中科院地質所：中國有多少月球樣本？_風聞

中國有哪些月球樣品？

作者：吳福元 劉強 田恆次

本文刊發在《岩石學報》2022年38卷第6期1795-1803頁

DOI：http://www.ysxb.ac.cn/article/doi/10.18654/1000-0569/2022.06.16

2020年12月17日，嫦娥五號探測器成功降落在我國內蒙古四子王旗的預定區域內。這是繼蘇聯1976年Luna（月球）24採樣後，人類時隔44年再次從月球返回樣品。12月19日，國家航天局將嫦娥五號採集的1731g月球樣品移交給中國科學院。同日，中國科學院將移交的月球樣品正式轉交給國家天文台。2021年2月27日，嫦娥五號月球樣品首次在中國國家博物館展出，並隨後在南京、香港、深圳等地展示。2021年7月12日，國家航天局探月中心在國家天文台召開嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發放儀式, 並舉行新聞發佈會,我國月球樣品科學研究工作正式啓動。嫦娥五號月球樣品的成功返回，引起了我國公眾的極大興趣與深空探測熱情。除剛返回的1731g樣品外，我國究竟還有哪些月球樣品，它對我國即將開展的月球樣品研究又有哪些借鑑意義，這些都是學術界十分關注的重要問題，同時也是我國公眾長期以來的關注所在。

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美國與蘇聯的月球樣品返回

二十世紀六、七十年代，美國和蘇聯對月球進行了大量而卓有成效的探測和樣品返回。1969年7月20日，Apollo（阿波羅）11號成功降落在月球的靜海地區（Mare Tranquillitatis），宇航員Neil Armstrong和Buzz Aldrin在月球上開啓了人類地外樣品採集的壯舉。7月24日，阿波羅11號返回地球，所採集的月球樣品第二天被送進美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，簡稱NASA）下屬的月球樣品接受實驗室（Lunar Receiving Laboratory，簡稱LRL），月球返回樣品的研究工作開始啓動。7月29日，第一個月壤樣品（10005）化學分析數據出爐（見Taylor (2019)公佈的材料）。結果顯示，月球表面的成分與我們的地球相差甚遠。其中最為重要的發現是，月球的表面無水。根據當時制定的規劃，也受到第一次登月所獲得的巨大成就的影響，美國後來又陸續成功實施了阿波羅12、14、15、16和17等五次任務（圖1），共採集回月球樣品381.7kg（表1）。這些樣品為後來研究月球的形成與演化歷史提供了極為重要的資料，同時開啓了行星科學的新紀元。

圖1 美國阿波羅和蘇聯月球系列月球着陸器着陸位置圖（同時標註中國嫦娥工程着陸器位置，底圖據Korotev et al., 2003）

表1 美國阿波羅和蘇聯月球系列採集的月球樣品一覽表（據歐陽自遠, 2005）

在美國成功實施月球樣品返回的同時，蘇聯1970~1976年間成功實施了3次無人月球樣品採集與返回（圖1、表1）。但由於樣本採集量較小，該計劃的影響要遜於阿波羅計劃。

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美國的月球樣品贈送

美國的月球樣品贈送月球樣品無疑是珍貴的。為顯示美國的國力及在探月上取得的成就，美國總統尼克松（Richard Nixon）1970年以禮品的形式向全球135個國家和地區、美國的50個州和屬地及聯合國贈送了阿波羅11號樣品。該禮品包含一面受贈方的旗幟，和鑲嵌在亞克力有機玻璃盒中的四顆米粒大小的月壤顆粒（岩石或岩石-玻璃集合體，圖2），重量約50mg。送給世界各國和地區的禮品下方寫有：“This flag of your nation was carried to the moon and back by Apollo 11, and this fragment of the Moon’s surface was brought to Earth by the crew of that first manned lunar landing”（貴方的這面旗幟曾被阿波羅11號帶到月球，並被帶回；月球表面碎塊由第一次載人登月機組取回）。

