嫦娥五號月球樣品發佈一週年成果總結_風聞

來源：中國探月工程

2021年4月13日嫦娥五號任務第一批月球樣品信息和科學數據上線發佈以來，探月中心分別於2021年7月，2021年11月和2022年1月組織完成了三批115份共計44857.7mg的月球科研樣品發放。62個科研團隊獲得了這些樣品，研究方向集中在地球化學、地質學、月壤物性、太空風化、磁場、生物等領域。

目前，已經取得了令人鼓舞的研究成果，形成了多篇高水平論文，並陸續發表在國內外著名學術期刊上。《嫦娥五號樣品重要研究成果先後出爐》成為“2021年中國十大科技進展新聞”之一。

現將截至目前統計的發表論文彙總如下：

1.《Age and composition of young basalts on the Moon, measured fromsamples returned by Chang’e-5》（《嫦娥5號年輕玄武岩的年代與成分》）

發表刊物：《Science》

發表單位：中國地質科學院地質研究所   

論文摘要：

遙感數據表明，月表最年輕的火山單元是位於富鉀、釷、鈾等生熱元素的月球風暴洋地體中的月海玄武岩區域，本研究通過分析嫦娥五號任務取回年輕玄武岩，證明了月球在約20億年之前仍存在岩漿活動，此年齡為月球撞擊通量曲線與月球熱演化史提供了新的約束，且年輕玄武岩的產生與高濃度的生熱元素無關，因此月球年輕岩漿活動的起源還需進一步研究。

論文鏈接**：**https:/doi.org/10.1126/science.abl7957

2.《Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts》（《嫦娥五號月球樣品記錄的20億年前月球岩漿活動》）

發表刊物：《Nature》

**發表單位：**中國科學院地質與地球物理研究所

論文摘要：

月球的岩漿和熱演化歷史顯著不同於類地行星。根據月岩同位素定年結果，月球岩漿活動在28億-29億年前應該已經停止，但是根據撞擊坑統計定年法來看，可能存在30億-10億年前的年輕玄武岩，但因缺少返回月球樣品的校正，此方法誤差非常大。

本工作精確測定了嫦娥五號月球樣品玄武岩年齡為20.30 ± 0.04 億年前，通過兩階段分異演化模型限定源區μ值為約680。這是目前通過同位素定年方法確定的最年輕月球玄武岩，將之前認識的月球岩漿活動時限延長了800到900百萬年。

嫦娥五號玄武岩源區μ值介於阿波羅採集的低鈦和高鈦玄武岩源區μ值範圍內（300-1000），而與克里普巖及高鋁岩石源區μ值（2600-3700）顯著不同，指示嫦娥五號玄武岩來自克里普組分虧損的源區。嫦娥五號玄武岩年齡數據對月球撞擊坑統計定年曲線提供了關鍵錨點，為月球岩漿和熱演化歷史給出新認識。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

3.《Non-KREEP origin 1 for Chang’E-5 basaltsin the Procellarum KREEP Terrane》（《“失蹤”的克里普——嫦娥五號月海玄武岩成因》）

發表刊物：《Nature》

**發表單位：**中國科學院地質與地球物理研究所

論文摘要：

月球火山岩可以揭示月球化學組成和熱演化歷史。月球上年輕（<28億年）火山活動主要分佈在風暴洋克里普地體，一個流行的假説是富含放射性元素U、Th、K等的克里普組分為月球持續的火山活動提供熱源，但該假説未得到樣品的驗證。本文對嫦娥五號玄武岩開展了岩石學和地球化學的研究。定年結果表明該玄武岩異常年輕，約20億年。

研究表明嫦娥五號玄武岩相比於Apollo和Luna樣品是一種新類型的中鈦、富鐵和具有KREEP特徵的玄武岩。通過原位斜長石Sr同位素和白磷鈣礦Nd同位素數據，表明該玄武岩是來自於不含有KREEP組分的月幔源區。計算表明嫦娥五號玄武岩在全巖成分上具有比Apollo和Luna較低的Mg#指數，這一特徵與其橄欖石和輝石礦物也低的Mg#特徵是吻合的，反映該玄武岩是月幔源區經過低比例熔融和高程度分離結晶作用形成的。這一結果表明KREEP組分並不是產生年輕玄武岩所必需的，意味着月球冷卻的速度可能要比之前認為的慢。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5

