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中国在月壤中发现大量“玻璃”?嫦娥五号专家深度揭秘

2021-03-03 16:36 来源:南方plus 卞德龙 刘佳荣

  2月27日,我国“月球样品001号”在中国国家博物馆展出,100克月壤近距离地展示在公众面前。此前的2月22日,嫦娥五号带回的月壤样本首次公开亮相,公开展示的图片显示,将嫦娥五号月壤颗粒放大数十倍后,可以发现含有褐色、黄色等颜色的“玻璃”以及橄榄石、斜长石、辉石等成分。

“月球样品001号”在中国国家博物馆展出,(图源:余冠辰)

“月球样品001号”在中国国家博物馆展出,(图源:余冠辰)

  地球上的土壤由固、液、气组成,包括矿物、有机物、微生物、水、氧气与氮气等,月壤则没有水,由岩石和矿物的碎片组成。但月壤样本中为何含有“玻璃”?这种“玻璃”是怎样形成的呢?

  “除了人造玻璃以外,自然界也可以形成玻璃。”深度参与嫦娥五号任务的中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙认为,自然界形成玻璃的过程主要因火山喷发、外来天体高速撞击等,此次采集的月壤对于揭开月球上的火山活动等谜团具有重要意义。

  月壤中的玻璃质成分多达50%以上

  此次在月壤中发现“玻璃”的存在,许多人心生疑惑:玻璃是怎样形成的?自然界的玻璃与我们平日了解的人造玻璃一样吗?

  其实,月壤中发现“玻璃”并不奇怪。肖龙介绍,此次月球采样中发现月壤含有的较为丰富的玻璃质,可能来自火山喷发、撞击熔融和高能粒子照射。其中,来自火山岩区的月壤玻璃质成分多达50%以上。由于成分不同,玻璃质的颜色有无色、白色、黄色、褐色、绿色、黑色等。

  探究月球玻璃的形成,首先需要了解玻璃的制作需要哪些关键步骤。肖龙说,简单来说,玻璃形成的过程是物质熔融后快速降温淬火,即经历高温熔制、成型、退火、淬火等主要步骤,人造玻璃便是这样制造出来的。

  自然界玻璃形成的原理类似,“高温熔融”与“快速冷却”是两个必不可少的条件。“自然界玻璃主要来自火山喷发以及外来天体高速撞击导致的熔融后的快速冷却。”肖龙说。

嫦娥五号取回的月壤中含有玻璃质。(图源:中国航天报微信公众号)

嫦娥五号取回的月壤中含有玻璃质。(图源:中国航天报微信公众号)

  “不同成因会形成不同的玻璃,例如火山爆发喷出的高温岩浆快速冷却形成了火山玻璃,”肖龙解释道:“外来天体撞击月球表面,高速撞击时大量的动能转换成热量,致使月表一系列物质发生高温熔融后快速淬火,其形成的物质称为撞击熔融玻璃。”

  月球上经历多期火山喷发以及数十亿年的撞击,因此月球玻璃的成因包含月球火山喷发作用、月球表面物质撞击熔融。此外,由于月球上没有大气,宇宙射线对其产生较大影响,也会导致月球玻璃的形成。

  月球玻璃研究有助于探究岩浆作用

  月球玻璃的形成称得上“历经磨难、饱经沧桑”,而具体到此次嫦娥五号带回月壤中的玻璃质又是怎样形成的?研究月球玻璃,对开展月球相关研究有哪些重要意义呢?

  肖龙介绍,此次嫦娥五号的采样点在月球风暴洋的北部吕姆克山的东部,附近分布有大量火山岩,再加上采样点的岩石大致形成于距今15亿年左右,意味着遭受约15亿年左右的撞击改造。据此,肖龙认为,火山喷发与撞击均作用于采样点,嫦娥五号采集的月壤中主要具有火山玻璃与撞击熔融玻璃两种玻璃。

2月22日,嫦娥五号带回的月壤首次公开亮相。(新华社发)

2月22日,嫦娥五号带回的月壤首次公开亮相。(新华社发)

  月球玻璃的科研价值不容忽视,玻璃质对于研究月球物质成分分布、岩浆作用、冲击作用及历史等具有重要意义。

  例如火山玻璃的成分均匀,取较少的样品便可作为研究岩浆成分的样本。“可以将取样对象想象为‘一锅粥’,如果放置时间较长,米沉至底部,再采集较深或较浅位置,得出的结果自然是片面的。”肖龙形象地比喻道,火山玻璃便是由岩浆直接冷却形成,没有经历“米和水的分离”,对于研究岩浆的性质具有代表性。此外,分析火山玻璃中的挥发性组分还有助于了解月球内部的性质,包括月球上水的来源和地月系统的形成机制。

