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翻开珍贵的月壤,看古老的日记

2023-05-08 中科院物理所 阅读:
月球,是地球唯一的天然卫星,与人类文明息息相关。从上古时期开始,人类遥望皓月,编织了美丽的神话故事。几千年春秋,人类对月球的探索永无止境。

在月球的表面上挖呀挖呀挖,xSgednc

表取和钻取一步都不落,xSgednc

1731克的月壤带回了家……xSgednc

月球,是地球唯一的天然卫星,与人类文明息息相关。xSgednc

从上古时期开始,人类遥望皓月,编织了美丽的神话故事。xSgednc

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唐伯虎的《嫦娥执桂图》xSgednc

几千年春秋,人类对月球的探索永无止境。xSgednc

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虽然美国和前苏联已经对月球进行了9次采样,但采样区主要集中在月球正面的低纬度地区,覆盖范围小。因此,长久以来,月球的形成和演化依然有许多未解之谜。xSgednc

仅仅依靠天文观测、遥感探测,许多众多科学问题无法深入研究。而如果有来自月球的样品,人们就可以研究月球内部物质组成,研究月球的起源与演化,研究月球外来物质和能量的信息……所以,月球的研究需要更多的样品。xSgednc

2020年12月17日,我国嫦娥五号(Chang’e-5,简称CE5)成功采集返回1731克珍贵的月球土壤,是人类继美国和前苏联探月任务之后40多年来首次获得的月球样品。xSgednc

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嫦娥五号探测器搭载长征五号遥五运载火箭出征1xSgednc

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嫦娥五号探测器成功着陆在月球正面预选区域2xSgednc

月壤是认识地月系统早期演化的窗口,可以启发我们如何利用月球资源。嫦娥五号探测器采样地点在月球“风暴洋”北部吕姆克山脉附近,经纬度为51.916°W,43.058°N。与之前国家采样地点的太空环境截然不同,我国这次采集月球中高纬度的月壤,是迄今为止纬度最高的月壤。xSgednc

同时,嫦娥五号月壤中火山玄武岩的年龄为20亿年,是最年轻的月球玄武岩样品。xSgednc

而且,嫦娥五号月壤采样地点的月幔非常干,并不像其他国家的月球样品研究给出的那样高的水含量。xSgednc

所以,对嫦娥五号月壤的深入研究将极大地突破人类对月球认知的知识边界。xSgednc

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嫦娥五号探测器采样地点的位置,为月球中高纬度地区3xSgednc

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嫦娥五号探测器完成月球表面自动采样,并按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中2xSgednc

在样品返回后,科学家利用最先进的技术对月壤开展了全面而系统的分析,使得人类对月球的认识发生质的飞跃。xSgednc

在对月壤的分析中,研究人员就想,在月壤中,有没有存在像“日记”一样的物质,记载着月球上发生的火山喷发、陨石撞击、太阳风和宇宙射线辐照等一系列活动呢?xSgednc

寻找月球日记xSgednc

回答这个问题之前,我们先看一看地球上可以捕捉千百万年前场景的物质:xSgednc

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没错!琥珀可以把千百万年前某个时空场景凝固下来,并以其无与伦比的稳定性保存至今!是地质和古生物研究的重要媒介!xSgednc

琥珀是典型的非晶态物质,独特的原子排布使得琥珀非常稳定。作为一种非晶脂类,琥珀可以长期封存蛋白质,完美地保存远古时代的动植物,为人类研究地球演化提供了非常重要的证据。xSgednc

本质上来说,琥珀也是一种玻璃态物质。玻璃物质在人类生活中无处不在,从玻璃容器到玻璃橱窗,从艺术玻璃到光学器件,特定玻璃态物质以极高的稳定性和成型能力在人类文明中发挥了不可替代的作用。xSgednc

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玻璃是由各种非平衡的物理和化学过程产生的。比如当液体冷却得足够快的时候,就能够抑制晶化,直接产生结构和液体一样无序的玻璃固体。所以当玻璃产生的时候,就预示着各种特殊的物理和化学作用。xSgednc

