中国科普博览，我们科学家有话说 阅读原文 与地球不同的是，月球没有大气、没有水、更没有生物。 由于没有大气，月壤被直接暴露在太阳辐射和微陨石的轰击之下，组成和物理性质发生改变，科学家们将这个过程称为“太空风化”，与地球上在大气、水和生物共同作用下的“地表风化”相区别。在过去的四十几亿年里，小行星撞击产生的粉碎、熔融、粘合和混合等物理过程在很大程度上改变了月球表面。在太空风化的共同作用下，月球表面形成一层广泛分布、厚约 2~15m 的月壤。 2019 年 1 月 3 号，我国嫦娥四号探测器成功着陆月背，着陆区位于月球南极 - 艾肯盆地中的冯·卡门撞击坑。南极 - 艾肯盆地直径约 2500 公里，深达 13 公里。月球车“玉兔二号”携带了 3 台重要的仪器——全景相机、探月雷达、成像光谱仪，开展了多方面科学探测，得到了大量数据。根据这些数据，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室的科研团队获得了关于月球表面过程的重要信息，对月壤的形成过程有了新认识。 1）利用全景相机，科学家们获得了着陆区和巡视路线上的高分辨立体影像图。与嫦娥四号着陆区多石块的表面相比，冯·卡门撞击坑表面几乎没有石块。说明这里月壤的形成经过了很长的时间，原有的石块都被砸碎了。 2）探月雷达向下发射了 2 束电磁波，根据回波信号获得月表下的信息。频率高的一束用于探测月壤的精细结构，但能探测的深度较浅（约 50 米）；频率低的一束用于探测月壤下面的物质和结构，探测深度约 500 多米。 高频雷达信号表明，这里的月壤很厚，达到了 12 米。作为对比，由于技术能力的限制，阿波罗计划月壤钻机只能钻取到 2 米左右，远比实际月壤厚度要浅。在嫦娥 4 号着陆区，月壤之下是从撞击坑溅射过来堆积成厚约 22 米的角砾岩层。 结合区域影像，雷达探测结果清晰显示，玉兔二号行走路线上的月壤主要是从冯·卡门撞击坑东北角的芬森坑抛射过来的，并不是由下面的玄武岩破碎形成。 低频雷达信号则让我们发现，玉兔二号的巡视路径下覆盖了多次撞击事件的角砾岩，以及间隙喷发的玄武岩浆。 3）玉兔二号月球车携带的成像光谱仪负责对月壤和石块的成分进行探测。 图. 玉兔二号探测的月壤和石块及其光谱(Lin, et al, 2020a) 成像光谱可以得到探测目标从 0.4 到 2.4 微米波段的反射光谱，然后解算出不同矿物的含量，发现这一地区的矿物主要是橄榄石、长石、高钙辉石和低钙辉石。但是，这一区域月壤的光谱受到强烈太空风化作用的影响，因此解算出的结果差异较大，主要反映在得到的橄榄石含量不同(Gou, et al, 2019; Huang, et al, 2020; Li, et al, 2019; Lin, et al, 2020a)。作为对比，石块的光谱受到太空风化的影响很弱。 科学家从石块光谱解算出各种矿物的含量，再结合这些矿物颗粒度较细小的特点，提出了这些月表物质的形成机制，即产生南极 - 艾肯盆地的大撞击不仅挖掘出一个巨大的盆地，还使月球深部物质熔融，形成一个岩浆湖，然后分异结晶形成该盆地的基底(Lin, et al, 2020a)。随后，芬森坑撞击事件将这些基底岩石挖掘抛射在嫦娥 4 号着陆区，再经过长期的陨石撞击将大部分物质粉碎成月壤。 4）玉兔二号一路走来，沿途可以看到很多小撞击坑。大部分小撞击坑的表面光滑，看不到石块。但是，也发现有一些奇特的小坑，它们的表面填满了块状的物质。 图. 玉兔二号巡视路径上的碎石坑(Lin, et al, 2020b) 这些碎石坑是怎么形成的？雷达探测结果排除了这些碎石块是从底下挖出来的可能(Ding, et al, 2020)，而光谱的探测表明，这些石块的组成与周边月壤相同(Gou, et al, 2020; Lin, et al, 2020b)。通过进一步的分析，科学家们发现，这些碎石状物质与阿波罗计划带回地球的火山玻璃和撞击熔融玻璃非常相似，根据这些研究，他们提出了月壤形成的模型(Lin, et al, 2020b)。 图. 月壤的形成机制(Lin, et al, 2020b) 陨石的撞击一方面使岩石破碎，另一方面也使疏松的月壤压实、部分熔融胶结成块，并被后面的撞击挖掘、抛射出去。因此，月壤的形成是一个反复破碎、压实成岩、再破碎的过程。 参考文献： S. Gou, K. Di, Z. Yue, Z. Liu, Z. He, R. Xu, H. Lin, B. Liu, M. Peng, W. Wan, et al. (2019) Lunar deep materials observed by Chang'e-4 rover. Earth Planet. Sci. Lett. 528, 115829. J. Huang, Z. Xiao, L. Xiao, B. Horgan, X. Hu, P. Lucey, X. Xiao, S. Zhao, Y. Qian, H. Zhang, et al. (2020) Diverse rock types detected in the lunar South Pole–Aitken Basin by the Chang’E-4 lunar mission. Geology. H. Lin, Z. He, W. Yang, Y. Lin, R. Xu, C. Zhang, M.-H. Zhu, R. Chang, J. Zhang, C. Li, et al. (2020a) Olivine-norite rock detected by the lunar rover Yutu-2 likely crystallized from the SPA impact melt pool. National Science Review 7, 913–920. C. Li, D. Liu, B. Liu, X. Ren, J. Liu, Z. He, W. Zuo, X. Zeng, R. Xu, X. Tan, et al. (2019) Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials. Nature 569, 378-382. C. Ding, Z. Xiao, B. Wu, Y. Li, N. C. Prieur, Y. Cai, Y. Su, J. Cui. (2020) Fragments Delivered by Secondary Craters at the Chang'E-4 Landing Site. Geophys. Res. Lett. 47, e2020GL087361. H. Lin, Y. Lin, W. Yang, Z. He, S. Hu, Y. Wei, R. Xu, J. Zhang, X. Liu, J. Yang, et al. (2020b) New Insight Into Lunar Regolith-Forming Processes by the Lunar Rover Yutu-2. Geophys. Res. Lett. 47, e2020GL087949. 作者：林杨挺（中国科学院地质与地球物理研究所） 出品：科普中国 监制：中国科学院计算机网络信息中心 阅读原文
