嫦娥六号，挖土归来！走，到月球去搞“地质
封面图源|爱给网
封面设计|李馨宇
1969年7月
美国宇航员阿姆斯特朗
在月球表面留下了人类的第一个脚印
图源|网络
1970年9月
前苏联发射的无人探测器 月球-16号
首次自动取样 将月壤送回地球
图源|网络
又50年过后
中国的嫦娥5号
再次 从月球表面 带回了1731克月样
▲嫦娥五号上升器带着样品离开着陆器示意图
而就在2024年6月2日
嫦娥6号成功在月球背面南极-艾特肯盆地降落
完成了人类首次月球背面的土壤采样
并且于2024年6月25号
成功返回地球
这次 它又将会带给人类怎样的惊喜？
▲图源央视新闻
人类对于月球的探索
从未停止
1978年
为了推动中美尽快建交
时任美国总统国家安全事务助理到访中国
并且向中国赠送了 1g月球样品
这块要用放大镜才能看清的石头
竟然还要被分成 两半
一半收藏在北京天文馆
另外一半则供中国科学家研究
▲保存在北京天文馆供公众参观的0.5g月岩
但就是根据 对这块0.5克石头的研究
中国科学家们一共发表了14篇研究文章……
为人类带来了重要的科研成果
▲查尔斯·康拉德和比恩在月球收集了重达35公斤的月球岩石
而在美国六次登月后的几十年间
航空航天局NASA收到了来自全世界3000多份
研究月球土壤样品的申请
但采集的300多千克月壤对于全球的需求而言
简直是杯水车薪聊胜于无般的存在
人类为什么要这么大费周章地跑到月球上去取样？
今天 我们就来聊一聊这个话题
1
为什么我们要到月球采样?
寻找完美能源
在对月壤的研究过程中
科学家们发现月壤中含有大量的氦-3
它是世界公认的 最高效、清洁、安全的
核聚变发电燃料之一
被科学家称作是 “完美能源”
据计算，100吨氦-3所能创造的能源
相当于全世界一年消耗能源的总量
然而氦-3主要存在于太阳之中
我们自然不可能直接到太阳上去获取
只能通过收集太阳风辐射而来得氦-3
由于地球的磁场保护了地球 同时也挡掉了氦-3
所以氦-3在地球上的蕴藏量极少
经探测结果表明
月球浅层的氦-3含量多达 110 万吨！
至少可以解决整个地球一万年的能源需求
寻找天然石墨烯
除了超级能源 氦-3
研究人员在对 嫦娥五号的月壤研究中
首次发现了天然形成的少层石墨烯
石墨烯，被誉为是“新材料之王”
由于优异的 光学、电学、力学特性，
它在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面
具有重要的应用前景
被认为是一种未来革命性的材料
▲月球石墨烯的形成 图源/网络
研究团队指出
少层石墨烯和石墨碳的形成
可能源于太阳风和月球早期的火山喷发共同诱导的矿物催化进程
这为我们理解月壤矿物形成提供了新的视角
寻找太阳和地球的古老秘密
月球没有大气层和磁场 直面太阳辐射
才能蕴含大量的太阳物质
所以在完整的月壤剖面中
记录了长达30多亿年的太阳辐射历史
因此研究月壤，对于研究太阳的历史有着巨大的意义
▲美国阿波罗登月计划
除了太阳风之外
月球还一直被地球风吹拂着
特别是在更早的30多亿年前
在那时月球远比今天更加靠近地球
因此在月球正面的月壤
还注入过来自古老地球的大气物质
▲20世纪50～70年代，前苏联先后发射了24颗月球探测器，其月球探测方面曾一度遥遥领先于美国。1970年，“月球16”号探测器将0.1千克月球岩石样品送回地球，使人类首次获得月球表面物质的标本。
月球表面的土壤
就像是一本厚厚的自然历史书
记录下了太阳系曾经发生过的一切
寻找陨石撞击历史
除此之外
月壤剖面还记录了30多亿年以来的陨石撞击历史
地球上的陨石坑因为地质运动而被掩盖
想要了解那段历史
通过月球将会是是最好的方式
▲2004年，中国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。
嫦娥工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。
2
人类从月球带回了什么？
在月球表面的岩石中 主要分布的是
月海玄武岩
（岩浆在地表冷却后凝固而成的一种致密状或泡沫状结构的岩石）
而人类从月球采回的样品按结构和成因又可分为
结晶质火成岩、角砾岩、月壤或月尘
结晶质火成岩是月球表面或其附近
由岩浆直接结晶和固化形成
角砾岩是指其变化范围从细粒的微角砾岩到
含有大的火成岩碎块的碎屑岩
而月壤或月尘
是陨石体多次撞击的产物
形成月球土壤的大块基岩在小天体的撞击之下
不断被 打碎、混合、翻动
最终在月球表面形成细腻的沙土层
其厚度可达几米之高
▲月球浅表的垂直分布，最上层细腻的表层就是月壤（风化层）
地球上土壤的形成
除了化学、物理作用之外，还有大量的生物参与
而在月球表面
没有大气、没有水、更没有生物
月壤直接长时间暴露在太阳辐射和陨石轰击之下
科学家们将这个过程称为“太空风化”
2013年12月14日，中国的嫦娥三号着陆器在月球表面着陆。
图为玉兔号在月壤上留下清晰的印迹。
供图/中国科学院▲
不仅如此
月球因为没有磁场保护
太阳风会注入到粉尘颗粒的表面
从而改变了它们的电磁特征和光谱特征
另外
由于月球表面经常被陨石撞击
所以巨大的能量会使月表一部分物质熔融形成玻璃
还有一部分物质会气化，再重新凝结
成为月壤组成的一部分
所以想用地球土壤“冒充”月壤 几乎是不可能的事
长期的撞击累积形成的月壤▲
3
“月质”到底研究什么?
