嫦娥石是什麼？從哪兒來？能幹什麼？_風聞
马氏体-2022-09-13 15:52
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了一種新礦物——“嫦娥石”，並獲得國際礦物協會的認定。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。
從數以萬計月壤顆粒中，核工業北京地質研究院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
科研人員用掃描電子顯微鏡（SEM）進行放大觀察，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，是把新礦物與周圍的共生礦物切分開，獲得純淨的新礦物樣本用於結構分析。採用的技術是聚焦離子束（FIB），就是以高能量的離子束為“刻刀”，轟擊掉樣品表面的原子，實現微、納米級精細加工。
經過FIB切割，得到一塊幾微米大小的樣品，用微量的鉑把它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）。晶體裏各個位置的原子會把X光散射向不同的方向，形成特定的衍射圖譜，從而能夠解析出精確的晶體結構。
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-），另外還有“鈣”（Ca2+）、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？
嫦娥石不含鎂，因為原本由鎂佔據的位置被二價鐵（Fe2+）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+來保持正負電荷平衡，用“□”代表原來被Na+所佔據的位置變成了空位。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。
（這是一種結構非常複雜的磷酸鹽，每個磷被四個氧包圍，即圖示中的淺綠色四面體；每個鐵被六個磷酸根包圍，即圖示中的藍色八面體）
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。就像有些物質易溶於水，有些物質難溶於水，不同的礦物成分在岩漿中的溶解度也是不同的。
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，並且十餘種稀土元素的性質有細微差異，它們的含量規律可以用於研究岩漿的形成和演化過程。
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。
（紅點為嫦娥五號的着陸點，月球地圖上的顏色代表岩漿凝固為岩石的時間，顏色越紅則年代越新，單位為十億年，可見嫦娥五號着陸點的岩石年齡小於20億年）
嫦娥五號着陸在月球正面的“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。但是月球的體量太小，熱量已大部分散失，因而不再發生火山活動，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，代表了月球最晚的火山活動。
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.
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
央視新聞．我國發現月球新礦物——嫦娥石