嫦娥六號，挖土歸來！走，到月球去搞“地質
封面圖源|愛給網
封面設計|李馨宇
1969年7月
美國宇航員阿姆斯特朗
在月球表面留下了人類的第一個腳印
圖源|網絡
1970年9月
前蘇聯發射的無人探測器 月球-16號
首次自動取樣 將月壤送回地球
圖源|網絡
又50年過後
中國的嫦娥5號
再次 從月球表面 帶回了1731克月樣
▲嫦娥五號上升器帶着樣品離開着陸器示意圖
而就在2024年6月2日
嫦娥6號成功在月球背面南極-艾特肯盆地降落
完成了人類首次月球背面的土壤採樣
並且於2024年6月25號
成功返回地球
這次 它又將會帶給人類怎樣的驚喜？
▲圖源央視新聞
人類對於月球的探索
從未停止
1978年
爲了推動中美儘快建交
時任美國總統國家安全事務助理到訪中國
並且向中國贈送了 1g月球樣品
這塊要用放大鏡才能看清的石頭
竟然還要被分成 兩半
一半收藏在北京天文館
另外一半則供中國科學家研究
▲保存在北京天文館供公衆參觀的0.5g月岩
但就是根據 對這塊0.5克石頭的研究
中國科學家們一共發表了14篇研究文章……
爲人類帶來了重要的科研成果
▲查爾斯·康拉德和比恩在月球收集了重達35公斤的月球岩石
而在美國六次登月後的幾十年間
航空航天局NASA收到了來自全世界3000多份
研究月球土壤樣品的申請
但採集的300多千克月壤對於全球的需求而言
簡直是杯水車薪聊勝於無般的存在
人類爲什麼要這麼大費周章地跑到月球上去取樣？
今天 我們就來聊一聊這個話題
1
爲什麼我們要到月球採樣?
尋找完美能源
在對月壤的研究過程中
科學家們發現月壤中含有大量的氦-3
它是世界公認的 最高效、清潔、安全的
核聚變發電燃料之一
被科學家稱作是 “完美能源”
據計算，100噸氦-3所能創造的能源
相當於全世界一年消耗能源的總量
然而氦-3主要存在於太陽之中
我們自然不可能直接到太陽上去獲取
只能通過收集太陽風輻射而來得氦-3
由於地球的磁場保護了地球 同時也擋掉了氦-3
所以氦-3在地球上的蘊藏量極少
經探測結果表明
月球淺層的氦-3含量多達 110 萬噸！
至少可以解決整個地球一萬年的能源需求
尋找天然石墨烯
除了超級能源 氦-3
研究人員在對 嫦娥五號的月壤研究中
首次發現了天然形成的少層石墨烯
石墨烯，被譽爲是“新材料之王”
由於優異的 光學、電學、力學特性，
它在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面
具有重要的應用前景
被認爲是一種未來革命性的材料
▲月球石墨烯的形成 圖源/網絡
研究團隊指出
少層石墨烯和石墨碳的形成
可能源於太陽風和月球早期的火山噴發共同誘導的礦物催化進程
這爲我們理解月壤礦物形成提供了新的視角
尋找太陽和地球的古老秘密
月球沒有大氣層和磁場 直面太陽輻射
才能蘊含大量的太陽物質
所以在完整的月壤剖面中
記錄了長達30多億年的太陽輻射歷史
因此研究月壤，對於研究太陽的歷史有着巨大的意義
▲美國阿波羅登月計劃
除了太陽風之外
月球還一直被地球風吹拂着
特別是在更早的30多億年前
在那時月球遠比今天更加靠近地球
因此在月球正面的月壤
還注入過來自古老地球的大氣物質
▲20世紀50～70年代，前蘇聯先後發射了24顆月球探測器，其月球探測方面曾一度遙遙領先於美國。1970年，“月球16”號探測器將0.1千克月球岩石樣品送回地球，使人類首次獲得月球表面物質的標本。
月球表面的土壤
就像是一本厚厚的自然歷史書
記錄下了太陽系曾經發生過的一切