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液体形成过冷液体、玻璃、晶体的路径图。当熔体冷却时,如果冷速高于形成晶体的冷速,熔体就会在某一温度附近形成原子排布无序非晶态固体4xSgednc

我国嫦娥探月工程在月球表面和月壤样品中,也发现了丰富的玻璃物质:xSgednc

它们尺寸不一,有的直径不到一个微米,有的可以达到几个厘米;xSgednc

它们形态各异,有的呈现为张牙舞爪的熔渣状,有的则是圆润的玻璃球;xSgednc

它们五颜六色,有的还会因为混入不同的氧化物而呈现出绿色、黄色、褐色、红色和黑色等晶莹多彩的颜色。xSgednc

这些玻璃物质已经在月球严酷的环境下存在了亿万年……xSgednc

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嫦娥五号采集的黑色玻璃珠和黑色玻璃碎片3xSgednc

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玉兔二号月球车在月球背面观察到的透明玻璃球,直径可以达到2.5 cm5xSgednc

地球的环境生机勃勃,但是月球缺少大气的保护,表面直接暴露在了宇宙太空环境中,所以月球环境非常严酷。在月球的演变历史中,经常会有一系列非平衡的物理化学过程,比如火山喷发、陨石撞击、太阳风和宇宙射线辐照等等,为分析月球的演化历史带来了难度。xSgednc

幸运的是,这些非平衡的物理化学过程产生了各种玻璃物质。这些玻璃物质以其无与伦比的稳定性,几十亿年以来在月球环境中保存了和这些过程相关的岩浆物质、陨石碎片、挥发物质和太阳风气体等。就像地球上的琥珀一样!xSgednc

所以月球玻璃既是重要的月球资源,也是帮助我们重构月球演化历史的“日记”!xSgednc

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光学显微镜下嫦娥五号采集的月壤颗粒3xSgednc

撞击玻璃xSgednc

陨石撞击是月球表面最活跃的地质活动之一,伴随着月球的演化过程。这些高能量的陨石撞击塑造了月球现在布满撞击坑的表面。大小不同的陨石持续地破坏着月球表面的岩石,不停地破碎、研磨、搅拌、翻腾和熔化岩石,最终创造了可以厚达几米的月壤。xSgednc

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嫦娥五号降落地点附近拍摄到的布满撞击坑的表面5xSgednc

撞击玻璃是由陨石高速撞击月球表面,熔化物质飞溅出来的熔融液珠在飞行过程中快速冷却形成的玻璃颗粒。玉兔2号月球车在月球背面发现的透明的玻璃球就是一种撞击玻璃。xSgednc

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玉兔2号月球车在月球背面发现的透明的玻璃球是一种典型的陨石作用的撞击玻璃6xSgednc

在嫦娥五号采集的月壤样品中也发现了大量特殊形状的撞击颗粒,涵盖了球形、椭球形、哑铃形和泪滴形等多种形态,这也预示了在熔融液珠在外力的作用下存在特定形状变化过程。这些撞击玻璃是由陨石撞击到表层月壤上熔化冷却形成的,陨石撞击的过程决定了撞击玻璃的各种形态。xSgednc

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嫦娥五号采集的球形、椭球形和哑铃形的撞击玻璃7xSgednc

在撞击产生的高温高压状态下,撞击玻璃的形状由熔体粘度、熔体表面张力、陨石冲击力和液滴旋转导致的离心力共同决定。xSgednc

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如果在较低的温度下,熔化的物质粘度较高,在外力的作用下就会被“拔”成纤维,冷却后就会变成比头发丝还细的玻璃纤维7xSgednc

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撞击产生的温度和熔化物质的粘度决定了玻璃的形状7xSgednc

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嫦娥五号采集的夹杂在月壤中的玻璃丝7xSgednc

撞击产生的炙热熔浆还有一定的几率包裹住陨石或者月球矿物的碎片,冷却后形成玻璃。正如地球上的琥珀一样,这样撞击玻璃将以无与伦比的稳定性保存这些远古的物质,成为研究太空物质向月球传输的绝佳样品。xSgednc

