解讀月球“嫦娥石”的科學密碼_風聞
马氏体-2022-09-12 18:37
在中秋佳節前一天，國家航天局、國家原子能機構聯合發佈了嫦娥五號最新科研成果：中核集團核工業北京地質研究院在月球樣品研究中發現新的磷酸鹽晶體礦物，並摸清了它的元素成分構造以及表象特徵，已將其命名為“嫦娥石”，國際礦物協會新礦物分類及命名委員會也已對其進行了認定和批准命名。該礦物是人類在月球上發現的第六種新礦物，我國成為繼美國、前蘇聯後，世界上第三個在月球發現新礦物的國家。
嫦娥石的發現是中國航天、深空探索和太空礦物研究事業走到世界先進水平所結出的碩果，也是對全國人民最“硬核”的中秋祝福。在新聞中，核工業北京地質研究院的科研人員為發現和研究嫦娥石所付出的艱苦努力已經被廣為報道，但是他們用到的研究技術、嫦娥石的組成和結構信息及地質意義，在新聞中卻語焉不詳。今天，我就來給大家做一個粗淺的解讀。
嫦娥石如何被發現？
月壤是由破碎的月球岩石形成的微粒，粒徑只有幾微米到上百微米，作為對照，頭髮的直徑大約為幾十微米。
從毫克級別的珍貴月壤樣品中，核工業北京地質研究院的科研人員對數以萬計月壤顆粒逐一進行分析，發現其中有些顆粒含有某種磷酸鈣類礦物，具有異常高的稀土元素含量，可能對應於一種未知的新礦物。然而，由於它的尺寸過於微小且與其他礦物共生在一起，無法分離出單晶體，因此無法解析出其精確結構。
為了找到更多、更大的新礦物顆粒，核工業北京地質研究院又申請了一塊月壤的鑲嵌樣品。這塊樣品是把14萬顆月壤顆粒鑲嵌在樹脂中並拋光得到的，更便於對月壤的成分和結構開展研究。
拋光的月壤顆粒暴露出其中的礦物組成信息。用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察，顆粒內不同的礦物表現出不同的灰度（SEM的背散射電子像，礦物的原子序數越大則圖像越亮）。經過篩選，科研人員找到了幾粒可以用於結構解析的“大塊”新礦物，其實也就幾微米到十幾微米尺寸。
接下來的挑戰，是在微米尺度上，把新礦物與周圍的共生礦物切分開，得到可用於結構分析的完美單晶體。採用的技術是聚焦離子束（FIB），即把高速、聚焦的離子束照射到樣品上，對錶面原子進行剝離，以完成微、納米級表面加工。（上圖為配有FIB系統的SEM真空腔室內部）
經過FIB切割，得到了新聞報道中出鏡的長條狀樣品。用微量的鉑把樣品焊接在一根細鎢針上。
對礦物單晶體樣品進行X射線衍射分析（XRD），從而解析出精確的晶體結構。
（沿各個軸向旋轉樣品，採集各個方向的衍射信息，才能解析出其結構）
嫦娥石是什麼？
嫦娥石的理想化學組成為(Ca8Y)□Fe2+(PO4)7。
它是一種隕磷鈉鎂鈣石（merrillite）類礦物，“隕”代表這種礦物在地球上沒有發現，全都是天外來客，即隕石和月球樣品；“磷”表示這是一種磷酸鹽（PO43-）；“鈣”表示主要陽離子為鈣（Ca2+），即以磷酸鈣（Ca3(PO4)2）為主要成分，另外含有鈉（Na+）和鎂（Mg2+），標準的組成為Ca9NaMg(PO4)7。
那麼，嫦娥石中的鈉和鎂在哪裏？
由於Mg2+和Fe2+的性質和半徑相似，在礦物中往往存在相互取代的關係。在嫦娥石中，原本由鎂佔據的位置就被鐵所取代。
嫦娥石不含鈉。因為一個Ca2+被一個Y3+（稀土元素釔）所取代，多了一個正電荷，所以脱除了Na+來保持電中性，用“□”代表原來被Na+所佔據的位置變成了空位。
從晶體結構上看，嫦娥石可以分為兩大部分，分別是[Fe(PO4)6]16-（在標準的磷鈉鎂鈣石中是[Mg(PO4)6]16-）陰離子結構單元和[(Ca8Y)□(PO4)]16+（在標準的磷鈉鎂鈣石中是[Ca9Na (PO4)]16+）陽離子結構單元。
