发现嫦娥石、找到月面表土水……在秋凉金秋时节，月面表土研究也迎来大丰收，嫦娥五号月面表土样品最新研究成果层出不穷，人们对离我们最近的“邻居”——月的认识不断更新。

自2020年12月嫦娥五号返回器成功携带1731克月面表土样品返回地面以来，共有4批50多克月面表土样品发放给100多个科研团队，研究范围涉及月球地质演化历史、月球资源分析等。

通过这片微妙而不起眼的月面表土，月亮神秘的面纱正在一点点被揭开。

挖掘月球的潜在价值

今年9月9日，国家航天局、国家原子能机构联合宣布，中核集团核工业北京地质研究院(以下简称核地研究院)研究小组首次在月球上发现新矿物，命名为“嫦娥石”。 “嫦娥石”也是人类发现的第六种月球新矿物，其单晶粒子粒径只有10微米大，不到一根头发直径的1/10。

核研院月球研究小组组长李子颖表示，“嫦娥石”所属的磷酸盐矿物在地球上很常见，但与“嫦娥石”化学成分一致的，在地球岩石中尚未发现。 这证明嫦娥形成的环境和条件与地球不同。 研究嫦娥的形成条件，可以推翻月球的演化过程，对了解月球的起源和演化具有重要意义。 此外，“嫦娥石”中所含的高含量稀土是否具有开发价值，也值得进一步研究。

除了“嫦娥石”，核地研究院的研究小组首次成功获得了嫦娥五号月面表土样品中氦- 3的含量和提取参数。 氦3一直被认为是未来重要的清洁融合资源之一。 月亮是储存氦3的天然“仓库”。 核研院第一批月样品使用负责人黄志新介绍，目前的核聚变实验是利用氘-氚反应进行的，这种方式的核聚变会产生中子，具有一定的危害性。 以氦- 3为原料的聚变过程不产生有害物质，反应释放的能量更大，可以说是未来完美的能源。 氦3很好，但在地球上储量极低。 氦- 3的主要来源是太阳风，被地球的磁场和大气遮住，因此能到达地球的氦- 3寥寥无几。 但与地球相反，月球由于缺乏大气保护，多年来在太阳风的吹拂下，月面表土中含有大量的氦- 3资源，月面表土中的钛铁矿对氦- 3具有良好的储存作用。 由于各种因素，地球上稀有的氦- 3，在月球上储量惊人。 月球探测项目首位首位科学家、中国科学院院士欧阳自远经过估算，月球表面土中氦- 3的含量将满足万年的地球能源需求。 黄志新表示，嫦娥五号月球表土样品中氦- 3的含量和最佳提取参数的测定，将为我国后续月氦- 3资源的遥感预测、总量估算、未来开发和经济评价提供基础科学数据。

除了潜在的能量之外，“沾满宝藏”的月球表面表土可能有更多的用途。 今年5月，中国研究小组对嫦娥五号月面表土样品中的元素和矿物结构进行了详细分析，发现月面表土中的一些活性化合物具有良好的催化性能。 研究小组以此为催化剂，利用人工光合成技术，利用模拟太阳能，成功地将水和二氧化碳转化为氧、氢、甲烷、甲醇。 在此基础上，研究小组进一步提出了利用月球表面表土实现地外人工光合成的策略和步骤。 该研究的主要负责人之一、南京大学教授姚颖方表示，如果将月面表土提取成分作为月球人工光合成催化剂，未来将只靠月球太阳能、水和月面表土生成氧气和碳氢化合物，实现低能耗和高效能量转换，开发适应月球极端环境的原位资源利用系统姚颖方面还指出，目前月面表土的催化效率低于地球上可用的催化剂，但研究小组接下来将分离、纯化月面表土中的有效催化剂成分，以获得更好的催化效果，实现未来太空计划中外星光合成技术的搭载试验，并进行实际环境验证。