尋找隕石撞擊歷史
除此之外
月壤剖面還記錄了30多億年以來的隕石撞擊歷史
地球上的隕石坑因爲地質運動而被掩蓋
想要了解那段歷史
通過月球將會是是最好的方式
▲2004年，中國正式開展月球探測工程，並命名爲“嫦娥工程”。
嫦娥工程分爲“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。
2
人類從月球帶回了什麼？
在月球表面的岩石中 主要分佈的是
月海玄武岩
（岩漿在地表冷卻後凝固而成的一種緻密狀或泡沫狀結構的岩石）
而人類從月球採回的樣品按結構和成因又可分爲
結晶質火成岩、角礫岩、月壤或月塵
結晶質火成岩是月球表面或其附近
由岩漿直接結晶和固化形成
角礫岩是指其變化範圍從細粒的微角礫岩到
含有大的火成岩碎塊的碎屑岩
而月壤或月塵
是隕石體多次撞擊的產物
形成月球土壤的大塊基岩在小天體的撞擊之下
不斷被 打碎、混合、翻動
最終在月球表面形成細膩的沙土層
其厚度可達幾米之高
▲月球淺表的垂直分佈，最上層細膩的表層就是月壤（風化層）
地球上土壤的形成
除了化學、物理作用之外，還有大量的生物參與
而在月球表面
沒有大氣、沒有水、更沒有生物
月壤直接長時間暴露在太陽輻射和隕石轟擊之下
科學家們將這個過程稱爲“太空風化”
2013年12月14日，中國的嫦娥三號着陸器在月球表面着陸。
圖爲玉兔號在月壤上留下清晰的印跡。
供圖/中國科學院▲
不僅如此
月球因爲沒有磁場保護
太陽風會注入到粉塵顆粒的表面
從而改變了它們的電磁特徵和光譜特徵
另外
由於月球表面經常被隕石撞擊
所以巨大的能量會使月表一部分物質熔融形成玻璃
還有一部分物質會氣化，再重新凝結
成爲月壤組成的一部分
所以想用地球土壤“冒充”月壤 幾乎是不可能的事
長期的撞擊累積形成的月壤▲
3
“月質”到底研究什麼?
我們將地球的性質和特徵稱爲地質
將研究地球的性質與特徵學科 稱爲“地質學”
那麼，月球的性質和特徵是否該稱爲“月質”呢？
如果是這樣
研究地球性質和特徵的學科
是否也應當稱爲月質學呢？
沒想到我國第一個踏上月球 開展月質工作的
居然是 嫦娥五號
它算不算是我國第一代月質工作者呢?
至少也是我國的第一代採樣工
假如真的有一個叫"月質"的行業
有一羣往返於地-月之間
開展月質研究的“月質人” 那他們會研究什麼呢?
▲12月2日22時，經過約19小時月面工作
嫦娥五號完成月球表面自動採樣
研究月球起源
首先
他們當然想要弄清楚月球是怎麼形成的
月球可能形成於大約45億年前
有關它的起源有幾種說法
從地球甩出去的、被地球俘獲的小行星
或被是地球被行星撞擊
或者有人說地球和月球原本是兩個親兄弟
▲撞擊形成
到底真相如何？
或許我們都可以通過未來的
月質工作 來獲取答案
研究月球的結構
月球內部構造和地球一樣
月球也有殼、幔、核等分層結構
月殼平均厚度約爲60-64.7公里
月殼下面到1000公里深度是月幔
它佔了月球的大部分體積
▲月球內部構造示意圖
月幔下面是月核 月核的溫度約爲1000~1500℃
所以很可能是熔融狀態的
據推測其大概是由Fe-Ni-S和榴輝巖物質構成
月球表面有陰暗的部分和明亮的區域
亮區是高地，稱爲“月陸”
暗區是平原或盆地等低陷地帶，稱爲“月海”
月陸是月球上最古老的地理單元
佔據了月球表面的絕大部分
形成年齡比地球最古老的岩石和月海玄武岩都還要老
▲Eleanor Lutz繪製的月球地質圖
月球山脈主要分佈在月球的正面以及背面月海的邊緣
最大的山脈叫“亞平寧山”
