里普岩中的稀土元素、钍和铀，以及月壤中的核聚变燃料——3He。其中克里普组分(KREEP)，因富含钾(K)、稀土(REE)和磷(P)而得名。而氦则是地球上稀少的资源，但是月壤中的3He可达100～500万t(欧阳自远, 2002)。月球钛铁矿中的钛含量普遍高于地球，月球正面玄武岩中TiO2含量高于4.5%的总资源量可达70～100万亿t (Giguereetal., 2000)。基于月球表面与浅层被大面积的玄武岩所覆盖，那么其下相对应的镁铁-超镁铁侵入岩乃至层状岩体的含矿性就理当给予更大的关注。由此看，月球的矿产资源还有新的可能性。

首先，从地球上看，成矿专属性对于矿床类型和矿种具有重要的控制作用。以岩浆矿床为例，其形成与地幔的基性-超基性岩浆存在对应关系：铬铁矿床与超基性岩相伴，铜镍硫化物矿床与基性-超基性岩相伴，钒钛磁铁矿矿床与基性岩相伴，金刚石矿床与金伯利岩和钾镁煌斑岩相伴，磁铁矿-赤铁矿矿床与安山岩相伴，铂族元素矿床与超基性岩和基性岩相伴，磁铁矿-磷灰石矿床与深成碱性岩相伴。因此，成矿专属性非常有助于判断月球上可能有什么样的矿，能找什么样的矿。考虑到月球主要以镁铁-超镁铁岩为主，月球上没有条件形成包括花岗岩/云英岩型钨-锡矿床、斑岩型Cu-Mo-Au矿床与浅成低温热液矿床、造山型Au矿在内的各类与中酸性岩有关的、与流体有关的岩浆-热液矿床。月球上形成的矿床可能主要是与基性-超基性岩以及碱性岩有关的矿床，例如：镁铁质-超镁铁质岩有关的Cu-Ni-Co矿床、层状岩体型铬铁矿床、铂族元素矿床、钛铁矿矿床、钒钛磁铁矿矿床等。

其次，构造是控制地球上矿床类型和矿种的又一重要因素。以镁铁质-超镁铁质岩为例，它可以产出于洋中脊(如洋中脊玄武岩MORB)、俯冲带(如阿拉斯加型岩体，如乌拉尔地区)、地幔柱(如布什维尔德岩体、Stillwater岩体、Iceland、Hawaii; Bryan and Ernst, 2008)、造山带(东天山各类基性岩-超基性岩矿床;Qinetal., 2011; 秦克章等, 2012)，以及特殊的构造背景——陨石撞击坑(肖德贝利；Mungalletal., 2004)。不同构造背景下，镁铁-超镁铁岩形成不同类型的矿床(秦克章等, 2017)。例如，俯冲-碰撞带可以发育蛇绿岩型铬铁矿床、地幔柱以及地幔柱叠置造山带的区域主要产出铜镍钴硫化物矿床、碰撞造山带背景主要产出中温热液金矿床和淡色花岗岩有关的稀有金属矿床。

综合考虑月球以超镁铁质岩为主体的岩石类型以及不存在板块构造驱动机制这两大因素，月球上最有可能富集的金属元素为PGE、Cr、Cu-Ni-Co、V-Ti-Fe、Nb-Ta-Be-U-REE等元素。这些金属元素有可能赋存在与月幔以及类似于地幔柱的月幔柱有关的镁铁质-超镁铁质矿床(如南非布什维尔德，图3a)以及与撞击有关的镁铁质-超镁铁质岩矿床(如加拿大肖德贝利矿，图3b)。

图3 地球上两类构造背景有关的镁铁质-超镁铁质岩矿床(a)地幔柱有关的南非布什维尔德层状岩体(据Junge et al., 2015修改)；(b)撞击有关的加拿大肖德贝利矿床(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 月球潜在的矿产资源——地球上的层状岩体与陨石撞击构造两类矿床实例