圖2 1970年美國贈送的阿波羅11號月壤樣品

由於年代久遠及管理體制的原因，美國當時贈送給世界各地的阿波羅11號樣品已很難查到詳細的記錄。根據《維基百科》資料，中國大陸和中國台灣地區都在受贈之列。贈送給中國台灣地區的此份禮品當時被保存在台北的“中央研究院”，目前保存在台中的自然科學博物館（林志隆. 2018.來自月亮的你—月岩標本的故事.台中自然博物館館訊,第373期,第8頁）。但由於中華人民共和國在聯合國的合法地位是1971年10月25日聯大第26屆大會上才恢復的，且當時中美仍未建交。因此，美國當時是否確實贈送過中國大陸阿波羅11號月岩樣品，目前還是懸案，後文我們還將討論這一問題。關於贈送樣品的屬性，目前少有討論。由於贈送的4小粒樣品被放置在亞克力有機玻璃之內，因此受贈方收到樣品後，主要將其收藏展覽，並未見到有關這些樣品的研究報道。在本文後面的介紹中我們將會提及，該樣品可能的編號是10085。1973年3月，美國第二次向全球135個國家和地區、美國的50個州及5個屬地贈送阿波羅17號樣品。與上次不同的是，此次被壓在亞克力有機玻璃中的是重約1g的玄武岩小塊，它來自編號為70017的高鈦玄武岩，該玄武岩塊總重2957g，由阿波羅17號宇航員Harrison Schmitt和Eugene Cernan採集（圖3）。

該禮品有兩段文字，其中上方的文字是：“This fragment is a portion of a rock from the Taurus Littrow Valley of the Moon. It is given as a symbol of the unity of human endeavor and carries with it the hope of the American people for a world at peace”（該巖塊來自月球Taurus Littrow谷地，象徵人類的團結一致和美國人民希望的世界和平）；而下方的文字是（對受贈方而言）：“This flag of your nation was carried to the moon aboard Spacecraft America during the Apollo XVII mission, December 7-19, 1972”（這面旗幟由阿波羅17號在1972年12月7-19日帶到月球並返回）。

圖3 1973年美國贈送的阿波羅17號月球玄武岩樣品

在後來追蹤的贈送目錄中，中國大陸和中國台灣地區也是受贈的對象。但到目前為止，我們沒有見到任何中國台灣地區接收到此禮品的記載。由於中美兩國是1979年1月1日才正式建交，美國1973年當時的禮品贈送應該不包括中國大陸。從上述簡要的介紹可以看出，中國台灣地區收到過1970年美國贈送的阿波羅11號月壤樣品。但由於當時特殊的政治環境，北京並沒有收到1970年和1973年美國大範圍贈送的阿波羅11號和17號月球樣品禮品。

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中國目前收藏的阿波羅月球樣品

中國目前收藏的阿波羅月球樣品

由於信息渠道的限制，中國目前到底有多少月岩樣品，我們並不完全知曉。除中國台中自然博物館的阿波羅11月壤外，北京至少還保存有另外兩件阿波羅月球樣品。

3.1 北京天文館阿波羅17玄武岩

北京天文館的阿波羅17號月球樣品在國內具有很高的知名度，其主要原因是該樣品曾被我國科學家做過研究，並發表過系列學術論文。根據歐陽自遠院士的敍述（歐陽自遠, 2021），1978年5月，為推動中美儘快建交，時任美國總統國家安全事務助理布熱津斯基（Zbigniew Brzezinski）到訪中國，並受到華國鋒主席的接見。布熱津斯基代表卡特總統向華國鋒主席贈送了兩件禮品：一面很小的中華人民共和國國旗和一塊嵌入有機玻璃裏的月球岩石。這顆黃豆粒大小, 重量僅1g左右的阿波羅月球樣品後來由國務院辦公廳轉移到中國科學院，並委託中國科學院地球化學研究所組織承擔“阿波羅-17（70017-291）月岩樣綜合分析測試和研究”任務（王道德和歐陽自遠, 1981）。任務完成後，剩下的約0.5g玄武岩樣品保存在北京天文館（圖4），用以科普展覽。儘管當時研究手段有限，但這是我國科學家首次對月球樣品的研究，對我國後來月球探測與研究具有重要的推動作用。

圖4 北京天文館展出的阿波羅17月球玄武岩

一個不被公眾注意的細節是，當時布熱津斯基贈送月岩時的那一小面中華人民共和國國旗，現在不知下落。作者認為，這面國旗如能和樣品同時展出，那將更具紀念意義。需要注意的是，阿波羅17任務執行的時間是在1972年12月，中美仍未正式建立外交關係，中華人民共和國的國旗是否真的被阿波羅17機組帶上月球，仍需要仔細的考證。