我们将地球的性质和特征称为地质
将研究地球的性质与特征学科 称为“地质学”
那么，月球的性质和特征是否该称为“月质”呢？
如果是这样
研究地球性质和特征的学科
是否也应当称为月质学呢？
没想到我国第一个踏上月球 开展月质工作的
居然是 嫦娥五号
它算不算是我国第一代月质工作者呢?
至少也是我国的第一代采样工
假如真的有一个叫"月质"的行业
有一群往返于地-月之间
开展月质研究的“月质人” 那他们会研究什么呢?
▲12月2日22时，经过约19小时月面工作
嫦娥五号完成月球表面自动采样
研究月球起源
首先
他们当然想要弄清楚月球是怎么形成的
月球可能形成于大约45亿年前
有关它的起源有几种说法
从地球甩出去的、被地球俘获的小行星
或被是地球被行星撞击
或者有人说地球和月球原本是两个亲兄弟
▲撞击形成
到底真相如何？
或许我们都可以通过未来的
月质工作 来获取答案
研究月球的结构
月球内部构造和地球一样
月球也有壳、幔、核等分层结构
月壳平均厚度约为60-64.7公里
月壳下面到1000公里深度是月幔
它占了月球的大部分体积
▲月球内部构造示意图
月幔下面是月核 月核的温度约为1000~1500℃
所以很可能是熔融状态的
据推测其大概是由Fe-Ni-S和榴辉岩物质构成
月球表面有阴暗的部分和明亮的区域
亮区是高地，称为“月陆”
暗区是平原或盆地等低陷地带，称为“月海”
月陆是月球上最古老的地理单元
占据了月球表面的绝大部分
形成年龄比地球最古老的岩石和月海玄武岩都还要老
▲Eleanor Lutz绘制的月球地质图
月球山脉主要分布在月球的正面以及背面月海的边缘
最大的山脉叫“亚平宁山”
长越6400千米 最高峰高达9840米
6000米以上的山峰有6个
如果你降落在月陆区域
那将看到的将是峰峦起伏 山脉横贯
▲NASA公布首张月球表面3D地形图
在月球表面 直径大于1公里的撞击坑约33000个
占月表面积的 7%-10%
最大的撞击坑是南极附近的贝利环形山
直径295千米，比海南岛还大一点
小的环形山甚至可能只有几十厘米
月海
是月球表面的主要地理单元
占全月面积的25% 迄今已知的月海有22个
绝大多数分布在面向地球月球的正面
▲月海主要分布于月球正面(制图/中科院空天信息研究院行星遥感团队,引自 <中国国家地理> )
最大的月海是风暴洋 面积约为500万平方千米
月海虽叫做“海”，实际上它滴水不含
它的表层覆盖类似火山喷发形成的玄武岩
即月海玄武岩
许多科学家认为月海是小天体撞击月球时
玄武岩岩浆覆盖了低地所形成
除了“海”以外
还有被称为湖的“月湖”
被称为湾的“月湾”
被称为沼的“月沼”
▲月海分布图
月面上还有一种以环形山为辐射点
向四面八方延伸的亮带
它几乎以笔直的方向穿过山系、月海和环形山
叫做“辐射纹”
▲月球表面的辐射纹
在满月时可以清晰看见 尤为壮观
形成辐射纹的原因至今未有定论
许多人倾向于陨星撞击说
认为在没有大气和引力很小的月球上
陨星撞击可能使高温碎块飞得很远
而另外一些科学家认为不能排除火山的作用
火山爆发时的喷射也可能会形成这样的条纹
究竟是为何呢？还需要继续进行探究
研究月球的演化
月球大约在46亿年前形成
月球形成不久 便分异形成月壳、月幔和月核
形成月壳之后
月表频繁遭受到的陨石体强烈撞击
大约在38～43亿年以前
由于小行星或星子的撞击形成月海盆地
之后在31～39亿年以前
月海玄武岩的喷发并充填月海盆地
约在30亿年以前
全月球性的火山作用基本停止
我们可以把月球的历史粗略分成6个时期
前酒海纪——月球形成到39.2亿年前
酒海纪——39.2亿年前到38.4亿年前
下雨海世——38.4亿年前到38亿年前
上雨海世——38亿年前到32亿年前
爱拉托逊纪——32亿年前到11亿年前
哥白尼纪——11亿年前至今
由于无法精确放射性定年
所以我们无法准确确定 各个时期的起始时间
只能通过几个撞击盆地的形成年代
来划分这6个地质时期的相对先后
▲月球统一地质图，是美国地质勘探局天体地质科学中心、美国宇航局与月球行星研究所合作最新公布的使用月球高程数据LOLA（ Lunar Orbiter Laser Altimeter）绘制的月球地质图，Credit: 图/NASA/GSFC/USGS
生物学 或许在月球并无用武之地
虽然月岩中发现有多种有机化合物
但是至今还没有发现生命物质的迹象
因为月表温度剧烈变化
太阳辐射强烈
宇宙射线的摧残
陨石对月表的撞击
干涸无水的月表和近乎真空的环境
都证明了月球上不可能有植物和动物
甚至连细菌也难以生存！
▲到了月球才知道，生机盎然的蓝色地球多么令人向往
嫦娥六号将使用钻取和表取两种采样方式
获得不同层面和深度的样品
与人类在地球上开展的地质工作相似
在未来 完全有可能将地质工作者送上月球
开展“月质”的研究
甚至将月球矿产开采后运回地球
进行更深层次的利用
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撰文|李忠东 李馨宇
审稿|李忠东
图源|网络
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