長越6400千米 最高峰高達9840米
6000米以上的山峰有6個
如果你降落在月陸區域
那將看到的將是峰巒起伏 山脈橫貫
▲NASA公佈首張月球表面3D地形圖
在月球表面 直徑大於1公里的撞擊坑約33000個
佔月表面積的 7%-10%
最大的撞擊坑是南極附近的貝利環形山
直徑295千米，比海南島還大一點
小的環形山甚至可能只有幾十釐米
月海
是月球表面的主要地理單元
佔全月面積的25% 迄今已知的月海有22個
絕大多數分佈在面向地球月球的正面
▲月海主要分佈於月球正面(製圖/中科院空天信息研究院行星遙感團隊,引自 <中國國家地理> )
最大的月海是風暴洋 面積約爲500萬平方千米
月海雖叫做“海”，實際上它滴水不含
它的表層覆蓋類似火山噴發形成的玄武岩
即月海玄武岩
許多科學家認爲月海是小天體撞擊月球時
玄武岩岩漿覆蓋了低地所形成
除了“海”以外
還有被稱爲湖的“月湖”
被稱爲灣的“月灣”
被稱爲沼的“月沼”
▲月海分佈圖
月面上還有一種以環形山爲輻射點
向四面八方延伸的亮帶
它幾乎以筆直的方向穿過山系、月海和環形山
叫做“輻射紋”
▲月球表面的輻射紋
在滿月時可以清晰看見 尤爲壯觀
形成輻射紋的原因至今未有定論
許多人傾向於隕星撞擊說
認爲在沒有大氣和引力很小的月球上
隕星撞擊可能使高溫碎塊飛得很遠
而另外一些科學家認爲不能排除火山的作用
火山爆發時的噴射也可能會形成這樣的條紋
究竟是爲何呢？還需要繼續進行探究
研究月球的演化
月球大約在46億年前形成
月球形成不久 便分異形成月殼、月幔和月核
形成月殼之後
月表頻繁遭受到的隕石體強烈撞擊
大約在38～43億年以前
由於小行星或星子的撞擊形成月海盆地
之後在31～39億年以前
月海玄武岩的噴發並充填月海盆地
約在30億年以前
全月球性的火山作用基本停止
我們可以把月球的歷史粗略分成6個時期
前酒海紀——月球形成到39.2億年前
酒海紀——39.2億年前到38.4億年前
下雨海世——38.4億年前到38億年前
上雨海世——38億年前到32億年前
愛拉託遜紀——32億年前到11億年前
哥白尼紀——11億年前至今
由於無法精確放射性定年
所以我們無法準確確定 各個時期的起始時間
只能通過幾個撞擊盆地的形成年代
來劃分這6個地質時期的相對先後
▲月球統一地質圖，是美國地質勘探局天體地質科學中心、美國宇航局與月球行星研究所合作最新公佈的使用月球高程數據LOLA（ Lunar Orbiter Laser Altimeter）繪製的月球地質圖，Credit: 圖/NASA/GSFC/USGS
生物學 或許在月球並無用武之地
雖然月岩中發現有多種有機化合物
但是至今還沒有發現生命物質的跡象
因爲月表溫度劇烈變化
太陽輻射強烈
宇宙射線的摧殘
隕石對月表的撞擊
乾涸無水的月表和近乎真空的環境
都證明了月球上不可能有植物和動物
甚至連細菌也難以生存！
▲到了月球才知道，生機盎然的藍色地球多麼令人嚮往
嫦娥六號將使用鑽取和表取兩種採樣方式
獲得不同層面和深度的樣品
與人類在地球上開展的地質工作相似
在未來 完全有可能將地質工作者送上月球
開展“月質”的研究
甚至將月球礦產開採後運回地球
進行更深層次的利用
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撰文|李忠東 李馨宇
審稿|李忠東
圖源|網絡
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