3.2 中國國家博物館阿波羅12月壤

北京天文館的阿波羅17玄武岩並非北京保存的唯一一件月球樣品。中國國家博物館展出有一件“尼克松總統送給毛澤東的禮品——月球表面碎片及美國國旗”（http://www.chnmuseum.cn/zp/zpml/201812/t20181218_26743.shtml）。據稱，該展品是1971年7月美國總統國家安全事務助理基辛格（Henry Alfred Kissinger）秘密訪問中國時，作為尼克松總統的禮品，請周恩來總理轉贈毛澤東主席的。基辛格後來於2013年訪問中國時，還在此禮品前留影紀念（基辛格博士又一次來國家博物館做客.國博要聞,2016年12月1日）。在該禮品的下部，有一段這樣的文字：“This flag was carried to the Moon and back by Apollo 12. The fragment of the Moon’s surface was brought to Earth by the crew of that manned lunar landing in November 1969”，明確註明這是來自阿波羅12號的樣品。值得注意的是，與樣品同時贈送的是美國國旗，而不是中國國旗（圖5）。

圖5 中國國家博物館展示的阿波羅12月球樣品

和美國以前贈送的阿波羅11月壤不同，此件禮品中的月球樣品為7小粒岩石碎片。目前不太明確的是，上述樣品的具體編號如何確定。檢索阿波羅12號採集的樣品目錄以及截至目前發表的研究報告（Warner, 1971），12001（2216g）和12070（1102g）為兩件重量最大且最為成熟的月壤，在月球表面比較典型，開展的研究也較多。特別是12070，它是阿波羅12號月壤中研究最為詳細的樣品。

3.3 尼克松訪華時派克筆上的阿波羅15月壤

除上述兩件來歷比較明確的月球樣品外，坊間傳説1972年尼克松訪華時，帶來兩隻特殊的派克金筆作見面禮。在該筆的筆桿上有塊小平板，裏面植入了阿波羅15號採集的月壤，小板上刻有“Traces of Lunar Material Apollo 15”字樣（http://www.collectspace.com/resources/profiles/profiles_parkerpens.html）。這兩隻鋼筆據説被送給了當時上海市的姚文元和浙江省的南萍。作者沒見過這份禮物的照片，也沒有見過相關的正式介紹。但尼克松1972年確實訪問過上海和杭州，上海市和浙江省還為尼克松的到訪舉行了歡迎宴會。當時，上海市“革委會”主任、上海市委第一書記為張春橋，但他常住北京。姚文元為上海市“革委會”副主任、市委第二書記，是上海市實際上的負責人。南萍當時任浙江省委第一書記、浙江省“革委會”主任。據屠俊傑回憶（屠俊傑. 2012.尼克松在杭州的21小時. 未刊）：“2月26日晚7點，浙江省地方領導宴請尼克松一行……。宴會結束後，美方贈送給浙江地方領導禮品，其中有一支派克筆，上面鑲嵌着一顆阿波羅飛船從月球上帶回來的岩石”。看來這個傳説有一定的真實性，只是目前這兩支鋼筆下落不明。

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地質地球所阿波羅月球樣品溯源

地質地球所阿波羅月球樣品溯源比較意外的是，中國科學院地質與地球物理研究所博物館保存有另外一件阿波羅月球樣品（Lunar dust，圖6）。該樣品為原中國科學院地質研究所博物館藏品，樣品標註為“月球塵”（Lunar dust），產地“美國阿波羅”，採集時間為“1971.5.26”。由於這一時間與任何一次阿波羅任務都不吻合，因而對此件樣品的身世及具體性質也就沒有明確的説法。據當年接收此樣品的博物館人員回憶，這是由上級主管部門轉來的美國國家元首贈送給中國國家領導人的禮品。但由於當時正值“文革”期間，因而對這件樣品的記錄信息很少。