其中Fe2+具有六配位八面體結構（上圖紫色圖形），每個頂點連接一個[PO4]3-磷氧四面體（上圖黃色圖形），形成[Fe(PO4)6]16-“手鐲-風車”型（bracelet-and-pinwheel）結構單元。
陰離子結構單元層層堆疊（上圖中藍色為鐵氧八面體，淺灰綠色為磷氧四面體），陽離子結構單元填充於其間（黃白相間的大球是Na+的空位，Na位是畸變八面體配位結構；橘黃色小球是Ca2+和Y3+， Ca位是八面體配位結構）。這樣的晶體結構使得嫦娥石長成了新聞圖片中所示的長條形。
對應於只存在與地球之外的隕磷鈉鎂鈣石類礦物，在地球上也存在一種天然的類似礦物——白磷鈣石（whitlockite），理想化學組成為Ca9Mg(PO4)6(HPO4)，即用H+取代磷鈉鎂鈣石（Ca9NaMg(PO4)7）中的Na+，且H+與磷酸根結合。區別在於地球岩石富含“水”——結合態的氫。氫是宇宙中最豐富的元素，太陽系的原始組成就富含水，然而月球和小行星缺乏大氣層和磁場的保護，在經歷高温（包括形成之初的高温、後續的撞擊和火山活動）後岩石中的“水”大多脱離出來，逃逸到太空中；在地球上，由火山噴發帶到地表（主要是海洋中）的水又會經由板塊俯衝回到地下。因此，即便月球是由從地球上被撞飛出去的碎片構成的，具有與地球類似的整體元素組成，但月球岩石卻非常缺“水”。
在其他隕石和月球樣品上，已經發現了多種隕磷鈉鎂鈣石類礦物：
事實上，自然界中很少存在完全符合理想化學組成的純淨礦物。一種礦物裏的某種組成元素往往會被其他性質接近的元素所取代。就像水和酒精能夠以任意比例混合一樣，很多實際礦物的組成會在兩種或多種具有相同結構、不同成分的理想礦物（被稱為“端元”）之間連續變化，被稱為“固溶體”。針對這種情況，負責管理和規範全世界礦物命名的國際礦物學協會新礦物及礦物命名委員會（CNMMN）規定，一系列固溶體的兩個端元可以被認定為獨立礦物，如果是多種元素取代同一位置的多元固溶體，那麼其中一種取代元素佔比超過50%的情況可被視為獨立礦物。雖然嫦娥石的實測成分尚未公佈，但根據其理想化學式的寫法，與此前已發現的各種隕磷鈉鎂鈣石類礦物相比，嫦娥石有顯著的釔（Y）取代鈣和其他稀土、鈉位空缺、鐵取代鎂的成分特點，因而能夠被承認為一種新礦物。相應地，嫦娥石的英文名稱“Changesite-(Y)”中，後綴“-(Y)”就代表其組成中含有特殊成分——釔。
研究嫦娥石有什麼用？
嫦娥石的特殊價值就來自其“身份”——富含稀土的磷酸鹽。
我們知道，組成地球和月球的殼和幔的主要岩石成分是硅酸鹽類礦物，大部分是由岩漿凝固而成的，但是岩漿中不可避免地含有各種其他成分。在一批原始岩漿逐漸凝固的過程中，有些元素傾向於進入到先期凝固的硅酸鹽岩石中，被稱為“相容元素”；也有些元素不願意進入固體硅酸鹽，而是傾向於留在剩餘的岩漿中，被稱為“不相容元素”。隨着越來越多的岩漿凝固為岩石，剩餘岩漿裏的不相容元素就越來越富集，直到岩漿最終完全凝固時無處可去，它們才被裹挾到最後凝固的岩石中。稀土元素和磷就屬於不相容元素，因而嫦娥石的出現代表着最晚凝固的岩漿。
尋找月球上最晚凝固的岩漿——這正是嫦娥五號任務的重大命題。
嫦娥五號的着陸點（上圖紅點）位於月球正面的“風暴洋”地區。從前望遠鏡的分辨率不高，人們把月球上暗色的區域誤認為是海洋，但實際上那裏是岩漿凝固而成的玄武岩平原，但遵循傳統，現在仍然用海洋來命名這些區域。風暴洋的火山噴發被認為是月球上最晚的大規模火山活動，大約在距今20-13億年前。
