嫦娥六号带回世界首份月背样品 1935.3 克,有哪些研究价值?月球背面挖的「土」和正面的有啥不同?

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杨溢的回答

嫦娥六号带回世界首份月背样品 1935.3 克,有哪些研究价值?月球背面挖的「土」和正面的有啥不同?

1935.3克,而且是月球背面样品,弥足珍贵,可望有更多科学新发现。

因为嫦娥六号任务不但是人类首次在月球背面采样返回,而且是奔着月球最古老撞击盆地、深源岩石、苏长岩这三个主要亮点的样品去的。可以说,嫦娥六号选择南极-艾肯盆地中的阿波罗盆地这一“盆中之盆”采样,为的就是尽可能采到与过去不同的样品。


概括而言,嫦娥六号可能带回的样品包括:

苏长岩、斜长岩、高钛玄武岩、辉长岩、撞击玻璃、角砾岩等岩石;

主要矿物组成包括高钙斜长石、紫苏辉石、顽火辉石、普通辉石、橄榄石、钛铁矿;

副矿物包括铬铁矿、陨硫铁、磷灰石、白磷钙矿、尖晶石、锆石,可能包含石榴石、赤铁矿、磁铁矿、角闪石、钙硬玉等理论存在的矿物;

样品可能还包括太阳风成因水、氦-3、宇成核素的特殊赋存状态,或者新矿物,或者来自月球深部的岩石、矿物。

在这一区域采样,主要可以解决以下科学问题:

1、月球岩浆洋纪-艾肯纪「金钉子」的年代学。

2、南极-艾肯盆地是否挖掘出并保存月球深部物质?

3、着陆区的月岩、月壤中是否还存在其它未知的矿物组合?

4、月球背面月岩、月壤中的水有哪些成因和赋存状态?以及太阳风成因的比例?

5、南极艾肯盆地月岩、月壤中的资源有哪些,怎样利用?

6、着陆区苏长岩岩石学研究对月球大地构造成因与演化的约束。

7、月球背面局部磁场与地球磁尾相互作用研究。

8、月尘带电与静电运动研究。

9、月球背面物质宇成核素与裂变径迹丰度、剖面、比例、成因研究。

10、撞击体残余物识别与撞击体恢复。

11、月球南极艾肯盆地矿物端元的多光谱、穆斯堡尔谱定标。

科学问题、难点与挑战详情参考:

嫦娥六号任务是着陆月球背面「南极-艾特肯」盆地进行采样,这其中有哪些难点?


根据嫦娥六号监视相机拍摄画面,着陆区表面与次表层月壤存在不均一性,可以从颜色、粗糙度、粒径上看出表层与次表层月壤区别。月壤垂向剖面的不均一性已经由多个着陆点证实。

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但公开图片仅有一张,缺乏多时序、多角度地对采样后未扰动采样坑内位置的持续稳定原位观测,缺乏按时间顺序的对比,暂不能确定有效控制变量,也不足以判断是否如嫦娥五号月壤铲取采样坑的月壤那样具有变色现象。

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嫦娥六号:我看“中”!

如上可见,嫦娥六号铲出了一个深色的“中”字,并在月球发布微博:我看“中”!

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嫦娥六号移动相机自主移动并成功拍摄了探测器全貌与采样过程。

如上,嫦娥六号移动相机自主移动并成功拍摄了探测器全貌与采样过程。注意到一个细节:移动相机附近和其部分行迹上的表层、次表层月壤颜色较均一,可能是相机色差,也可能是月壤水平方向的不均一性所致。


关于潜在样品的详情,可看下文:

阿波罗盆地里有什么?

(本文内容为本人原创,首次发布于科普中国平台。以下内容略有改动。)

嫦娥六号成功着陆月背!古老的月球背面到底藏了什么秘密?

