在遙遠的月球上挖呀挖呀挖，翻開珍貴的月壤，看古老的日記_風聞

原創：中科院物理所

在月球的表面上挖呀挖呀挖，

表取和鑽取一步都不落，

1731克的月壤帶回了家……

月球，是地球唯一的天然衞星，與人類文明息息相關。

從上古時期開始，人類遙望皓月，編織了美麗的神話故事。

唐伯虎的《嫦娥執桂圖》

幾千年春秋，人類對月球的探索永無止境。

雖然美國和前蘇聯已經對月球進行了9次採樣，但採樣區主要集中在月球正面的低緯度地區，覆蓋範圍小。因此，長久以來，月球的形成和演化依然有許多未解之謎。

僅僅依靠天文觀測、遙感探測，許多眾多科學問題無法深入研究。而如果有來自月球的樣品，人們就可以研究月球內部物質組成，研究月球的起源與演化，研究月球外來物質和能量的信息……所以，月球的研究需要更多的樣品。

2020年12月17日，我國嫦娥五號(Chang’e-5，簡稱CE5)成功採集返回1731克珍貴的月球土壤，是人類繼美國和前蘇聯探月任務之後40多年來首次獲得的月球樣品。

嫦娥五號探測器搭載長征五號遙五運載火箭出征1

嫦娥五號探測器成功着陸在月球正面預選區域2

月壤是認識地月系統早期演化的窗口，可以啓發我們如何利用月球資源。嫦娥五號探測器採樣地點在月球“風暴洋”北部呂姆克山脈附近，經緯度為51.916°W，43.058°N。與之前國家採樣地點的太空環境截然不同，我國這次採集月球中高緯度的月壤，是迄今為止緯度最高的月壤。

同時，嫦娥五號月壤中火山玄武岩的年齡為20億年，是最年輕的月球玄武岩樣品。

而且，嫦娥五號月壤採樣地點的月幔非常幹，並不像其他國家的月球樣品研究給出的那樣高的水含量。

所以，對嫦娥五號月壤的深入研究將極大地突破人類對月球認知的知識邊界。

嫦娥五號探測器採樣地點的位置，為月球中高緯度地區3

嫦娥五號探測器完成月球表面自動採樣，並按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中2

在樣品返回後，科學家利用最先進的技術對月壤開展了全面而系統的分析，使得人類對月球的認識發生質的飛躍。

在對月壤的分析中，研究人員就想，在月壤中，有沒有存在像“日記”一樣的物質，記載着月球上發生的火山噴發、隕石撞擊、太陽風和宇宙射線輻照等一系列活動呢？

尋找月球日記

回答這個問題之前，我們先看一看地球上可以捕捉千百萬年前場景的物質：

沒錯！琥珀可以把千百萬年前某個時空場景凝固下來，並以其無與倫比的穩定性保存至今！是地質和古生物研究的重要媒介！

琥珀是典型的非晶態物質，獨特的原子排布使得琥珀非常穩定。作為一種非晶脂類，琥珀可以長期封存蛋白質，完美地保存遠古時代的動植物，為人類研究地球演化提供了非常重要的證據。

本質上來説，琥珀也是一種玻璃態物質。玻璃物質在人類生活中無處不在，從玻璃容器到玻璃櫥窗，從藝術玻璃到光學器件，特定玻璃態物質以極高的穩定性和成型能力在人類文明中發揮了不可替代的作用。

玻璃是由各種非平衡的物理和化學過程產生的。比如當液體冷卻得足夠快的時候，就能夠抑制晶化，直接產生結構和液體一樣無序的玻璃固體。所以當玻璃產生的時候，就預示着各種特殊的物理和化學作用。