在地球這樣的星球上，融化岩石引發火山活動和板塊運動的熱量來自於地心。這熱量主要從兩個來源獲得，一是星球形成之時大量物質聚集，引力勢能轉化為熱能；二是地球內部的放射性元素衰變產熱。地球的體量足夠大，因而在形成46億年後的今天仍然維持着活躍的火山活動和板塊運動，驅動着各種元素在地殼、大氣、海洋和地幔之間循環。但是月球的體量太小，熱量已大部分散失，因而已不再發生大規模的火山活動，被稱為“死去”的星球。理論上，月球在大約25億年前就應該已經冷卻，那風暴洋火山的熱量從何而來？此前，結合對風暴洋成分的遙感探測，認為是“克里普”成分維持了火山活動。所謂克里普，是鉀（K）、稀土（REE）和磷（P）的統稱（KREEP），它們都是不相容元素，富集於月球最後凝固的岩漿中，其中鉀的放射性同位素鉀-40以及與鑭系元素性質相近的錒系元素釷（Th）和鈾（U）的衰變產生熱量，加熱了這最後的岩漿，從而引發月球最晚的火山活動。
然而，此前美蘇兩國均未獲取到“年輕”的月球樣品，已獲得的最晚的樣品形成於28億年前。針對這個月球演化歷史中的重大問題，嫦娥五號專門挑選了風暴洋中最年輕的區域作為着陸點，採集到20億年前形成的樣品，把這一領域的研究大大向前推進了一步。但對嫦娥五號月壤樣品的研究表明，來自月球地下深處的克里普組分對風暴洋岩漿的貢獻很小，與之前的假説不符。風暴洋火山到底由何種能量驅動，仍然是一個未解之謎。
（月壤來自於噴出月球表面的玄武岩，因而帶有玄武岩中的長石、橄欖石等硅酸鹽成分，嫦娥石分佈於橄欖石和長石之間，而斜鋯石ZrO2是利用從鈾到鉛的衰變過程測定岩石年齡的主要礦物，隕硫鐵FeS則是在地球以外的非氧化性環境下形成的礦物）
在岩漿演化的末期，由於稀土元素與固體硅酸鹽不相容，它們會與同樣不相容的磷酸鹽結合，形成富稀土的磷酸鹽礦物；初始含有鎂和鐵的岩漿在結晶過程中也會朝着貧鎂、富鐵的方向演化。因此，風暴洋的嫦娥石可能代表着月球最後的岩漿演化到末期的產物，且十餘種稀土元素的含量規律可以用於精細地研究岩漿的形成、演化和結晶過程。期待對嫦娥石的後續研究能夠解答更多關於月球過往的秘密。
從氣勢磅礴的火箭發射出發，迴歸到對成千上萬顆月壤微粒的耐心分析；從原子尺度的格致探微，又上升到星球演化的宏大敍事，這就是月壤研究，這就是“仰望星空，腳踏實地”。
從隕石到月球，從火星到彗星小行星，中國科技工作者探索的“腳步”在向太陽系更深遠的邊疆延伸，在向追溯太陽系和行星起源與演化過程的未知領域邁進。在這偉大的征程中，嫦娥石是一塊微小卻閃光的里程碑。
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參考資料：
中央電視台. 《新聞直播間》20220910北京 我國首次發現月球新礦物“嫦娥石” “嫦娥石”：隕磷鈉鎂鈣石族的一種礦物.
https://tv.cctv.com/2022/09/10/VIDE9ATH9CValMDdcaip6Dkz220910.shtml
科學大院. 舉頭望明月，低頭盤月壤.
Xiande Xie, Hexiong Yang，Xiangping Gu, Robert T. Downs. Chemical composition and crystal structure of merrillite from the Suizhou meteorite. American Mineralogist, 2015, 100: 2753-2756.
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中核集團. 月亮上真的有“嫦娥”！中國首次在月球上發現新礦物.
https://www.cnnpn.cn/article/32640.html
國家航天局. 中國科學家首次在月球上發現新礦物國家航天局、國家原子能機構聯合發佈嫦娥五號最新科學成果.
http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6840839/content.html
中國網. 深度解讀：月亮上真的有“嫦娥”．
http://t.m.china.com.cn/convert/c_u0764Evq.html
央視新聞．我國發現月球新礦物——嫦娥石