4.《A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5》（《嫦娥五號玄武岩揭示了一個很“幹”的月幔》）

發表刊物：《Nature**》**

**發表單位：**中國科學院地質與地球物理研究所

論文摘要：

月球內部的水含量及其分佈對揭示月球起源、岩漿洋結晶分異和月球火山活動的持續時間等重大月質事件的最有重要約束。嫦娥五號任務從月球風暴洋地體西北側採集了目前為止最年輕的月海玄武岩，其年齡只有20億年，為研究月球內部水的時空演化提供了重要機遇。

本文為了揭示嫦娥五號玄武岩源區的水含量，對嫦娥五號玄武岩中的磷灰石和鈦鐵礦包裹的熔體包裹體開展了水含量和氫同位素分析。根據分析結果，我們計算得到嫦娥五號玄武岩母岩漿的最高水含量為283±22微克/克，氫同位素組成為1.06±0.25×10-4。結合嫦娥五號玄武岩的岩石成因約束，我們估算嫦娥五號玄武岩月幔源區的最高水含量小於5微克/克，説明月球最年輕玄武岩的成因不是其月幔源區富水所致。

同時，與年齡為28億年到40億年的月球樣品的研究結果對比我們可以發現，風暴洋地體下腹月幔源區的水含量隨時間呈現降低的趨勢，可能是該區域持續不斷的火山活動一直在抽取月幔源區的水所致。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9

5.《Characteristics of the lunar samples returned by Chang’E-5 mission》（《嫦娥五號月球樣品特徵》）

發表刊物：《National Science Review**》**

**發表單位：**中國科學院國家天文台

論文摘要：

20世紀70年代，Apollo和Luna任務促使我們從科學的角度全新認識了月球的形成和演化歷史，但也遺留了許多的未解之謎。時隔45年之後，嫦娥5號從月球風暴洋東北部人類此前從未“踏足”過的月球中緯度地區採集回了新的月球樣品。

地質背景分析表明，嫦娥5號採樣點受遠程濺射物的污染很少，該地區採集到的樣品可能代表了較年輕的本地玄武岩組分。本文對嫦娥5號月球樣品開展了基礎的分析和研究，並與Apollo和Luna樣品進行對比，獲得了嫦娥5號月球樣品的基礎物性參數和化學成分特徵。

嫦娥5號月壤數量95%的顆粒分佈在1.40 μm ~9.35μm粒徑範圍內（平均值3.96μm），但佔質量95%的顆粒粒徑分佈在4.84 ~432.27μm範圍（平均值49.80μm），月壤堆密度為1.2387 g/cm3，真密度為3.1952g/cm3，比表面積為0.56 m2/g。這些基礎物性參數均與Apollo和Luna樣品的變化範圍一致，但CE5月壤的粒度更細，分選更好，真密度略微低於月海玄武岩。

月壤化學成分表明，月壤原巖接近月海玄武岩端元，屬於低鈦-低鋁-低鉀（TiO2含量5%）的月海玄武岩類型，但稀土元素含量遠低於KREEP巖。CE-5月壤的主要礦物組成與典型的月海玄武岩一致，但非晶質玻璃含量（~17%）明顯低於Apollo月壤。

此外，嫦娥5號月球樣品還收集到了部分小岩屑（1mm~1cm），根據初步的巖相學觀察這些岩屑可以分為玄武質岩屑、凝結集塊岩屑、玻璃等三種類型，其中，玄武質岩屑的結構類型豐富，代表了多種結晶條件下形成的玄武岩。基於上述初步的研究結果，嫦娥5號月球樣品代表了一類可能年輕的、“全新的”分異型玄武岩，填補了Apollo和Luna月球採樣任務的“空白”，具有極高的科學研究價值。

論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188

6.《Size, morphology, and composition oflunar samples returned by Chang’E-5 Mission》（《嫦娥五號月球樣品的尺寸、形貌與組成分析》）