2024年五月三日到六月底的月球,注定会吸引全世界的关注。继嫦娥四号实现了人类首次登陆月球背面,嫦娥五号实现成功中国首次月球采样返回任务之后, 嫦娥六号也正在实施人类首次月球背面采样返回任务,2024年6月2日 6 时 23 分,嫦娥六号着陆器和上升器组合体在鹊桥二号中继星支持下,成功着陆在月球背面南极-艾肯盆地预选着陆区——阿波罗盆地,正在进行月球背面铲取、钻取采样任务,只要一切顺利,六月初嫦娥六号将带着月球样品起飞,六月底就会安全回家。

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图1 嫦娥二号CCD影像图中的南极-艾肯盆地区域。[1]。

那么,其中一些值得关注的信息是:为什么嫦娥六号选择阿波罗盆地作为着陆区?阿波罗盆地里有什么?

1,阿波罗盆地在哪里?

因为月球被地球潮汐锁定,所以月球当前仅有一侧面向地球,其中面向地球一面称为月球正面(Lunar near side),背向地球一侧称为月球背面(Lunar far side)。嫦娥六号发射当天,央视访谈中提到的“南极-艾特肯盆地”位于月球背面,是月球已知最大,最古老的撞击盆地,其在中科院地化所等单位联合绘制的月球地质图中规范名称是“南极-艾肯盆地(South Pole–Aitken Basin)”(图2,图3),故本文统一称为“南极-艾肯盆地”。

实际上,早在2018-2023年的一系列讨论中,嫦娥六号预选着陆区就暂定为南极-艾肯盆地,并进一步细化为阿波罗盆地的南部边缘。

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图2 中科院地化所等单位联合绘制的1:250万月球地质图[3]。此图为摩尔韦德椭圆投影,全尺寸印刷时,图幅长约6.5米,其中月球地质图部分的椭圆长轴长4.86米。

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图3 月球仪上的阿波罗盆地,手指位置为嫦娥六号预选着陆区附近。月球仪根据中科院地化所等单位联合绘制的1:250万月球地质图制作,直径约1.55米。

阿波罗盆地是位于月球背面南极-艾肯盆地内部东北的多环撞击盆地,直径约500km,在嫦娥二号全月影像图中非常醒目(图1,图4)[4];而南极-艾肯盆地直径约2500-3000km,影像上肉眼较难以识别,需要月球高程、地形数据才能识别(图5)[2]。

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图4 月球南极-艾肯盆地、阿波罗盆地、嫦娥六号着陆区、长白山位置关系图(引自[4])。

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图5 月球背面南极-艾肯盆地假彩色高程图(引自[2])。

2,阿波罗盆地和美国阿波罗载人登月任务有什么关系?

根据IAU的命名惯例, 月球表面的撞击坑、撞击盆地命名法则,主要包括用已故名人人名(例如张衡、蔡伦、第谷、哥白尼、爱因斯坦等),或者各种文化常用的人名(例如嫦娥、景德、宋梅等)、地名(例如泰山、衡山、亚平宁山脉等),或者约定俗成(例如酒海、雨海、风暴洋等)。本次嫦娥六号着陆区选址时,月球背面还增加了一些中国风的地名,例如“长白山”(图4)。而“阿波罗盆地”确实因为纪念美国阿波罗系列载人登月任务而得名,但是阿波罗盆地里,一定没有美国阿波罗系列载人登月任务的遗迹——美国阿波罗系列的6次载人登月都是在月球正面(图6),月球背面的阿波罗盆地不是此前任何一次载人登月任务着陆区;而发射于2019年的嫦娥四号,才是人类首个登陆月球背面的探测器;嫦娥六号预选着陆区“阿波罗盆地”也位于月球背面(图6),因此“阿波罗盆地”与美国阿波罗系列载人登月任务的关联,好比“老婆饼里找老婆,蚂蚁上树找蚂蚁,松鼠桂鱼找松鼠”。

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图6 嫦娥六号预选着陆区与其他探测器着陆(含坠毁)相对位置关系图,底图根据嫦娥二号全月影像图,来源:国家天文台。

一些短视频、文章把嫦娥六号发射当天访谈节目的对话内容曲解为“阿波罗盆地不存在”或“美国阿波罗登月遗址不存在”,这些显然都是断章取义,不符合事实。5月14日,中国科协已经就此事在“科普中国”“科学辟谣”等栏目发布了辟谣内容。

月球上的中国地名包括:石申、张衡、祖冲之、郭守敬、万户、蔡伦、刘徽、裴秀、沈括、毕昇、徐光启、宋应星、高平子、张钰哲等名人命名撞击坑,宋梅、万玉、景德、嫦娥等非现实人名命名撞击坑,泰山、华山、衡山、长白山等山峰,广寒宫、天河基地、天船基地等着陆区。

3,登陆之前,我们就知道了嫦娥六号要找什么?