液體形成過冷液體、玻璃、晶體的路徑圖。當熔體冷卻時，如果冷速高於形成晶體的冷速，熔體就會在某一温度附近形成原子排布無序非晶態固體4

我國嫦娥探月工程在月球表面和月壤樣品中，也發現了豐富的玻璃物質：

它們尺寸不一，有的直徑不到一個微米，有的可以達到幾個釐米；

它們形態各異，有的呈現為張牙舞爪的熔渣狀，有的則是圓潤的玻璃球；

它們五顏六色，有的還會因為混入不同的氧化物而呈現出綠色、黃色、褐色、紅色和黑色等晶瑩多彩的顏色。

這些玻璃物質已經在月球嚴酷的環境下存在了億萬年……

嫦娥五號採集的黑色玻璃珠和黑色玻璃碎片3

玉兔二號月球車在月球背面觀察到的透明玻璃球，直徑可以達到2.5 cm5

地球的環境生機勃勃，但是月球****缺少大氣的保護，表面直接暴露在了宇宙太空環境中，所以月球環境非常嚴酷。在月球的演變歷史中，經常會有一系列非平衡的物理化學過程，比如火山噴發、隕石撞擊、太陽風和宇宙射線輻照等等，為分析月球的演化歷史帶來了難度。

幸運的是，這些非平衡的物理化學過程產生了各種玻璃物質**。這些玻璃物質以其無與倫比的穩定性，幾十億年以來在月球環境中保存了和這些過程相關的岩漿物質、隕石碎片、揮發物質和太陽風氣體等。就像地球上的琥珀一樣！**

所以月球玻璃既是重要的月球資源，也是幫助我們重構月球演化歷史的“日記”！

光學顯微鏡下嫦娥五號採集的月壤顆粒3

撞擊玻璃

**隕石撞擊是月球表面最活躍的地質活動之一，伴隨着月球的演化過程。**這些高能量的隕石撞擊塑造了月球現在佈滿撞擊坑的表面。大小不同的隕石持續地破壞着月球表面的岩石，不停地破碎、研磨、攪拌、翻騰和熔化岩石，最終創造了可以厚達幾米的月壤。

嫦娥五號降落地點附近拍攝到的佈滿撞擊坑的表面5

**撞擊玻璃是由隕石高速撞擊月球表面，熔化物質飛濺出來的熔融液珠在飛行過程中快速冷卻形成的玻璃顆粒。**玉兔2號月球車在月球背面發現的透明的玻璃球就是一種撞擊玻璃。

玉兔2號月球車在月球背面發現的透明的玻璃球是一種典型的隕石作用的撞擊玻璃6

在嫦娥五號採集的月壤樣品中也發現了大量特殊形狀的撞擊顆粒，涵蓋了球形、橢球形、啞鈴形和淚滴形等多種形態，這也預示了在熔融液珠在外力的作用下存在特定形狀變化過程。這些撞擊玻璃是由隕石撞擊到表層月壤上熔化冷卻形成的，隕石撞擊的過程決定了撞擊玻璃的各種形態。

嫦娥五號採集的球形、橢球形和啞鈴形的撞擊玻璃7

在撞擊產生的高温高壓狀態下，撞擊玻璃的形狀由熔體粘度、熔體表面張力、隕石衝擊力和液滴旋轉導致的離心力共同決定。

如果在較低的温度下，熔化的物質粘度較高，在外力的作用下就會被“拔”成纖維，冷卻後就會變成比頭髮絲還細的玻璃纖維7

撞擊產生的温度和熔化物質的粘度決定了玻璃的形狀7

嫦娥五號採集的夾雜在月壤中的玻璃絲7

**撞擊產生的炙熱熔漿還有一定的幾率包裹住隕石或者月球礦物的碎片，冷卻後形成玻璃。**正如地球上的琥珀一樣，這樣撞擊玻璃將以無與倫比的穩定性保存這些遠古的物質，成為研究太空物質向月球傳輸的絕佳樣品。

月球撞擊玻璃的形成示意圖7

月球撞擊玻璃的形成機理：撞擊玻璃是由隕石高速撞擊月球表面，熔化物質飛濺出來的熔融液珠在飛行過程中快速冷卻形成的玻璃顆粒。玻璃顆粒的形狀和隕石撞擊產生的非平衡過程直接相關。

在物理原理上，玻璃物質是一種能量上的不穩定狀態，它的結構和能量隨着時間會不斷變化。對應一定的時間，玻璃物質的能量和結構也會發生對應的變化。因此，根據時間和能量、結構的對應關係，可以推斷出玻璃所藴含的年代信息。

