摘要：太空风化是月球、小行星等无大气天体表面广泛存在的一种地质作用过程。嫦娥五号任务返回了迄今为止最为年轻（~20亿年）的富铁月海玄武岩样品，为研究该类型玄武岩的太空风化机制提供了契机。近日，山东大学行星科学团队联合中国科学院地球化学研究所、上海技术物理研究所等单位研究人员，基于嫦娥五号月壤实验室可见近红外光谱测量数据，联合采用月面原位实测光谱以及以往轨道遥感光谱等多源数据，得到了嫦娥五号着陆点风化层成熟度指数（Is/FeO）为~66±3.2，进而将月表暴露年龄约束为2.4-3亿年。研究发现嫦娥五号样品主要为着陆点西北方向的徐光启撞击坑溅射物，其月壤成熟度较高。嫦娥五号月壤可能经历了特殊的太空风化过程，富铁的玄武岩中纳米铁单质产率更高，且其可能发生饱和聚集形成粒径更大的“微米铁”颗粒。本研究揭示年轻的富铁月岩风化形成了“不年轻”的成熟月壤，为认识月球表面物质与空间环境相互作用提供了全新的研究视角。
地球上的“风化”过程通常指代岩石破碎和裂解形成土壤的过程。而在月球上，由于没有大气和强磁场的存在，表面物质长期受到太空环境中太阳风、宇宙射线和流星体撞击等作用。这些风化过程发生在太空环境中，因此被称为“太空风化（Space Weathering）”。Apollo和Luna样品的研究认为太空风化主要包括以下四个过程：1）破碎（Comminution）：岩石和矿物的破碎、裂解过程，致使月表物质粒径逐渐变细；2）胶结（Agglutination）：岩石、矿物碎片通过撞击产生的熔融体胶结在一起形成黏结集块；3）太阳风溅射和粒子注入（Solar-Wind Spallation and Particle Implantation）：由高能粒子溅射导致的颗粒边缘无定形化和太阳风氢注入引起的还原反应等作用；4）撞击熔融气化与沉积（Impact-Melt Vaporization and Deposition）：微流星轰击产生的熔融气化将铁从含铁矿物中分离出来，并以铁单质的形式沉积在矿物颗粒的非晶质边缘上。
月壤中的金属铁具有很强的光学效应，且与粒径相关。粒径较小的金属铁（纳米铁）通常赋存于月壤颗粒边缘，会导致可见近红外光谱斜率变陡（红化），反射率降低（暗化），以及矿物吸收特征减弱；随着小粒径的金属铁逐渐聚集形成较大粒径集合体（微米铁）时，红化的光学特征消失，暗化和抑制吸收特征的效应仍然存在。
图1 月球太空风化作用和金属铁单质形成过程
人类对于月球太空风化作用的认识始于上世纪六七十年代美国Apollo和前苏联Luna任务返回的月球样品研究，并在后续卫星轨道遥感数据（克莱门汀、月船一号等）研究中得到进一步深化。然而，先前月球样品采样点存在明显的时空分布限制（主要为月球正面9°S−27°N，主要岩石样品年龄>30亿年）。2020年12月1日，我国嫦娥五号任务成功着陆于月球风暴洋北部，返回了迄今为止最为年轻（~20亿年）、最为富铁（FeO~22.5 wt.%）、纬度最高（43.06°N）的月海玄武岩样品，并在采样前后对着陆区域进行了原位光谱测量（图2），这为研究年轻玄武岩的太空风化机制提供了契机。本研究联合采用嫦娥五号样品（CE5C0400YJFM00501、CE5C0600YJFM00301）实验室光谱、月面原位光谱以及月船一号的高光谱、月亮女神号的多光谱数据等多源数据，利用Hapke辐射传输模型成功模拟了金属铁在月壤中的光学行为，经多源光谱数据解算和交叉验证，获得了嫦娥五号着陆点风化层的纳米铁含量（0.48±0.03 wt.%）和成熟度指数（~66±3.2），表明该区域的月壤比较成熟。根据已有的Apollo着陆点的撞击坑形成年龄与成熟度的相关性，本研究约束出嫦娥五号月壤的宇宙暴露年龄约为2.4-3亿年。与以往的月球玄武岩样品相比，嫦娥五号样品是最年轻的玄武岩，而嫦娥五号着陆点的月壤并不年轻，其经历了数亿年的太空风化作用，暴露年龄与Apollo和Luna任务返回的成熟月壤相近。根据模型和已有实验研究结果，嫦娥五号月壤中存在较多的大粒径金属铁颗粒，这可能是富铁的玄武岩在经历太空风化形成月壤时，纳米铁产率更高，且可能发生饱和聚集形成粒径更大的微米铁。未来嫦娥五号样品的月壤暴露年代学等更多相关实验研究，将有望进一步揭示这种特殊的太空风化机制和成因。
图2 嫦娥五号月壤的月面原位观测和实验室光谱表征
月壤成熟度可以帮助确定撞击坑溅射物的分布并约束月表物质的来源。第谷撞击坑是月球正面南部高地上肉眼可见的典型撞击坑之一，其挖掘的物质抛射到周围形成明亮的放射状溅射纹（图3）。随着时间的推移，这些新鲜、明亮的溅射纹在月表太空风化作用下将逐渐暗化、直至消失。这些溅射物与周围物质所经历的太空风化作用时间也不相同，导致月壤中的纳米铁丰度不同。本研究利用月球多光谱遥感图像，获得了包括徐光启撞击坑在内的嫦娥五号着陆点周围的纳米铁含量分布（图3），纳米金属铁丰度图清晰地显现出反射率图像中无法分辨出的溅射物范围。嫦娥五号恰好着陆在徐光启撞击坑在其东南方向形成的约200米长、50米宽的溅射纹上，这揭示嫦娥五号月壤主要来源于徐光启撞击坑的挖掘作用，而后经历了大约2.4-3亿年的太空风化作用和空间暴露历史。
图3嫦娥五号着陆点的遥感观测和纳米铁丰度分布
上述研究成果于2022年12月12日在线发表于国际权威期刊《Nature Astronomy》，山东大学博士研究生卢学金和博士后陈剑为共同第一作者，中科院比较行星学创新中心、山东大学行星科学课题组组长凌宗成教授和中国科学院地球化学研究所刘建忠研究员为共同通讯作者，合作者包括中国科学院上海技术物理研究所何志平研究员等人。本研究感谢国家航天局提供珍贵的嫦娥五号月壤样品及相关科学数据，研究得到了中科院类地行星先导专项（XDB 41000000）、国家自然科学基金、民用航天预研项目、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等项目资助。
论文信息：Xuejin Lu, Jian Chen, Zongcheng Ling, Changqing Liu, Xiaohui Fu, Le Qiao, Jiang Zhang, Haijun Cao, Jianzhong Liu, Zhiping He, Rui Xu. Mature lunar soils from Fe-rich and young mare basalts in the Chang’e-5 regolith samples. Nature Astronomy (2022)
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-022-01838-1