  而撞击熔融玻璃的形成过程中可能混合有多种岩石与物质,成分较为复杂。肖龙认为,在一定程度上,火山玻璃较撞击熔融玻璃更具有研究意义。在针对月球样品的实际研究中,科学家需首先从形态、成分上甄别出月球玻璃的具体性质,再进行相应的数据分析及解释。

  嫦娥五号样品有望揭开更多月球谜团

  经历数次航天探索,人类对月球的研究也在不断地深入。在选择采样点位置时,嫦娥五号选取了与此前美国和前苏联不同的采样地点,既保证工程的安全实施,也考虑到更多样的科学产出。由于采样点的不同,嫦娥五号采集的月球样品可能带来哪些新发现呢?

带回月壤容器的返回器实物。(时间:2020.12.19日 地点:国防科工局)

带回月壤容器的返回器实物。(时间:2020.12.19日 地点:国防科工局)

  肖龙提到,此前“阿波罗计划”采集较多火山岩样品,样品年龄均不低于30亿年,根据“阿波罗计划”的样品研究,月球火山活动的高峰在35亿年左右,在30亿年前火山活动便停止。

  根据“撞击坑统计定年法”,通过对月球表面图像研究,月球表面遭陨石撞击次数与时间成正比。肖龙估计,嫦娥五号采样点处的火山活动发生在距今12亿—20亿年间,即分布有大量较为年轻的火山岩。肖龙说:“假如依据月球样品能够确认这一结果,就可以证明月球火山活动时间更长,科学家便需要重新思考月球演化的历史。”

  研究月球的样品主要分为两类,一是采样返回的样品,二是降落至地球的月球陨石。肖龙介绍,此前月球采样返回样品的来源地较少、月球陨石数量也少,无法反映月球的整体情况。嫦娥五号从月球带回约1731克月球样品,有望进一步揭开月球的谜团。

  “例如,嫦娥五号采样区的月壤性质与美国阿波罗计划采样区的月壤性质有何不同?得到月壤的可靠年龄数据后,就可以结合月壤厚度和粒度等成熟度信息计算出月壤的生长或形成速率。”肖龙举例说,科学家还将进一步探究月壤的生长速率与月壤中的氦-3相关性,这些都对研究月球资源的形成过程具有重要意义。

  1月18日,由国家航天局制定的《月球样品管理办法》对外发布,指出月球样品原则上分为永久存储、备份永久存储、研究和公益四种基础用途。“关于月球样品可以做非常多的研究工作,期待能够早日获得月球更多的认知。”肖龙展望道。

  对话

  中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙:

  深度参与嫦五任务 研制数十种模拟月壤

  作为行星科学研究专家,中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙曾多次参与我国嫦娥探月工程,曾担任嫦娥三号科学数据应用核心科学家团队组长、嫦娥四号科学数据应用核心科学家团队副组长,此次更深度参与嫦娥五号采样地点研究及钻探取样工作。

中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙。

中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙。

  南方+:在嫦娥五号任务中模拟月壤方面,您及团队做过怎样的研究?模拟月壤未来会有哪些用途?

  肖龙:在嫦娥五号任务中,我参与研制了数十种模拟月壤,用于地面钻探取样试验。此外,我与团队曾研制出与月球相似的模拟月壤,力争做到成分、颗粒大小、颗粒形态等与实际月壤高度相似,并先后提供了100多吨模拟月壤用于月面采样工程技术验证。

  模拟月壤可以作为实验材料、用于农业种植,在工业上也可以用作3D打印,未来我们也将继续就模拟月壤开展工作。

  南方+:关于此次月球样品,您及团队有没有申报研究的计划?

  肖龙:国家航天局发布了《月球样品管理办法》,月球样品将用于研究、存储等用途。科学家进行申请,届时将有相关委员会进行评审是否合格。我们会积极申请获得月球样本,科学家们也都希望能够在官方公布后,尽快取得样品开展研究工作,为行星科学研究作出贡献。

  南方日报记者 卞德龙 见习记者 刘佳荣

  策划:张志超

  (图片除署名外,由受访者提供)

编辑: 林涛

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