玻璃的結構與能量和時間有直接關聯8

火山玻璃

月球在距今約40億至20億年時間內經歷過多次劇烈的火山噴發過程，火山噴發產生的火山玻璃具有和火山活動一樣的年齡，記錄着月球內部不同時期不同地點的重要信息。

月球上的火山活動示意圖7

月球火山玻璃是由月球火山噴發出來的微小液滴快速冷卻形成的玻璃顆粒。月球火山噴發的時候在流淌出大量岩漿的同時，還會由於氣體的脱熔劇烈釋放，產生熔岩噴泉，將熔化的岩漿分散為大量細小的液珠。這些細小的液珠快速冷卻會形成包含有玻璃顆粒的火山碎屑。噴發在月球真空環境中的火山物質可以擴散很遠，覆蓋廣闊的區域，因此火山玻璃在月球上分佈非常廣泛。

美國阿波羅15號採集的月球火山玻璃和撞擊玻璃9

火山玻璃和撞擊玻璃都是熔化液體快速冷卻形成的，都可能形成球狀顆粒，因此無法僅從形狀判斷是火山玻璃還是撞擊玻璃。所以要結合揮發性化學成分、特定元素比例等綜合判斷。

本次嫦娥五號採集的月壤裏面含有的玄武岩岩屑顆粒年齡大概在20億年左右，是****迄今為止人類獲得的最年輕的火山岩。未來對其中火山玻璃的發掘和成分探測，會幫助我們進一步認識月球中水和碳等關鍵成分的分佈和起源。

嫦娥五號採集的玄武岩岩屑顆粒的四種主要結構10

膠結質玻璃

月球表面較小的隕石包括大量小於1毫米的微隕石撞擊會在小尺度範圍內甚至在岩石碎片的表面產生熔化，這些局部熔化的物質會把周圍細小的岩石碎屑粘結在一起，最終熔化的物質冷卻成為玻璃和粘結的碎屑一起形成膠結質玻璃。

嫦娥五號採集的月球岩石上附着的膠結質玻璃，玻璃裏面包裹着細小的岩石碎屑7

因為月球沒有磁場和大氣的保護，已經風化的細小的月壤顆粒經過太陽風輻照會被注入太陽風物質(主要是氫和氦)，其中氫是月球表面水的主要來源，氦-3是重要的戰略資源。氦-3是一種近乎完美的核聚變燃料，100噸的氦-3就足夠全人類一年的能源消耗；同時，氦-3也是科學研究上獲得極低温環境的重要製冷劑，為超導、量子計算等前沿研究提供重要保障。

對膠結質玻璃研究發現，鈦鐵礦的表面有一層納米級厚度的玻璃物質，這些玻璃中存在一些氦氣泡。所以對這些玻璃物質機械破碎即可充分釋放氦-3，為人類利用月球資源提供了直接途徑。

我國科學家發現月壤玻璃在捕獲和保存戰略能源——氦-3氣體中發揮了重要作用11

由於膠結質玻璃是由微隕石撞擊風化的月壤產生，撞擊熔化的過程中會釋放一部分氫氣和氦氣， 導致在粘稠的熔體中產生氣泡，所以內部呈現為多孔結構。

如果微隕石撞擊導致的局域熔化有時沒有產生足夠多的熔融液體以粘結住周圍的顆粒，就可能會產生附着在月球顆粒表面的各種****粘結玻璃。這些粘結玻璃通常具有明顯的熔化和液體流動的特徵。