探索月球水的真正原因

水作为生命之源，一直是人类太空探索中不可回避的话题。 月亮上有水吗？ 答案是肯定的。 在过去的几年里，一系列的观测数据间接证明了月球上水的存在。 但是，“听说过”，除了用望远镜和探测器向月球“露面”，证实“命中了水”以外，人类并没有真正在月面表土上直接发现水。 不过，就在前不久，中国科学院地球化学研究所唐红、李雄耀团队公布的相关研究结果显示，嫦娥五号月面表土样品矿物表层存在大量太阳风水，有给月球添加水的“实锤”。

水不会凭空产生。 月亮上的水是从哪里来的？ 关于这个问题，科学界目前普遍认为，月球上的水可能来自月球内部的岩浆和外部太阳风、彗星、流星体和微流星体的碰撞。 但红外光谱数据显示，整个月球表面都有水的分布，如果月球水从月球内部撞击岩浆和外部天体，在月球表面的分布就会非常不均匀，这似乎无法解释为什么水会扩散到月球表面。 因此，科学家认为太阳风是月球水的主要来源之一。 太阳风中含有带正电的氢离子，当不断撞击月球表面时，其中的氢离子与月球表面物质中的氧原子结合，在整个月球表面生成羟基和水分子，可以解释为什么整个月球表面都存在水。

此次唐红、李雄耀团队的研究围绕月面表土太阳风成因水展开。 研究小组利用红外光谱和纳米离子探针对嫦娥五号月面表土样品进行了深入分析，结果表明，嫦娥五号月面表土样品的矿物表层存在大量太阳风成因水，估计其含水量至少为170ppm(1ppm为百万分之一)，这一数值明显高于月球内部含水量分析结果还表明，月面表土中水含量的差异主要是由于测试深度的不同，矿物中水主要分布在极表层内，氢同位素比值与太阳风非常接近，主要以羟基形式存在。 所有这些证据都有力地证明了太阳风质子注入是嫦娥五号采样地区月球表面表土中水的主要来源。

整个月球表面都有水存在，但这并不意味着月球所有地区的月面表土含水量都相同。 部分太阳风成因水在太阳照射下“蒸发”，部分迁移到温度极低的两极永久影区沉降，经过漫长的地质活动形成大量的水冰。 此次嫦娥五号月面表土样品研究结果表明，由于月表推波助澜作用，月面表土颗粒受太阳风的照射时间不同，注入矿物的太阳风质子总量不同，不同地区的月面表土太阳风成因含水量也不同。 通过对嫦娥五号采样区月面表土成熟度的测定，结合以往遥感探测发现的月表中纬度地区太阳风成因水与月面表土成熟度正相关的现象，研究小组进一步发现，在月面表土成熟度与嫦娥五号采样区相似的月表中纬度地区，月面表土成熟度较高在月面表土成熟度更高的风暴等西北高地，月面表土中的含水量可能更高。 这一看法不仅为未来月表水资源的利用提供了重要依据，也为探索水星、小行星等太阳系内其他无大气天体如水星、小行星等表层土壤中太阳风成因水的形成机制和分布规律提供了重要参考。

嫦娥五号月面表土样本中发现水，很大程度上是因为采样地点的独特。 嫦娥五号月面表土采样点位于月球最大的月海——岚洋东北部，这里以前无人踏足，距离以前其他国家任务的采样点相当远。 同位素定年结果表明，该地区的月面表土样品年龄约为20亿年，是目前获得的最年轻的月面表土样品。 更重要的是，嫦娥五号月面表土样品的主要组成物质是辉石、斜长石、橄榄石，这些矿物是探测太阳风水储量的最佳载体。

向月球导出的经过

作为地球唯一的天然行星，月球地质活动的历史一直是科学家关注的重点。 通过对嫦娥五号月面表土样品的深入研究，迄今为止许多关于月球地质活动的模糊问题，现在都有了更明确的答案。