地幔柱是地球动力系统中重要的组成部分，不仅形成规模巨大的大火成岩省(Ernst, 2014)，也形成了众多具有重要经济价值的矿床类型(表1)。而与地幔柱有关的镁铁质-超镁铁质矿床，是月球上可能存在的一种成矿类型(表2)。由地幔柱形成不同的岩浆系列显示了特有的成矿专属性，如镁铁-超镁铁质层状岩体与钒钛磁铁矿矿床和铜镍硫化物矿床，科马提岩与铜镍硫化物矿床，斜长岩与钒钛磁铁矿矿床，过碱性花岗岩系列与铌-钽-锆-稀土矿床，金伯利岩与金刚石矿等(秦克章等, 2012; 徐义刚等, 2013)。地幔柱成矿的重要案例为南非Bushveld岩体。Bushveld岩体东西长约450km，南北宽约350km，厚7～9km(Naldrettetal., 2008)(图3a)，是世界上规模最大的层状岩体，赋含有世界上最大的条带状铬铁矿床、铂族元素矿床和钒钛磁铁矿矿床。该岩体分为底部边缘带、下部带、关键带、主带和上部带(图3a)。最主要的赋矿层位为上部带与关键带。上部带主要由块状至层状辉长岩、橄长岩和橄榄闪长岩组成(Naldrettetal., 2008)，层状特征发育。厚度为2000～2800m(Arndtetal., 2005)，以磁铁矿、橄榄石和磷灰石堆晶相的出现为特征(Cawthorn, 2007)，赋含26个磁铁矿含量>50%的磁铁矿层，累积厚度20.4m，并有260万t钒和2.1亿t钛(Mccandlessetal., 1999; Kinnairdetal., 2005)。以堆晶斜长石的首次出现为标志把关键带分为上下两部分。下关键带为超镁铁岩，以斜方辉石厚堆晶层为特征，含若干铬铁矿岩层，包括LG1-7和MG1，厚度可以超过1m(Scoon and Teigler, 1994)；上关键带包括超镁铁岩堆晶、方辉橄榄岩、苏长岩和斜长岩，包括MR和UG2铬铁岩层在内的主要PGE资源都赋存在上关键带。“关键带”内Cr总资源量34.7亿t，PGE储量为6.5万t，其中Pt资源量占全球总资源量的75%，Pd资源量占全球总资源量的54%(Naldrettetal., 2009; Vermaak, 1997; Naldrett, 2004)。

表1 大火成岩省岩浆系列与伴生的成矿作用Table 1 Magmatic series in large igneous provinces and associated mineralization

表2 月球上可能的资源类型Table 2 Potential types of mineral resources in the Moon

另一种月球上可能存在的成矿类型为与撞击有关的岩浆型铜镍硫化物矿床(表2)。岩浆型铜镍硫化物矿床是指与镁铁质-超镁铁质岩相关的富含Cu、Ni的硫化物矿床，是世界上铜、镍、铂族元素的最重要来源，其中肖德贝里(Sudbury)是全球最重要的铜镍矿集区(铜镍储量全球第二)之一(图3b)，被认为矿床的形成与陨石的撞击引起地壳熔融有关(Mungalletal., 2004)，其边部还产有柯石英、金刚石微粒以及石墨矿。考虑到月球上的撞击盆地和大型撞击坑很多，但被撞击的月壳的再次撞击熔融能否会使这些微量元素足够富集而成矿床，值得重点研究。考虑到月球上陨石撞击事件频频发生，形成陨石冲击型矿产是完全有可能的。

2.3 月球的非金属资源

非金属资源是一种重要的矿产资源。在地球上，非金属资源主要被用于建筑材料(如水泥、石材、砖瓦、各类填料)、制作生活用具(如陶瓷、玻璃)、实现特定功能(如化工、制造、农牧业、医用、航空航天)，也是最重要的珠宝玉石的来源。然而，由于月球水含量极低，且不发育变质作用，使其无法形成绝大多数地球上常见的非金属资源。

目前，只有粗粒月壤可作为非金属资源，用于建筑用途及部分原材料。月壤形成过程中的强烈太空风化，产生了撞击熔融玻璃和纳米铁等，还可以通过粒度分选，得到微纳米的月壤及特殊矿物材料(Linetal., 2012; Xiaoetal., 2015)。然而，由于月球上没有包括石灰岩、泥灰岩、白垩和大理岩在内的石灰质原料，沸石和浮岩等活性材料以及各类沉积岩和黏土作为辅助原料，无法制作水泥。因此，粗粒月壤并不能用于传统意义上的混凝土建设。

