嫦娥五号月球样品发布一周年成果总结_风闻

来源：中国探月工程

2021年4月13日嫦娥五号任务第一批月球样品信息和科学数据上线发布以来，探月中心分别于2021年7月，2021年11月和2022年1月组织完成了三批115份共计44857.7mg的月球科研样品发放。62个科研团队获得了这些样品，研究方向集中在地球化学、地质学、月壤物性、太空风化、磁场、生物等领域。

目前，已经取得了令人鼓舞的研究成果，形成了多篇高水平论文，并陆续发表在国内外著名学术期刊上。《嫦娥五号样品重要研究成果先后出炉》成为“2021年中国十大科技进展新闻”之一。

现将截至目前统计的发表论文汇总如下：

1.《Age and composition of young basalts on the Moon, measured fromsamples returned by Chang’e-5》（《嫦娥5号年轻玄武岩的年代与成分》）

发表刊物：《Science》

发表单位：中国地质科学院地质研究所   

论文摘要：

遥感数据表明，月表最年轻的火山单元是位于富钾、钍、铀等生热元素的月球风暴洋地体中的月海玄武岩区域，本研究通过分析嫦娥五号任务取回年轻玄武岩，证明了月球在约20亿年之前仍存在岩浆活动，此年龄为月球撞击通量曲线与月球热演化史提供了新的约束，且年轻玄武岩的产生与高浓度的生热元素无关，因此月球年轻岩浆活动的起源还需进一步研究。

论文链接**：**https:/doi.org/10.1126/science.abl7957

2.《Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts》（《嫦娥五号月球样品记录的20亿年前月球岩浆活动》）

发表刊物：《Nature》

**发表单位：**中国科学院地质与地球物理研究所

论文摘要：

月球的岩浆和热演化历史显著不同于类地行星。根据月岩同位素定年结果，月球岩浆活动在28亿-29亿年前应该已经停止，但是根据撞击坑统计定年法来看，可能存在30亿-10亿年前的年轻玄武岩，但因缺少返回月球样品的校正，此方法误差非常大。

本工作精确测定了嫦娥五号月球样品玄武岩年龄为20.30 ± 0.04 亿年前，通过两阶段分异演化模型限定源区μ值为约680。这是目前通过同位素定年方法确定的最年轻月球玄武岩，将之前认识的月球岩浆活动时限延长了800到900百万年。

嫦娥五号玄武岩源区μ值介于阿波罗采集的低钛和高钛玄武岩源区μ值范围内（300-1000），而与克里普岩及高铝岩石源区μ值（2600-3700）显著不同，指示嫦娥五号玄武岩来自克里普组分亏损的源区。嫦娥五号玄武岩年龄数据对月球撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点，为月球岩浆和热演化历史给出新认识。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

3.《Non-KREEP origin 1 for Chang’E-5 basaltsin the Procellarum KREEP Terrane》（《“失踪”的克里普——嫦娥五号月海玄武岩成因》）

发表刊物：《Nature》

**发表单位：**中国科学院地质与地球物理研究所

论文摘要：

月球火山岩可以揭示月球化学组成和热演化历史。月球上年轻（<28亿年）火山活动主要分布在风暴洋克里普地体，一个流行的假说是富含放射性元素U、Th、K等的克里普组分为月球持续的火山活动提供热源，但该假说未得到样品的验证。本文对嫦娥五号玄武岩开展了岩石学和地球化学的研究。定年结果表明该玄武岩异常年轻，约20亿年。

研究表明嫦娥五号玄武岩相比于Apollo和Luna样品是一种新类型的中钛、富铁和具有KREEP特征的玄武岩。通过原位斜长石Sr同位素和白磷钙矿Nd同位素数据，表明该玄武岩是来自于不含有KREEP组分的月幔源区。计算表明嫦娥五号玄武岩在全岩成分上具有比Apollo和Luna较低的Mg#指数，这一特征与其橄榄石和辉石矿物也低的Mg#特征是吻合的，反映该玄武岩是月幔源区经过低比例熔融和高程度分离结晶作用形成的。这一结果表明KREEP组分并不是产生年轻玄武岩所必需的，意味着月球冷却的速度可能要比之前认为的慢。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5

4.《A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5》（《嫦娥五号玄武岩揭示了一个很“干”的月幔》）

发表刊物：《Nature**》**

**发表单位：**中国科学院地质与地球物理研究所

论文摘要：

月球内部的水含量及其分布对揭示月球起源、岩浆洋结晶分异和月球火山活动的持续时间等重大月质事件的最有重要约束。嫦娥五号任务从月球风暴洋地体西北侧采集了目前为止最年轻的月海玄武岩，其年龄只有20亿年，为研究月球内部水的时空演化提供了重要机遇。