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月球撞击玻璃的形成示意图7xSgednc

月球撞击玻璃的形成机理:撞击玻璃是由陨石高速撞击月球表面,熔化物质飞溅出来的熔融液珠在飞行过程中快速冷却形成的玻璃颗粒。玻璃颗粒的形状和陨石撞击产生的非平衡过程直接相关。xSgednc

在物理原理上,玻璃物质是一种能量上的不稳定状态,它的结构和能量随着时间会不断变化。对应一定的时间,玻璃物质的能量和结构也会发生对应的变化。因此,根据时间和能量、结构的对应关系,可以推断出玻璃所蕴含的年代信息。xSgednc

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玻璃的结构与能量和时间有直接关联8xSgednc

火山玻璃xSgednc

月球在距今约40亿至20亿年时间内经历过多次剧烈的火山喷发过程,火山喷发产生的火山玻璃具有和火山活动一样的年龄,记录着月球内部不同时期不同地点的重要信息。xSgednc

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月球上的火山活动示意图7xSgednc

月球火山玻璃是由月球火山喷发出来的微小液滴快速冷却形成的玻璃颗粒。月球火山喷发的时候在流淌出大量岩浆的同时,还会由于气体的脱熔剧烈释放,产生熔岩喷泉,将熔化的岩浆分散为大量细小的液珠。这些细小的液珠快速冷却会形成包含有玻璃颗粒的火山碎屑。喷发在月球真空环境中的火山物质可以扩散很远,覆盖广阔的区域,因此火山玻璃在月球上分布非常广泛。xSgednc

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美国阿波罗15号采集的月球火山玻璃和撞击玻璃9xSgednc

火山玻璃和撞击玻璃都是熔化液体快速冷却形成的,都可能形成球状颗粒,因此无法仅从形状判断是火山玻璃还是撞击玻璃。所以要结合挥发性化学成分、特定元素比例等综合判断。xSgednc

本次嫦娥五号采集的月壤里面含有的玄武岩岩屑颗粒年龄大概在20亿年左右,是迄今为止人类获得的最年轻的火山岩。未来对其中火山玻璃的发掘和成分探测,会帮助我们进一步认识月球中水和碳等关键成分的分布和起源。xSgednc

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嫦娥五号采集的玄武岩岩屑颗粒的四种主要结构10xSgednc

胶结质玻璃xSgednc

月球表面较小的陨石包括大量小于1毫米的微陨石撞击会在小尺度范围内甚至在岩石碎片的表面产生熔化,这些局部熔化的物质会把周围细小的岩石碎屑粘结在一起,最终熔化的物质冷却成为玻璃和粘结的碎屑一起形成胶结质玻璃。xSgednc

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嫦娥五号采集的月球岩石上附着的胶结质玻璃,玻璃里面包裹着细小的岩石碎屑7xSgednc

因为月球没有磁场和大气的保护,已经风化的细小的月壤颗粒经过太阳风辐照会被注入太阳风物质(主要是氢和氦),其中氢是月球表面水的主要来源,氦-3是重要的战略资源。氦-3是一种近乎完美的核聚变燃料,100吨的氦-3就足够全人类一年的能源消耗;同时,氦-3也是科学研究上获得极低温环境的重要制冷剂,为超导、量子计算等前沿研究提供重要保障。xSgednc

对胶结质玻璃研究发现,钛铁矿的表面有一层纳米级厚度的玻璃物质,这些玻璃中存在一些氦气泡。所以对这些玻璃物质机械破碎即可充分释放氦-3,为人类利用月球资源提供了直接途径。xSgednc

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我国科学家发现月壤玻璃在捕获和保存战略能源——氦-3气体中发挥了重要作用11xSgednc

由于胶结质玻璃是由微陨石撞击风化的月壤产生,撞击熔化的过程中会释放一部分氢气和氦气, 导致在粘稠的熔体中产生气泡,所以内部呈现为多孔结构。xSgednc

如果微陨石撞击导致的局域熔化有时没有产生足够多的熔融液体以粘结住周围的颗粒,就可能会产生附着在月球颗粒表面的各种粘结玻璃。这些粘结玻璃通常具有明显的熔化和液体流动的特征。xSgednc