月球玄武岩制作纤维。地球上以天然玄武岩拉制连续纤维已获应用，是玄武岩石料在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。玄武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能(谢尔盖和李中郢，2003)。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。

需要指出的还有，月球重力低，温差大，没有氧气，但有强烈的太阳风作用(注入H离子，200nm表面)，因而太空风化作用可能相当发育。从地球上的物理-化学风化产物推测，月球上太空风化作用聚矿值得高度重视。可能聚焦成矿的高丰度元素及特征重矿物，具有比重大、硬度高、抗风化能力强的矿物，包括金、铂、锆石、铌钽铁矿、金红石、钛铁矿、独居石、磁铁矿、铬铁矿等。通过超低重力环境进一步长距离空中风选，有可能成为品质优良的古砂矿型金属与非金属矿产。

月球采矿冶炼。常用金属，如铝，铁，钛，等，可以高温电解得到。稀有贵金属，如金、铂、钯、钌、铑、锇、铱，熔融高丰度月岩后可以直接沉积得到，而它们又是很好的电解阳极材料。月岩融化后拉成细丝，变成月岩纤维，性能与玄武岩纤维、玻璃纤维差不多，抗拉强度很高，可以用作天机索的原料。月球上要进行规模化建筑，可以直接熔融月壤结块，作为基础材料，也可以用来直接硬化月表。高温熔融可以简单地聚焦反射太阳光到月球土壤。另外，月球上能量供应充足，便于能源利用的温差大、高真空、低重力，没有空气带来的困扰，没有侵蚀氧化，在月球上建立冶炼厂、工厂，在机器人帮助下，生产条件比地球好很多。钻石有非常优良的物理性能，包括导热性，硬度，强度，光学性能等，但在地球上很难生产，真空环境中可以开发出快速大块钻石生产技术，开拓全新的工业应用空间。很多情况下，对结构强度的要求也会大大降低，有可能建设非常大的结构，便于建成永久性科研与生活基地，从而成为向外太空探测的中继站。未来几十年内，也许人类就会在月球、火星上建设巨大的城市。

2.4 月球矿产资源的寻找

基于成矿专属性、构造因素的制约，可以推断出月球最有可能开发和利用的矿产资源是与月幔(月幔柱)、与撞击有关的镁铁质-超镁铁质岩矿床以及与KREEP岩有关的稀有-稀土矿产。前两类岩浆矿床往往产出的金属类型为Cr、Co、Ni-Cu、PGE、Fe、V、Ti，除了铬铁矿、磁铁矿和钛铁矿之外，都是金属硫化物矿床。我们可以根据地球上的经验，针对这一特定资源类型进行勘探。目前，地球上主要有遥感、地球化学勘探和地球物理勘探三类方法，用于资源的探测。

在地球上，我们已经可以基于不同卫星、不同信号来源通过提取特定波长的信号来确定成矿靶区，该方法已经成功运用在各类岩性识别领域的找矿上(包括镁铁-超镁铁岩)。由于遥感方法不需要人近距离到目的地，因此，当前卫星遥感和无人机遥感，在地球上，尤其是偏远地区(西藏、新疆等)的矿产资源勘探上起到了越来越重要的先行者作用。但值得一提是，由于月球上覆盖了一层数米到十余米厚的月壤，且由于月球缺乏化学风化作用，很有可能使得常规遥感方法在月球上失效。这是因为遥感方法：(1)穿透性不强，容易受到月壤的干扰；(2)遥感方法需要通过特定指标去探测异常，而这些指标往往是明显区别于本地的。如地球上由于风化作用的存在，大量成矿元素会被淋滤出来，这使得矿床附近会有显著的金属元素异常，或是形成特征的含水的表生矿物，如黄钾铁矾、铁帽等。此外，地球上大量矿床往往都伴随了一定的蚀变作用，包含水羟基和羟基等的特征谱线是遥感的重要识别标志，然而月球是十分干燥的，因此月球遥感找矿可能无法简单套用地球的模式(Linetal., 2020a, b)，需要进一步寻找可靠的找矿识别标志。

