［本站讯］近日，山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队行星科学课题组在嫦娥五号月壤样品太空风化研究方面取得新进展，综合利用月球轨道遥感数据、嫦娥五号任务的原位探测数据和返回月壤样品的实验室数据，揭示月球年轻玄武岩的独特太空风化特征，获得了嫦娥五号着陆点月壤层的纳米金属铁含量和月壤成熟度，为富铁月壤中特殊的太空风化机制提供了新的观测证据。该研究以“Mature lunar soils from Fe-rich and young mare basalts in the Chang’e-5 regolith samples”为题，于12月12日以长文（Article）形式在线发表于国际权威期刊Nature Astronomy（《自然·天文学》，中科院一区，最新影响因子15.647），山东大学博士研究生卢学金和博士后陈剑为论文共同第一作者，行星科学课题组组长凌宗成教授和中国科学院地球化学研究所研究员刘建忠为论文共同通讯作者。该论文是以山东大学为第一完成和通讯作者单位的首篇Nature Astronomy期刊论文。

图1 月球太空风化作用和金属铁单质形成过程

地球上的风、流水侵蚀等各种物理、化学和生物作用长期以来改变着地表形貌，致使岩石破碎成疏松的土壤。月球上虽没有浓密大气和大规模的液态水，也没有任何形式的生命，但同样存在“风化”过程，并且作用时间长达数亿年，不断塑造着月球表面。月表直接暴露于空间环境中，来自太阳的高能粒子和带电粒子流（太阳风）和太阳系中广泛存在的流星体撞击是月表成壤过程和风化作用的主要因素，这些过程被称为“太空风化”（图1）。与地球上的风化作用不同的是，月表的太空风化过程在月壤颗粒边缘产生纳米级粒径的金属铁单质，能够改变月表物质的光学效应。由于月表还原性的环境，这些单质铁颗粒得以保存下来，其相比二价铁（月表的铁主要为二价的亚铁离子，以FeO表示）的比例（Is/FeO）可作为表征月表物质在太空环境中暴露时间长短的指数（即为月壤成熟度）。一般来讲，月壤经受太空风化的作用时间越久，其含有的纳米铁越多，月壤也就越为成熟。

图2 嫦娥五号月壤的月面原位探测和实验室光谱表征

人们对于月球太空风化作用的研究起始于美国Apollo载人登月任务和前苏联Luna无人采样任务返回的月球样品研究，并在后续各国遥感探测任务获得的大量光谱数据研究中进一步深化。但由于先前样品采样点的空间局限性（9°S−27°N）和时间局限性（30−40亿年），对于月表年轻（~20亿年）区域的太空风化作用的研究仍需要新的样品予以约束。2020年12月1日，我国嫦娥五号任务成功着陆于月球风暴洋北部（43.06°N），返回了迄今为止最为年轻（~20亿年）且极为富铁（FeO~22.5 wt.%）的月海玄武岩样品，并在采样前后对着陆区域进行了原位光谱测量（图2），这为研究年轻玄武岩的太空风化机制提供了契机。本研究联合采用嫦娥五号样品实验室光谱、月面原位光谱以及月船一号的高光谱、月亮女神号的多光谱等4套独立的数据，利用辐射传输模型成功模拟了金属铁在月壤中的光学行为。经多源光谱数据交叉验证，研究获得了嫦娥五号着陆点月壤层的金属铁含量（0.48±0.03 wt.%）和成熟度指数（~66±3.2）等重要月壤参数。令人意外的是，嫦娥五号玄武岩尽管很年轻，但嫦娥五号月壤却较为成熟，甚至比部分Apollo月壤的成熟度还高。本研究揭示出年轻富铁玄武岩存在特殊的空间风化机制，即在太空风化作用过程中会使该类型月壤更快地产生纳米铁并加速聚集形成粒径更大（百纳米级至微米级）的金属铁团簇，这为认识月球表面物质与空间环境相互作用提供了全新的视角。

来自美国华盛顿大学的审稿人Jeffrey Gillis-Davis教授认为：“该研究提供了一个前所未有的机会来探究月球表面的光谱与实验室测量的光谱之间的太空风化效应差异，证实了着陆前后的光谱之间存在差异，本研究提出了具有独创性和重要意义的新观点”另外一名审稿人也高度评价：“返回样品的成熟度与原位数据和轨道数据的“交叉验证”产生了关键结果，该结果是完全独特和新颖的，只有通过航天器在月球表面着陆，在着陆点采集光谱，并返回样品在实验室进行光谱研究才能获得。”

图3 嫦娥五号着陆点的轨道遥感观测和纳米铁丰度分布特征

月壤成熟度可用于和约束月表撞击坑溅射物的分布和月壤物质的来源。月球第谷撞击坑是月球正面南部高地上肉眼可见的典型撞击坑之一，其挖掘的物质抛射到周围形成明亮的放射状溅射纹（图3）。随着时间的推移，这些新鲜、明亮的溅射纹在月表太空风化作用下将逐渐暗化、直至消失。这些溅射物与周围物质所经历的太空风化作用时间也不相同，导致月壤中的纳米铁丰度不同。利用月球多光谱遥感图像，研究获得了包括徐光启撞击坑在内的嫦娥五号着陆点周围的纳米铁含量分布（图3），纳米金属铁丰度图中清晰地显现出反射率图像中无法分辨出的溅射物范围。嫦娥五号恰好着陆在徐光启撞击坑东南方向约200米长、50米宽的溅射纹之上，这揭示嫦娥五号月壤主要来源于徐光启撞击坑的挖掘作用，而后经历了大约2.4−3亿年的太空风化作用和空间暴露历史。

近年来，空间科学攀登团队行星科学课题组聚焦嫦娥工程、天问一号等深空探测国家战略需求，在行星遥感与光谱学、月球地质学、陨石学及天体化学等方面取得了一系列研究成果，已在Nature Communications、Nature Astronomy、Science Bulletin、Communications Earth & Environment、ApJL、EPSL、GRL、JGR、Icarus、M&PS、Science China等期刊发表SCI论文100余篇。2021年11月，行星科学课题组代表山东大学申请获批3份嫦娥五号月壤样品，今年9月再次申请获批3份嫦娥五号月岩样品，样品共计1269毫克。截至目前，团队已经发表嫦娥五号相关论文9篇。本研究感谢中国国家航天局提供珍贵的嫦娥五号月壤样品及相关科学数据，研究得到了国家自然科学基金、民用航天预研项目、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等项目资助。

论文信息：Xuejin Lu, Jian Chen, Zongcheng Ling, Changqing Liu, Xiaohui Fu, Le Qiao, Jiang Zhang, Haijun Cao, Jianzhong Liu, Zhiping He, Rui Xu. Mature lunar soils from Fe-rich and young mare basalts in the Chang’e-5 regolith samples. Nature Astronomy (2022)

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-022-01838-1

Nature Portfolio博客:https://astronomycommunity.nature.com/posts/mature-soils-weathered-from-young-lunar-rocks