發表刊物:《Science ChinaPhysics, Mechanics & Astronomy》

**發表單位：**中國空間技術研究院

論文摘要：

本文對我國嫦娥五號採樣返回任務首批月球樣品（樣品編號CE5C0400）進行了表徵測試與分析，包括激光粒度與粒形分析場發射掃描電鏡、電子能譜和X射線衍射及其精修計算等，研究並分析了本次月球採樣任務的特定區域（風暴洋東北角的玄武岩區域）中表層月壤的物理和化學特性，擴展了月球表面特徵的國際性科研數據，深化了對月球演化方面的認識，併為後續月球探測任務、月球形成與演化和月球原位資源利用等研究提供重要支撐。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11433-021-1818-1

7.《Mineral chemistry and 3D tomography of achang’E 5 high-Ti basalt: implication for the lunar thermal evolutionhistory》（****《報道一種相對少見的高鈦月海玄武岩》）

發表刊物：《Science Bulletin**》**

**發表單位：**中國科學院紫金山天文台

論文摘要：

月海玄武岩主要分佈在月球的盆地中，且以月球正面居多。月海玄武岩可能是100至400公里深處的月幔部分熔融形成的。和地球上的同類岩石相比，它具有較高且變化較大的TiO2含量，從 0.2到 16.5 wt.%，相差達到約80倍。如此大的成分變化範圍不僅反映了月幔深處堆晶巖分佈的不均一性，也反映了月球內部岩漿過程的高度複雜性。因此通過不同類型的月海玄武岩，可以研究月球深部物質成分、岩漿過程隨時間和空間的演化規律。

2021年7月12日，中國科學院紫金山天文台首批申請獲得了兩塊嫦娥五號月海玄武岩樣品。利用高分辨率顯微CT、掃描電鏡、電子探針等技術對其中一個樣品（編號CE5C0000YJYX065）開展了詳細的礦物化學和無損的三維斷層成像研究。結果顯示，樣品含有極高丰度的鈦鐵礦（17.8 vol.%），並富含磷酸鹽礦物（0.5vol.%）；主要組成礦物如高鈣輝石和長石的化學成分和演化趨勢與Apollo 和Luna任務返回的高鈦玄武岩一致。

多項證據表明，不同於目前已報道的嫦娥五號中鈦和低鈦月海玄武岩類型，CE5C0000YJYX065是一種高鈦月海玄武岩，是在月表（埋藏深度約0.8米）快速冷卻結晶形成的。嫦娥五號着陸區歷史上可能曾經發生過多次火山噴發活動，將有望解讀月幔源區不同物質成分和月球晚期火山活動的精細時空分佈規律。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.006

8.《Rapid screening of Zr-containingparticles from Chang’e-5 lunar soil samples for isotope geochronology: Technicalroadmap for future study》（《嫦娥五號月壤樣品單顆粒分析工作流程圖》）

發表刊物：《Geoscience Frontiers**》**

**發表單位：**中國科學院地質與地球物理研究所

論文摘要：

嫦娥五號月壤樣品來自月球風暴洋東北部，屬於人類從未“踏足”的中緯度地區。確定年齡，是利用嫦娥五號月壤樣品開展“月球岩漿活動及演化、月球發電機和磁場演化、太空風化作用”等重大科學問題研究的基礎，還能為修正撞擊坑統計定年曲線提供關鍵錨點，因而是首要科學問題。

從成千上萬個月壤顆粒中精準地挑選出適合定年的目標樣品，並且將適用於微區原位定年的礦物從目標礦物中精準地暴露出來，則是解決這一首要問題的關鍵所在。針對上述問題，經過聯合攻關，研究人員最終建立了兩套可行性方案，用於嫦娥五號月壤樣品中富鋯（Zr）顆粒的快速篩選和目標顆粒中含鋯礦物的精準定位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gsf.2022.101367

9.《Titanium in olivine reveals low-Ti originof the Chang’E-5 lunar basalts》（《橄欖石微量Ti確定嫦娥五號玄武岩低鈦屬性》）

發表刊物：《LITHOS**》**

**發表單位：**中國科學院地質與地球物理研究所

論文摘要：

對嫦娥五號月壤樣品中玄武岩研究揭示月球在20億年前仍存在岩漿活動，比以往認知推遲了8億-9億年，刷新了科學界對月球演化歷史的認知。然而，目前對嫦娥五號玄武岩屬於低鈦還是高鈦月海玄武岩還存在爭議。本研究從橄欖石鈦含量這一新視角，揭示嫦娥五號玄武岩屬於低鈦月海玄武岩，比大多數阿波羅低鈦月海玄武岩具有更高的鈦含量，該發現可為研究月球最年輕火山成因機制奠定基礎。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.lithos.2022.106639