固体地球物理方法是去寻找具有重磁电弹性波异常的地质体。而金属硫化物具有高重力和密度、一定的磁化率和较高的极化率(刘光鼎等, 2013)，因此重力、磁力、电法和浅层地震方法都已经被成功运用在地球上镁铁-超镁铁岩的找矿勘探上。其中，航磁方法不需要进行人到达实地，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30亿年之后没有磁场，航磁方法可能只适用于月面古老地区(根据陨石坑分布可以圈定)的找矿。

3 火星的潜在矿产资源

火星是另一个人类重点探测的星球。“海盗Ⅰ”、“海盗Ⅱ”、“探路者号”、“机遇号”和“好奇号”火星探测器发现火星土壤普遍为硅酸盐，其主要成分有高铁矿物、其他磁性物质以及高浓度的硫酸盐、氯盐和微量的溴化物(Rossi and Gasselt, 2018)。与月球不同的是，目前已经有明确的证据表明火星上存在液态水，例如在盖尔环形山(Gale Crater)上发育有厚达130m以上的细粒风化和河湖相沉积物(Bristowetal., 2018)。此外，火星上可能曾经存在板块构造(Yin, 2012)。

总的来看，由于水(以及可能的板块构造)的存在，使得火星与月球相比，不仅同样可能发育与地幔柱、陨石撞击有关的镁铁质岩浆矿床，还可能发育其它两类成矿作用。

(1)与水有关的沉淀、化学风化与次生富集作用。在地球上，水通过参与矿物的沉淀-溶解、岩石的化学风化以及搬运沉积，从而影响了地球金属的再分布和非金属资源的形成。地球上很多非金属资源来自于流体的沉淀，如各类氯化物(石盐、钾盐等)、硫酸盐(杂卤石、石膏等)、硝酸盐(钾、钠、硝石等)和硼酸盐(硼砂等)等蒸发岩矿物；沉积作用可以形成各类可作为建筑材料的沉积岩(泥岩、页岩、粉砂岩、石英砂、石英砂岩、石灰岩)、与风化有关的矿产(沉积型Co矿、斑岩矿床的次生富集带、砂金)；化学风化可以形成包括伊利石、高岭土、膨润土(蒙脱石)、凸凹棒石粘土、海泡石粘土、纤维状海泡石、累托石粘土、硅藻土在内的各类具有重要功能性质的黏土材料，以及产出于氧化带的红土镍矿、风化壳离子吸附型的重稀土矿等。此外，次生富集普遍存在于地表过程，可以形成矿床的次生富集带、砂金、狗头金等。

(2)变质作用。变质作用是岩石在一定的温度和压力条件下，发生结构和成分变化的效应。当今地球很多的金属-非金属资源的分布于变质带之中，或者直接在变质作用下形成，如很多宝玉石和非金属矿床都分布于变质带之中。变质作用可形成翡翠、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿松石、玛瑙、透闪石、蛇纹岩(岫岩玉、蓝田玉等)、滑石、叶蜡石(寿山石、田黄、冻石)等重要的非金属珠宝玉石资源。

综上所述，由于水(以及可能的板块构造)的存在，火星可能具备发育与沉淀、化学风化、次生富集作用以及变质作用有关的条件，具有潜在的类似地球的矿产资源禀赋。

此外，C型小行星(碳质小行星)表面物质含有水分，还蕴藏其他稀有金属和矿产资源，成为潜在的“地外矿藏”。M型小行星(金属小行星)含铁、镍之类的金属，约90%含量为铁，其余约10%为镍，还可能含有铂、钴、铑、铱、锇等稀贵金属。

4 行星资源的开发与利用

行星资源地质学将为人类在月球上的科学考察、长期居住等提供重要的助力。后续的“嫦娥工程”中，包含开展月球基地的建设和月球矿产资源的开发。在此过程中，主要有生存和发展两大需求。从长期看，人类在月球长期生存必须要尽可能的利用月球已有的资源。由于高昂的太空运输成本，月面建造普遍采用原位资源建造技术(ISRU)为主、地球运输材料为辅的建造方案(Ruessetal., 2008; Benaroyaetal., 2012)，尤其是水、氧气、能源、矿产、建筑材料的月球增量是十分必要的。