虽然月壤、月岩都来自月球,但是月壤、月岩存在不均一性,包含多种、多变的成分,甚至于单次采样返回的不同样品之间也是如此——以嫦娥五号样品为例,就发现了至少三种新矿物,七种不同的岩石。

月壤主要成分包括橄榄石、高钙辉石、钙长石、钛铁矿、玻璃,副矿物包括铬铁矿、尖晶石、陨硫铁、磷灰石、钾长石、锆石等。月壤颗粒的共性在于:特定矿物组合(钙长石),特定成分比例范围(橄榄石铁锰比平均75-120,辉石铁锰比平均55-75,富集氦-3),特定表面形貌(矿物表面微陨石撞击坑,纳米金属铁,太阳风离子注入形成极薄的富水非晶层等)。

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图7 阿波罗盆地区域高程与月壳厚度[2]。

深部物质:如前述,阿波罗盆地是南极-艾肯盆地内部东北侧的撞击盆地,而南极-艾肯盆地是月球已知最大,最古老的撞击盆地。通俗讲,因为阿波罗盆地是个多次撞击形成的“盆中之盆”,所以可能是月壳最薄的位置之一(图7,引自[2]),一些模型甚至认为形成南极-艾肯盆地的撞击事件挖掘出了月幔物质,但也有人认为即使南极-艾肯盆地挖掘出了月幔物质,也会熔融分异而难以识别,或者被盆地形成之后的溅射物混合、掩埋而难以被遥感发现。因此,月球深部矿物岩石不但有可能在阿波罗盆地被撞击挖掘而出露,而且有可能发生一系列的变化:熔融分异“变个身”,或者与其它物质混合、掩埋而“藏起来”。

古老矿物:根据近期正式出版的1:250万月球地质图,将月球地质年代划分为“三宙六纪”。南极-艾肯盆地形成于月球岩浆洋大部分固结,月球初步形成固体月壳的时代,代表月球艾肯纪的开始,也是1:250万月球地质图选择的月球岩浆洋纪/艾肯纪金钉子剖面[3]。又根据撞击坑统计定年,南极-艾肯盆地一带年龄约42亿年,可能分布有月表最古老的岩石,但这个数值需要实际样品修正。也就是说,之前嫦娥五号采集的样品包括月球已知最年轻(约20亿年)的岩石之一,嫦娥六号的一个关键任务是尽量采集古老的月球岩石和可定年的矿物(锆石、斜锆石、磷灰石等)。

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图8 1:250万月球岩石类型分布图[5]。

苏长岩:根据近期正式出版的1:250万月球岩石类型分布图(图8),南极-艾肯盆地内部的主要岩石类型为苏长岩[5]。苏长岩是一种富含紫苏辉石的基性岩浆岩,主要根据遥感探测发现紫苏辉石、富钙斜长石的重合分布而推定的。苏长岩在过去美国阿波罗、苏联LUNA、嫦娥五号的月球样品都极少发现,反映了月球表面物质的多样和不均匀。而且苏长岩成因有多解性,既有可能是下月壳、月幔等深部物质[6],又有可能是大规模岩浆房分异(山东济南就有这种成因的苏长岩,图9),还有可能是撞击熔融物分异。所以,采集阿波罗盆地的苏长岩,有助于解决苏长岩成因之谜。