10.《In Situ Micro-XRD Methods for IdentifyingGlass and Minerals in Extraterrestrial Samples》（《原位微區X射線衍射技術快速分析月壤顆粒中的玻璃態物質》）

發表刊物：《Atomic Spectroscopy**》**

**發表單位：**中國科學院廣州地球化學研究所

論文摘要：

現有對於月球隕石、阿波羅樣品的研究和月球模擬場計算均表明，非晶態物質是月球表土的重要組成部分。由於它們具有粒徑細小、來源多樣以及共生關係複雜等特點，目前人們仍沒有很好的手段和方法能夠對其進行系統研究。而這些玻璃組分的成因及分佈，對於深入瞭解和認識月球的起源和演化、月表太陽風和微隕石轟擊等作用，都具有重要意義。

X射線衍射技術是傳統礦物學中判別礦物物相及結構的基本手段。原位微區X射線衍射技術更是兼具了無損性、準確性、制樣靈活性以及較高的空間分辨率等優點，在研究複雜地外樣品時將具有極大的潛力。

本研究中，使用原位微區X射線衍射儀，原位研究了包括月壤樣品集合體、似單晶顆粒以及制靶樣品在內的多種形態月壤樣品，探究了針對不同類型樣品的最佳制樣及測試方法，並對大量測試結果進行歸類分析和總結。結果表明，嫦娥五號取回月壤樣品中，月壤中非晶物質與輝石、長石等礦物廣泛共生，且玻璃質以覆層或基質的形式充填於礦物碎屑之間。

根據研究結果推測了受試樣品中的玻璃可能是因為月球經歷的頻繁和強烈的撞擊事件，通過沖擊變質熔融或蒸發沉積等過程產生。樣品顆粒不同的有序度和玻璃含量，可作為推斷撞擊中心或火山噴發中心的證據之一。

論文鏈接：https://doi.org/10.46770/AS.2022.016

11.《In situ Investigation of the ValenceStates of Iron-bearing Phases in Chang’E-5 Lunar Soil using FIB, AES, andTEM-EELS Techniques》（《FIB-AES-TEM-EELS聯用技術在嫦娥五號月壤研究中的應用》）

發表刊物：《Atomic Spectroscopy**》**

**發表單位：**中國科學院地球化學研究所

論文摘要：

利用聚焦離子束（FIB）、掃描俄歇納米探針（AES）和透射電子顯微鏡-電子能量損失譜（TEM-EELS）等先進原位微區測試技術，分析並排除了地球環境對嫦娥五號月壤（CE5C0400YJFM00505）中含鐵相的污染和氧化，同時對np-Fe0及相關鐵鎂硅酸鹽礦物與玻璃基質中Fe2+與Fe3+的納米級尺度分佈與賦存特徵開展了深入分析，獲取了np-Fe0歧化反應成因機制的初步證據。

論文鏈接：https://doi.org/10.46770/AS.2022.014

12.《Nanophase Iron Particles Derived FromFayalitic Olivine Decomposition in Chang’E-5 Lunar Soil: Implications forThermal Effects During Impacts》（《嫦娥五號月壤中鐵橄欖石熱分解成因單質金屬鐵的發現》）

發表刊物：《Geophysical Research Letters**》**

**發表單位：**中國科學院地球化學研究所

論文摘要：

基於原位微區電子分析結果，首次在嫦娥五號鏟取月壤中找到了鐵橄欖石分解成因納米金屬鐵（npFe0）的確切證據。與Apollo月壤中納米金屬鐵相比，嫦娥五號月壤中鐵橄欖石分解成因的納米金屬鐵在均值粒徑、賦存狀態、形成機制以及光譜改造效應等方面均存在較大差異。

該研究結果表明，月壤形成過程中的衝擊破碎作用以及月壤演化過程中微隕石撞擊的局部熱作用是嫦娥五號月壤中鐵橄欖石分解形成納米金屬鐵的主要原因，同時也可能是全月表月壤形成與演化初期階段納米金屬鐵的重要形成機制之一。