圖6 中國科學院地質與地球物理研究所博物館收藏的阿波羅月球樣品

為揭開此件樣品的秘密，中國科學院地質與地球物理研究所對其進行了全方位的研究，確認其為阿波羅11號月壤（陳意等, 2022; 李秋立等, 2022; 田恆次等, 2022）。其主要證據如下：1）CT掃描圖像顯示，該樣品組成顆粒大小混雜，但主體粒度<1mm。樣品中存在特徵的巖塊，大量形態各異的衝擊角礫、玻璃以及小顆粒的金屬物質；2）選取樣品中較大的岩石顆粒進行進一步研究發現，其主要為含鈦鐵礦的玄武岩，其橄欖石、輝石和長石均顯示月球的成分特點（Papike et al., 2003; Curran et al., 2019）；3）對玄武岩顆粒進行全巖成分恢復，發現為高鈦玄武岩。結合全巖MgO、TiO2的具體含量及部分岩屑K2O含量偏高的事實（圖7a），可以確定其為阿波羅11玄武岩；4）樣品中成分均勻的玻璃有兩種，分別為苦橄質和玄武質；5）對玄武岩塊中含磷、鋯礦物顆粒進行Pb-Pb同位素測試發現，它有3570Ma、3700Ma和3850Ma三組年齡，與阿波羅11號玄武岩發表的年齡及分類一致（Beaty et al., 1979; Snyder et al., 1994; Snape et al., 2019）；6）樣品中還發現部分富鋁岩石碎屑，據其礦物成分（圖7b），可確定其為高地岩石的富鎂巖套和斜長巖。其中富鎂巖套中鈣鈦鋯石給出的年齡為3900Ma。

圖7 阿波羅不同任務採集的月海玄武岩 (a, 據Meyer, 1987) 及高地岩石判別 (b, 據Jolliff et al., 1999; Wieczorek et al., 2006)

因此，上述各項研究均指向該樣品為阿波羅11月壤。在明確上述樣品的屬性後，剩下兩個問題需要討論。第一是樣品編號；第二是它如何來到了當時的中國科學院地質研究所。在討論第一個問題前，我們首先需要了解阿波羅11號的樣品採集情況（LSPET, 1969; Kramer et al., 1977）。1969年7月20日，阿波羅11號宇航員Neil Armstrong走下懸梯後，為防止需要立即返回飛船，他隨即在飛船1.5m範圍附近採集了一些樣品，然後裝袋放置於自己的宇航服中。該樣品被稱之為Contingency sample（應急樣品），重1015g。其中>10mm的巖塊被編號為10021-10032（重523g），而<10mm的月壤被編為10010，重492g。在隨後的艙外活動期間，Armstrong用鏟子共在22~23個位置隨機鏟取月壤，並將其置於已放置大塊樣品的特製樣品袋中，以防止大塊樣品間的相互擠兑與竄動，這就是著名的Bulk sample（ALSRC#1003，重14897g）。ALSRC#1003樣品袋的石塊後來被予以不同的編號，細粒部分被編號為10002。後來從10002取出部分樣品進行篩分，細粒<1mm的部分被編號為10084（3830g）和10086（823g），而粗粒>1mm的部分被編號為10085（569g），剩下部分的10002重5629g。隨後，Neil Armstrong在飛船另一側採集Documented sample（記錄樣品），而航天員Buzz Aldrin在Bulk sample採集區一帶採集了兩個鑽孔樣，這些樣品一起被置於ALSRC#1004的樣品袋中。該樣品袋重5923g，其中石塊樣品粘附的細粒月壤403.5g，這些樣品大多沒有被仔細研究。因此，阿波羅11號主要的月壤樣品是10010、10002、10084和10086（後三者實際上屬同件樣品），它們都是在飛船降落區30m範圍內採集的，其成分基本相同（Korotev and Gillis, 2001）。但由於10010曾被磁鐵吸引過，因而該樣品的研究開展得相對較少。

上述<1mm的10084重3830g，其基本組成是：66%原地玄武岩、5%紅色玻璃、20%斜長巖、8%KREEP巖和1%的隕石。其平均粒度51μm，有14%的顆粒<10μm，是目前阿波羅樣品中研究最詳細的月壤（Papike et al., 1982），也稱之為“Reference lunar soil”（Meyer C. 2009. 10084. Lunar sample compendium）。樣品10085重569g，是ALSRC#1003篩分時>1mm的部分，也是美國首次向全球研究機構發放的研究樣品（Chao et al., 1970）。1970年1月Science雜誌發表的阿波羅11專輯上的封面，展示的就是該樣品中約4mm的隕石上分佈的微型撞擊坑（Mason et al., 1970; Fredriksson et al., 1970; Goldstein et al., 1970），表明了月球上撞擊作用或者説太空風化作用的強烈。該樣品研究的另一項重要進展是發現了來自月球高地的斜長巖，進而據此提出了著名的月球岩漿洋模型/假説（Wood et al., 1970）。10086是用來做有機物實驗的，且曾錯誤地被磁鐵影響過，因而該樣品很少有研究的報道。從這一敍述可以看出，美國贈送給世界各國和地區的阿波羅11樣品均為4個小顆粒，但粒度均>1mm，應屬10085無疑，即中國台中自然博物館目前保存的阿波羅11月岩樣品應來自10085。而地質地球所保存的樣品粒度<1mm，應是10002篩分出粗粒10085時的剩餘細粒部分，即10084。我們期待進一步的資料能對上述推測予以證實或證偽。