(1)制氧的问题。目前，美国国家航空航天局几经讨论后形成了这样的共识：对月球前哨而言，月球资源原位利用首要目的就是制氧(Mckay, 1992; Simon, 2008)。在能源允许的情况下，理论上月壤中的氧(赋存在硅酸盐矿物的晶格中)是取之不尽的。目前，基于氢还原工艺、碳热还原工艺和熔融氧化物电解工艺的月壤制氧技术已经可以从大块月壤中提取1%～30%的氧(Sanders and Larson, 2012)，其中碳热还原工艺可以成为我国的优选方案(阎师等, 2017)。

(2)水的问题。在月球上，水的来源主要是存在于极地永久阴影区的水冰(李志杰和果琳丽, 2017)。

(3)材料的问题。由于月球上不具备水泥的原材料，因此在月球上应该使用非传统的材料(如硫混凝土；Grugel and Toutanji, 2008)或者非传统的固化技术(如太阳能烧结；Nakamura and Smith, 2010; 微波烧结；Roedeletal., 2014)以充分利用月壤资源(冯鹏等, 2021)。月球混凝土是月球基地建设的首选材料(李志杰和果琳丽, 2017)。此外，月壤也可以用于制作玻璃，作为日常生活的容器。

(4)从能源上看，月球的主要能源系统将从早期的太阳能，过渡阶段的核裂变阶段发展到最晚期的核聚变阶段(任德鹏等, 2018)。在最早期太阳能阶段，太阳能电池板无法原地制造，需要从地球上运输。由于月球具有14天的白昼、14天的黑夜，使得太阳能不足以全天候供电，需要储能。新能源电池最主要组成的锂、镍、钴、铂族元素，除了锂，其它月球均具有丰产的地质条件。目前，最有效的储能方式是通过利用电解水+燃料电池的方式开展化学储能(孙峰等, 2015)，其中氧化锌方案已经实现了实验室水解循环(徐波等, 2009)。

(5)从矿产开发上看，月球具有较低的重力条件，而潜在的主要金属资源为岩浆矿床，矿物类型为硫化物，这使得破碎和风选成为月球选矿的可行方式。在此基础上，在水和微生物的作用下，对精矿进行堆浸提取，应该是提取高价值元素或是制成精矿粉的重要方式。

5 结论与展望

月球不仅仅包含了月壤气体资源(He、H)、月海玄武岩钛铁矿资源、KREEP岩稀土以及钍和铀资源；还很可能具有与陨石撞击或者月幔柱有关的、分布于月表环状结构内的镁铁-超镁铁岩有关的岩浆矿床，可能的矿产资源包括Cr、Ni-Cu-Co、V-Ti-Fe、PGE、Ta-Nb-Be-U-REE等元素；以及特征的物理风化形成的古砂矿重矿物。高分辨率的遥感光谱成像和航重、航磁方法将可能在早期金属矿产资源探测中起到重要的作用。从月球开发的视角看，月球能源的供给是最重要的。而月壤3He气体资源的开发利用将是人类得以在月球长期可持续发展的核心要素。而火星相比于月球，由于水(以及可能存在的板块构造)的作用，其可能潜在具有类似于地球的金属与非金属资源禀赋。

总之，对行星矿产资源的研究、勘探、开发与利用是行星资源地质学的重要任务。研究与开发行星矿产资源是实现太空永久与太空可持续开发的重要前提。未来行星资源地质学应加强地质学、行星化学、行星地质学、行星物理学、矿业工程、冶金工程和材料学的交叉融合及理论应用，发展行星地质勘探方法与智能机器人工程技术，发展高/低温、高/低压、高辐照、低/微重力环境条件下样品采集、加工、多尺度测试分析理论与方法，培养具有地质资源与行星科学背景的交叉人才。

致谢相关思考中，曾与吴福元院士、魏勇研究员、李守定正高级工程师等同仁讨论，获益良多。林杨挺研究员审阅初稿提出宝贵意见与建议。承蒙韩春明研究员等审阅初稿提出重要的修改建议。在此一并致以诚挚的谢意！

第一作者博士后期间跟随孙枢院士和李继亮研究员学习大地构造，将研究视域从矿床学拓展到大地构造与成矿。手头还保留有李继亮先生的藏书《在地球之外》(翻译自俄文，1999)和《神秘的月球》(2001)。谨以此文纪念恩师孙枢先生和李继亮先生！