論文鏈接：https://doi. org/10.1029/2021GL097323

13.《嫦娥五號月壤中子活化分析研究》（《Instrumental Neutron Activation Analysis of Chang’E‑5 LunarRegolith Samples》）

發表刊物：《同位素》、《Journal of the American Chemical Society**》**

**發表單位：**中國原子能科學研究院

論文摘要：

我國嫦娥五號從月球風暴洋東北部、人類此前從未去過的月球中緯度地區（51.916°W, 43.058°N）採集回了新的月壤樣品，彌補了40多年前美國和蘇聯採樣區域有限的不足，拓展了月壤樣品的代表性，具有重要的科研價值。

中子活化分析具有高靈敏、多元素、非破壞等優點，基於中國原子能科學研究院49-2泳池堆和微型中子源反應堆，利用儀器中子活化分析方法對嫦娥五號月球表面鏟取樣品開展元素分析研究，使用實驗室專用活化分析軟件ADVNAA進行元素定量分析，獲得嫦娥五號月壤樣品中39種主量和微量元素信息，並與1978年美國贈送給中國的禮物Apollo-17樣品數據進行對比。

實驗過程採用中子活化分析單比較器k0法和相對法對月壤樣品元素進行定量，多種有證標準物質(如GBW07105、GBW07727、GBW07896、SRM2703、GSP2等)與嫦娥五號月壤樣品一起分析，分析結果在不確定度範圍內一致，確保了嫦娥五號月壤樣品分析結果的準確性和可靠性。

論文鏈接：https://10.7538/tws.2021.youxian.102

https://doi.org/10.1021/jacs.1c13604

14.《嫦娥五號月壤元素含量中子活化分析測定的質量保證和質量控制》（《Quality assurance and quality control of neutron activationanalysis for determination of elements in lunar soil samples returned by Chang’E-5mission》）

發表刊物：《核技術（Nuclear Techniques**）》**

**發表單位：**中國原子能科學研究院

論文摘要：

精準測定嫦娥五號月壤樣品的元素含量，對於探討月壤的成因及其形成的物理化學條件、研究月球演化歷史具有重要意義。為了確保利用中子活化分析測定嫦娥五號月壤樣品元素含量結果的準確性和可靠性，需要做好分析過程的質量保證和分析結果的質量控制。

基於中子活化分析原理和誤差來源，討論了月壤樣品中子活化分析中的質量保證措施，並採用標準物質監控、重複測試、自我驗證、方法比對等內部質量控制方法對月壤樣品中子活化分析結果進行評價和驗證。內部質控樣品的分析結果滿足實驗室的接收標準，重複測試等內部質量控制方法顯示元素定值結果具有一致性。通過分析測量數據，驗證了檢測結果的可靠性，證明質量保證過程和質量控制方法有效。

論文鏈接：https://10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.030201

15.《Space Weathering of the Chang’e‐5 LunarSample From a Mid‐High Latitude Region on the Moon》（《電鏡技術解析嫦娥五號樣品的太空風化作用機制》）

發表刊物：《Geophysical Research Letter**》**

**發表單位：**中國科學院地質與地球物理研究所

論文摘要：

月球表面遭受了強烈的太空風化作用，包括微隕石撞擊、太陽風及宇宙射線的輻射等。這些過程極大地改造了月球表面物質的微觀結構及光譜特徵。但是，太空風化作用機制還不夠清晰。另外，嫦娥五號採樣點位於中緯度(43.06°N)，為月球不同緯度的空間風化研究提供了獨特的視角。

利用單顆粒樣品操縱-掃描電鏡形貌觀察-聚焦離子束精細加工-透射電鏡結構解析等系列分析方法，獲得了嫦娥五號樣品單顆粒表面多相物質（硅酸鹽、氧化物、磷酸鹽和硫化物）受到相同太空環境下的不同微觀結構響應。並通過與阿波羅樣品的分析結果進行對比，建立了嫦娥五號樣品太空風化作用的初步模型。這為認識月球表面物質演化及不同維度遙感光譜校正提供了支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.5281/zenodo.6349937