比如粘结玻璃可能是岩石颗粒自身受到撞击后部分熔化快速冷却形成的玻璃:xSgednc

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岩石颗粒自身受到撞击后,在撞击孔周围部分熔化快速冷却形成了玻璃物质。右图显示嫦娥五号采集的一个月球颗粒上密布着撞击孔7xSgednc

也可能是熔化的液体飞溅或者流淌到其他岩石颗粒表面凝固形成的玻璃:xSgednc

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嫦娥五号采集的一些岩石表面上分布着具有明显飞溅痕迹的玻璃物质7xSgednc

这些丰富的粘结玻璃和胶结质玻璃记载了月球表面微陨石撞击环境,也为研究月壤所保存的水和氦-3等资源提供了重要样本。xSgednc

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在微陨石的作用下,除了留下了撞击坑,在岩石碎片的表面小尺度范围内产生熔化,和周围粘结的碎屑形成胶结质玻璃7xSgednc

表面非晶层xSgednc

月球表面的高速撞击尤其是超高速的微陨石撞击会在瞬间产生高温直接气化月球物质,随后热蒸发的气体便会沉积在周围岩石碎屑的表面。另外太阳风中的高速带电离子会对月壤颗粒产生溅射作用,溅射出的原子也会沉积在岩石的表面形成非晶层。xSgednc

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各种物理化学作用溅射出的原子沉积在月球岩石的表面形成纳米级别的非晶层7xSgednc

由于沉积非晶层是来自于周围物质气化或者溅射产生的气体,因此非晶层的成分通常和基底岩石颗粒具有非常明显的区别,甚至含有基底岩石颗粒完全没有的元素。这个原理就像半导体工艺里面的磁控溅射一样:在物理场的作用下,固体靶材气化成原子沉积到衬底上,形成固体薄膜。xSgednc

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磁控溅射示意图12xSgednc

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月球岩石的表面非晶层形成示意图:热蒸发的原子气体和太阳风中的高速带电离子的溅射出的原子沉积在月球岩石的表面形成非晶层7xSgednc

另外,太阳风中的高速粒子(主要是氢H和氦He)会持续地注入到月壤岩石颗粒中,不断地破坏晶体结构,产生辐照损伤。随着辐照时间的延长,辐照损伤层不断加深,从结晶良好的晶体演变为非晶玻璃的状态。xSgednc

由于辐照非晶层是由固态的晶体物质晶格破坏形成的,因此一般具有和基底的岩石晶体物质类似的化学成分,仅仅会由于太阳风离子的选择性溅射产生微弱的成分偏差。xSgednc

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月球岩石碎屑表面的辐照非晶损伤层,这种非晶损伤层和基底的界面参差不齐7xSgednc

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月球岩石的表面辐照非晶层形成示意图:在太阳风中高速粒子的辐照下,岩石表面的晶体结构不断地破坏,从结晶良好的晶体演变为非晶玻璃7xSgednc

总的来说,月壤颗粒表面普遍存在的纳米尺度的非晶层具有两种截然不同的起源:一种是太阳风粒子注入诱导的辐照损伤作用,将晶态固体转化成了玻璃态;一种是高速陨石撞击导致的热蒸发沉积作用,在矿物颗粒表面气相沉积形成非晶薄膜。xSgednc

月球玻璃分类目录xSgednc

总之,月球表面存在着固、液、气多种转变路径的玻璃起源,这些熔体冷却、气相沉积和离子辐照产生的玻璃物质记载了月球亿万年来的历史演化信息。xSgednc

玻璃,作为月球上最古老的“日记”,是长期保存远古物质的容器,也是月球历史信息的记录者和时钟:xSgednc

撞击玻璃记录着太阳系撞击历史;xSgednc

火山玻璃记录着岩浆活动等月球内部运动;xSgednc

胶结物玻璃记录着月球表面频繁的微陨石撞击,存储着大量的氢、氦等太阳风物质;xSgednc

月壤表面非晶层记录着太空环境对月表的改造作用,记载着月球表面的太空风化作用信息……xSgednc

月球玻璃,这本日记跨越亿万年的时间尺度记载着重要的月球演化历史,储存着宝贵的太空物质资源,带给人类去认识和探索太空的新视角。xSgednc

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责编:Ricardo
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