比如粘結玻璃可能是岩石顆粒自身受到撞擊後部分熔化快速冷卻形成的玻璃：

岩石顆粒自身受到撞擊後，在撞擊孔周圍部分熔化快速冷卻形成了玻璃物質。右圖顯示嫦娥五號採集的一個月球顆粒上密佈着撞擊孔7

也可能是熔化的液體飛濺或者流淌到其他岩石顆粒表面凝固形成的玻璃：

嫦娥五號採集的一些岩石表面上分佈着具有明顯飛濺痕跡的玻璃物質7

這些豐富的粘結玻璃和膠結質玻璃記載了月球表面微隕石撞擊環境，也為研究月壤所保存的水和氦-3等資源提供了重要樣本。

在微隕石的作用下，除了留下了撞擊坑，在岩石碎片的表面小尺度範圍內產生熔化，和周圍粘結的碎屑形成膠結質玻璃7

表面非晶層

月球表面的高速撞擊尤其是超高速的微隕石撞擊會在瞬間產生高温直接氣化月球物質，隨後熱蒸發的氣體便會沉積在周圍岩石碎屑的表面。另外太陽風中的高速帶電離子會對月壤顆粒產生濺射作用，濺射出的原子也會沉積在****岩石的表面形成非晶層。

各種物理化學作用濺射出的原子沉積在月球岩石的表面形成納米級別的非晶層7

由於沉積非晶層是來自於周圍物質氣化或者濺射產生的氣體，因此非晶層的成****分通常和基底岩石顆粒具有非常明顯的區別，甚至含有基底岩石顆粒完全沒有的元素。這個原理就像半導體工藝裏面的磁控濺射一樣：在物理場的作用下，固體靶材氣化成原子沉積到襯底上，形成固體薄膜。

磁控濺射示意圖12

月球岩石的表面非晶層形成示意圖：熱蒸發的原子氣體和太陽風中的高速帶電離子的濺射出的原子沉積在月球岩石的表面形成非晶層7

另外，太陽風中的高速粒子(主要是氫H和氦He)會持續地注入到月壤岩石顆粒中，不斷地破壞晶體結構，產生****輻照損傷。隨着輻照時間的延長，輻照損傷層不斷加深，從結晶良好的晶體演變為非晶玻璃的狀態。

由於輻照非晶層是由固態的晶體物質晶格破壞形成的，因此一般具有和基底的岩石晶體物質類似的化學成分，僅僅會由於太陽風離子的選擇性濺射產生微弱的成分偏差。

月球岩石碎屑表面的輻照非晶損傷層，這種非晶損傷層和基底的界面參差不齊7

月球岩石的表面輻照非晶層形成示意圖：在太陽風中高速粒子的輻照下，岩石表面的晶體結構不斷地破壞，從結晶良好的晶體演變為非晶玻璃7

總的來説，月壤顆粒表面普遍存在的納米尺度的非晶層具有兩種截然不同的起源：一種是太陽風粒子注入誘導的輻照損傷作用，將晶態固體轉化成了玻璃態；一種是高速隕石撞擊導致的熱蒸發沉積作用，在礦物顆粒表面氣相沉積形成非晶薄膜。

月球玻璃分類目錄

總之，月球表面存在着固、液、氣多種轉變路徑的玻璃起源，這些熔體冷卻、氣相沉積和離子輻照產生的玻璃物質記載了月球億萬年來的歷史演化信息。

玻璃，作為月球上最古老的“日記”，是長期保存遠古物質的容器，也是月球歷史信息的記錄者和時鐘：

撞擊玻璃記錄着太陽系撞擊歷史；

火山玻璃記錄着岩漿活動等月球內部運動；

膠結物玻璃記錄着月球表面頻繁的微隕石撞擊，存儲着大量的氫、氦等太陽風物質；

月壤表面非晶層記錄着太空環境對月表的改造作用，記載着月球表面的太空風化作用信息……

月球玻璃，這本日記跨越億萬年的時間尺度記載着重要的月球演化歷史，儲存着寶貴的太空物質資源，帶給人類去認識和探索太空的新視角。

參考資料

1. https://mp.weixin.qq.com/s/ctIJFrw6HHadIUc6QjV5Gg

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3. National Science Review，2022，9：nwab188

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5. Earth Planet. Sci. Lett.，2020，541：116272

6. Science Bulletin 67 (2022) 355–358

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8. Progress in Materials Science 106 (2019) 100561

9. J. Geophys. Res.：Planets，2019，124：2686

10. Chinese Journal of Nature,2022,44(05):329-338.

11. Materials Futures 1 (2022) 035101

12. Scripta Materialia 219 (2022) 114883