中国科学院紫金山天文台研究员徐伟彪及其行星化学科学研究小组与南京地质古生物研究所合作，对月球样品进行了研究，发现样品中含有极高的钛玄武岩。 研究小组据此推测，嫦娥五号登月区和火山喷发发生过多次。

徐伟彪说，目前收集的月球陨石中几乎没有发现高钛玄武岩。 这是因为钛铁矿位于月球浅层，一般分布在月坛以下、月地幔以上的区域。 玄武岩是月球深处月球地幔物质高温熔融产生的岩浆向月表喷出、冷却凝固的岩石。 因此，通常玄武岩中的钛含量应该很低。 徐伟彪进一步解释说，高钛玄武岩的出现，可能是由于钛铁矿比重较重，导致月地幔形成了较重、较轻的重力不稳定结构。 钛铁矿翻转后沉入深部地幔，熔融后与岩浆一起喷出，冷却后“被困”在玄武岩中。

研究小组结合此前在嫦娥五号月面表土样品中发现的低钛、中钛月海玄武岩大胆推测，嫦娥五号着陆区历史上至少发生过三次火山喷发活动。 徐伟彪认为，这一结论将为研究月球演化提供重要线索，也有望解答月球地幔源不同物质成分来源、火山岩浆形成的能量来源、月晚期火山活动精细的时空分布规律等许多重要问题。

如果月球上有这么密集的火山喷发活动，那是什么时候停止的呢？ 嫦娥五号的月面表土样本也同样刷新了过去的认知。 此前，美国和苏联的月球表土样品和地球上的月球陨石研究表明，月球岩浆活动至少持续到约28亿至30亿年前。

由中国科学院地质与地球物理研究所和国家天文台牵头，多个研究机构团队共同对嫦娥五号月球表面表土样品开展了研究。 他们利用超高空空间分辨率铀—铅定年技术，分析了嫦娥五号月面表土样品玄武岩岩屑中的50多种富铀矿物，确定其形成年龄约为20.3亿年。 这意味着月球上岩浆活动一直存在到20亿年前，将传统月球样品限定的岩浆活动停止时间推迟约8亿―9亿年。

除了岩浆活动，嫦娥五号月面表土样品研究也为我国科研人员“甄别”宇宙风化作用机制提供了重要参考。 中国科学院地质地球物理研究所研究小组采用单粒子样品操纵、扫描电镜形貌观察、聚焦离子束微加工、透射电镜结构分析等一系列分析方法，获得了嫦娥五号月球表面表土粒子表面硅酸盐、氧化物、磷酸盐和硫化物的宇宙风化作用信息。 与来自月球低纬度地区的美国阿波罗计划月球表面土壤样品的分析结果相比，嫦娥五号月球样品和阿波罗样品的表层微观结构特征没有太大的差异。 这有助于更好地了解月球纬度的宇宙风化作用，支撑了月球遥感光谱校正模型在月球纬度的适用性。

今年6月，中国地质大学地球科学学院地球化学系教授宗克清、汪在聪和合作者在嫦娥五号月面表土化学成分研究方面取得重要进展。 他们在2毫克和4毫克样品消耗量的条件下，从不同批次的嫦娥五号表中同时准确测定了月面表土中48种主量和微量元素，详细讨论了嫦娥五号月面表土样品的均匀性、外来物质的添加量和着陆区玄武岩的成因。

研究人员对两次月面表土样品的7次分析结果表明，嫦娥五号月面表土样品在毫克水平上非常均匀，与遥感预测值基本一致。 除极个别元素(镍)外，嫦娥五号月面表土主要量和微量元素含量与其中玄武岩玻璃和岩屑元素含量高度一致，嫦娥五号着陆区所在的岚洋北部月海地区受外来高地物质和KREEP (含钾、稀土、磷丰富的月球物质)冲击

该研究系统为评价嫦娥五号月面表土化学组成、定量分析月面表土外来物质混入量、认识月球年轻岩浆活动和后期改造过程提供了新的制约。

换乘新华社