中國學者在嫦娥五號月壤的太空風化特徵及成因方面取得進展
在國家自然科學基金項目(批准號:41972322、11941001、42102280)等資助下,山東大學凌宗成教授團隊聯合中國科學院地球化學研究所劉建忠研究員團隊、上海技術物理所何志平研究員團隊在嫦娥五號月壤太空風化研究方面取得新進展。
相關成果以“來自嫦娥五號年輕富鐵玄武岩風化形成的成熟月壤(Mature lunar soils from Fe-rich and young mare basalts in the Chang’e-5 regolith samples)”為題,於2022年12月12日在《自然·天文》(Nature Astronomy)雜誌在線發表。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01838-1
地球上大氣、水和生物與地表岩石和礦物相互影響產生了複雜的風化作用,長期以來改變著地表形貌,致使岩石破碎成疏鬆的土壤。月球上雖沒有濃密大氣和大規模的液態水,也沒有任何形式的生命,但同樣存在特殊的“太空風化”過程,甚至作用時間長達數十億年。高能宇宙射線、太陽風和微流星體撞擊是月表太空風化的主控因素。與地球上的風化作用不同的是,月表太空風化在月壤顆粒邊緣產生納米級粒徑的金屬鐵單質(納米鐵),能夠改變月表物質的光譜特徵。一般來講,月壤經受太空風化的作用時間越久,其含有的納米鐵越多,月壤也就越為成熟。
由於先前Apollo/Luna樣品採樣點的空間(9°S?27°N)和時間(30?40億年)局限性,對於月表年輕玄武岩的太空風化作用的研究仍需要新的樣品予以約束。2020年12月1日,我國嫦娥五號任務成功著陸於月球風暴洋北部(43.06°N),返回了迄今為止最為年輕(~20億年)且極為富鐵(氧化鐵含量百分比~22.5 %)的月海玄武岩樣品。除了可用的實驗室分析月壤的樣品之外,嫦娥五號在採樣前後對著陸區域進行了原位光譜測量(圖),這為研究年輕玄武岩的太空風化機制提供了重要契機。本研究獲得了嫦娥五號著陸點月壤層的納米鐵成分組成的百分比(0.48±0.03 %)和成熟度指數(~66±3.2)等重要月壤參數,揭示出年輕富鐵玄武岩存在特殊的空間風化機制,即在太空風化作用過程中會使該類型月壤更快地產生納米鐵並加速聚集形成粒徑更大的金屬鐵團簇。這為認識月球表面物質與空間環境相互作用提供了全新的視角。嫦娥五號玄武岩儘管很年輕,但嫦娥五號月壤卻較為成熟,甚至比部分Apollo月壤的成熟度還高。
利用月球軌道探測獲取的多光譜遙感圖像,本研究獲得了嫦娥五號著陸點周圍的納米鐵豐度圖(圖),清晰地顯現出反射率圖像中無法分辨出的濺射物邊界。嫦娥五號恰好著陸在徐光啟撞擊坑(直徑約為400米)的濺射紋之上,這揭示嫦娥五號月壤主要來源於徐光啟撞擊坑的挖掘作用,而後經歷了大約2.4?3億年的太空風化作用和宇宙暴露歷史。
該研究綜合利用嫦娥五號月壤樣品和月面原位光譜等多源數據約束了嫦娥五號月壤的來源和暴露年齡,揭示了月球年輕玄武岩的獨特太空風化特徵,為富鐵月壤中特殊的太空風化機制提供了新的觀測證據。