關於樣品的來源，我們目前還沒有明確的答案。但有以下幾個細節值得我們注意。第一，這件樣品標註的採集時間是1971.5.26。如果這一時間無誤的話，無論是樣品到達中國還是被送達原中國科學院地質研究所的時間，它都早於基辛格訪華的時間；第二，正如我們前面敍述的那樣，基辛格於1971年7月9日秘密訪華時，贈送給中國的是阿波羅12月球樣品。基辛格來華的目的，是要表達美國對建立中美外交關係的善意，他理應帶來紀念意義更大的阿波羅11號樣品。因此，我們推測，該阿波羅11號樣品在基辛格訪華前已被美國贈送給中國政府，並繼而被轉送到原中國科學院地質研究所。“文革”期間，外國元首贈送給我國國家領導人的很多地質與礦物樣品，都被轉交給原中國科學院地質研究所保存，目前研究所的博物館就有這方面樣品的展出。第三，基辛格訪華之前中美間最重要的交往應該是“乒乓外交”。1971年4月10~17日，參加完在日本名古屋舉行的第31屆世界乒乓球錦標賽的美國乒乓球代表團訪問中國。該代表團是1949年中華人民共和國成立以來首批獲准進入中國大陸境內的美國人，它打開了已關閉22年的中美交往的大門。中美兩國領導人對此次訪問都極為重視。我們推測，正是通過這次乒乓球隊訪問，美國政府贈送給了中國阿波羅11樣品，以表示改善兩國關係的願望。由於4月7日才獲得訪問中國的邀請，美方顯然來不及製作更精緻的禮品。也由於受當時雙邊政治氣氛的影響，此次的禮品贈送也就沒有留下太多的檔案記錄。我們期待未來的解密證實或證偽這一推測。但無論如何，此件阿波羅11樣品可能隱含着中美交往的某些重要事件。

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結論：不同類型月球樣品的科學意義

從上面的敍述可以看出，目前我國保存有阿波羅11、12、15和17等多件月球樣品（表2）。除1972年尼克松贈送的阿波羅15樣品不知下落外，其它樣品保存地點明確。在4件保存信息較為完整的阿波羅樣品中，中國台中自然科學博物館保存的阿波羅11月壤顆粒、中國國家博物館保存的阿波羅12月壤顆粒和北京天文館保存的阿波羅17玄武岩，都是明確的岩石碎屑顆粒（>1mm）。由於它們的禮品屬性清楚，因而適合於長期展覽及用於科普教育。

表2 中國阿波羅月球藏品一覽表

但是，中國科學院地質與地球物理研究所保存的阿波羅11月壤與上述其它樣品有所不同。目前研究顯示（陳意等, 2022; 李秋立等, 2022; 田恆次等, 2022），該月壤主要由<1mm的細粒礦物和岩石碎屑組成，其形貌特徵與我國剛剛返回的嫦娥五號月壤基本類似，但其內部具體岩石的性質、年代以及反映的月球演化歷史卻完全不同。由於採集於不同地點，上述阿波羅11號與嫦娥五號兩件月壤樣品的對比研究對解釋月球的形成與演化具有極高的科學價值。

致謝

嫦娥五號返回月球樣品以前，作者想當然地認為，北京天文館的阿波羅17玄武岩是我國保存的唯一一件月球樣品。地質地球所博物館月球樣品的出現，使我們開始追索我國現有阿波羅月球樣品的情況。感謝尹慶柱、惠鶴九、林楊挺、楊蔚、楊翔棹等在樣品追蹤過程中提供的信息和給予的幫助。李獻華領銜的月球研究小組，提供了地質地球所月壤樣品研究的概貌，一併致謝！

翻頁可查看參考文獻

​主要參考文獻

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