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图9 苏长岩,产地山东济南。

4,偶然性与机遇——潜在的新发现。

新矿物:如果一种矿物的构成元素比例,微观结构,至少其一与其它已知矿物都不同,就有机会被认定为新矿物。包括嫦娥石在内的月球新矿物,普遍具有微观性,隐蔽性,偶发性,罕见性的至少一种特征。通俗而言,新矿物一般尺寸微小,容易与已知矿物混淆,需要极端的温压条件或特殊的化学条件形成,而不是随处可寻。

名义含水矿物:因为月球被地球潮汐锁定,所以有一面恒定朝向地球(此面一般称为正面),会受到“地球风”影响,相对富氧、富水。而实际上根据遥感光谱研究,月球背面虽然不如正面富氧、富水,但也存在少量富氧、富水区域,甚至发现了赤铁矿等名义含水矿物,而过去阿波罗样品里曾发现四方纤铁矿、角闪石等名义含水矿物,其成因均不明确。嫦娥六号如果采集到名义含水矿物,或者样品包含特殊的水赋存状态,将是非同寻常的突破[7]。

高压矿物:阿波罗盆地既是撞击盆地,又是深部物质潜在出露区,无论大规模撞击还是月球深部高压,都是形成高压矿物的有利条件。月球表面遭受频繁的撞击作用,有利于指示高压的矿物形成,过去的样品中已发现熔长石、钙硬玉、赛石英、雷锆石等高压矿物,但是月幔理论存在的石榴石等高压矿物发现极少,模型需要样品修正[8]。

此外,一些需要借助嫦娥六号的热门研究主题还包括:空间风化特征,月尘电磁学性质,月壤成熟度新指标,原位资源利用方案等。

嫦娥六号任务不但是人类首次月球背面采样返回任务,而且嫦娥六号选择月球背面南极-艾肯盆地中的阿波罗盆地这一“盆中之盆”采样,为的就是尽可能采到与过去美国阿波罗系列、苏联LUNA系列、中国嫦娥五号不同的样品。

阿波罗盆地里不但有橄榄石、低钙辉石、钙长石、钛铁矿、玻璃,而且有深源岩石、古老矿物、苏长岩这三个主要亮点的样品;可能有新矿物,或者石榴石、钙硬玉等高压矿物,或者赤铁矿、角闪石等名义含水矿物。当然,还有中国乃至全世界首次月球背面采样返回探测器——嫦娥六号。

参考文献

[1] 刘力维,韩坤英,丁孝忠,等.嫦娥六号探测器预选着陆区区域地质特征及演化分析 [J].地学前缘: 1-13. doi.org/10.13745/j.esf..

[2] 郭弟均,刘建忠,HEADW.James, 等.月球阿波罗盆地区域月壳结构及光谱特征 [J].深空探测学报, 2018, 5(05):488-494. DOI:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.013.

[3] 籍进柱,郭弟均,刘建忠,等.1:250万月球全月地质图 [J].科学通报:英文版, 2022, 67(15):1544-1548.

[4] Jia Z , Chen J , Kong J ,et al. Geologic context of Chang'e-6 candidate landing regions and potential non-mare materials in the returned samples[J].Icarus, 2024,416.DOI:10.1016/j.icarus.2024.116107.

[5] 陈剑,凌宗成,刘建忠,等.1:250万月球岩石类型图[J].科学通报:英文版, 2022, 67(20):2050-2054.

[6]Jones, M. J. et al. A South Pole-Aitken impact origin of the lunar compositional asymmetry. Science Advances 8 (14). doi.org/10.1126/sciadv. (2022).

[7]Chuanjiao Zhou†, Bing Mo†, Hong Tang*, Yaya Gu, Xiongyao Li, Dan Zhu*, Wen Yu, Jianzhong Liu. 2024. Multiple Sources of Water Preserved in Impact Glasses from Chang’e-5 Lunar Soil. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adl2413.

[8] Pang, R., Yang, J., Du, W., Zhang, A., Liu, S., & Li, R. (2022) New Occurrence of Seifertite and Stishovite in Chang’E-5 Regolith. Geophysical Research Letters, 49, doi.org/10.1029/2022GL0.

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