本文为了揭示嫦娥五号玄武岩源区的水含量，对嫦娥五号玄武岩中的磷灰石和钛铁矿包裹的熔体包裹体开展了水含量和氢同位素分析。根据分析结果，我们计算得到嫦娥五号玄武岩母岩浆的最高水含量为283±22微克/克，氢同位素组成为1.06±0.25×10-4。结合嫦娥五号玄武岩的岩石成因约束，我们估算嫦娥五号玄武岩月幔源区的最高水含量小于5微克/克，说明月球最年轻玄武岩的成因不是其月幔源区富水所致。

同时，与年龄为28亿年到40亿年的月球样品的研究结果对比我们可以发现，风暴洋地体下腹月幔源区的水含量随时间呈现降低的趋势，可能是该区域持续不断的火山活动一直在抽取月幔源区的水所致。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9

5.《Characteristics of the lunar samples returned by Chang’E-5 mission》（《嫦娥五号月球样品特征》）

发表刊物：《National Science Review**》**

**发表单位：**中国科学院国家天文台

论文摘要：

20世纪70年代，Apollo和Luna任务促使我们从科学的角度全新认识了月球的形成和演化历史，但也遗留了许多的未解之谜。时隔45年之后，嫦娥5号从月球风暴洋东北部人类此前从未“踏足”过的月球中纬度地区采集回了新的月球样品。

地质背景分析表明，嫦娥5号采样点受远程溅射物的污染很少，该地区采集到的样品可能代表了较年轻的本地玄武岩组分。本文对嫦娥5号月球样品开展了基础的分析和研究，并与Apollo和Luna样品进行对比，获得了嫦娥5号月球样品的基础物性参数和化学成分特征。

嫦娥5号月壤数量95%的颗粒分布在1.40 μm ~9.35μm粒径范围内（平均值3.96μm），但占质量95%的颗粒粒径分布在4.84 ~432.27μm范围（平均值49.80μm），月壤堆密度为1.2387 g/cm3，真密度为3.1952g/cm3，比表面积为0.56 m2/g。这些基础物性参数均与Apollo和Luna样品的变化范围一致，但CE5月壤的粒度更细，分选更好，真密度略微低于月海玄武岩。

月壤化学成分表明，月壤原岩接近月海玄武岩端元，属于低钛-低铝-低钾（TiO2含量5%）的月海玄武岩类型，但稀土元素含量远低于KREEP岩。CE-5月壤的主要矿物组成与典型的月海玄武岩一致，但非晶质玻璃含量（~17%）明显低于Apollo月壤。

此外，嫦娥5号月球样品还收集到了部分小岩屑（1mm~1cm），根据初步的岩相学观察这些岩屑可以分为玄武质岩屑、凝结集块岩屑、玻璃等三种类型，其中，玄武质岩屑的结构类型丰富，代表了多种结晶条件下形成的玄武岩。基于上述初步的研究结果，嫦娥5号月球样品代表了一类可能年轻的、“全新的”分异型玄武岩，填补了Apollo和Luna月球采样任务的“空白”，具有极高的科学研究价值。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188

6.《Size, morphology, and composition oflunar samples returned by Chang’E-5 Mission》（《嫦娥五号月球样品的尺寸、形貌与组成分析》）

发表刊物:《Science ChinaPhysics, Mechanics & Astronomy》

**发表单位：**中国空间技术研究院

论文摘要：

本文对我国嫦娥五号采样返回任务首批月球样品（样品编号CE5C0400）进行了表征测试与分析，包括激光粒度与粒形分析场发射扫描电镜、电子能谱和X射线衍射及其精修计算等，研究并分析了本次月球采样任务的特定区域（风暴洋东北角的玄武岩区域）中表层月壤的物理和化学特性，扩展了月球表面特征的国际性科研数据，深化了对月球演化方面的认识，并为后续月球探测任务、月球形成与演化和月球原位资源利用等研究提供重要支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s11433-021-1818-1

7.《Mineral chemistry and 3D tomography of achang’E 5 high-Ti basalt: implication for the lunar thermal evolutionhistory》（****《报道一种相对少见的高钛月海玄武岩》）

发表刊物：《Science Bulletin**》**

**发表单位：**中国科学院紫金山天文台

论文摘要：

月海玄武岩主要分布在月球的盆地中，且以月球正面居多。月海玄武岩可能是100至400公里深处的月幔部分熔融形成的。和地球上的同类岩石相比，它具有较高且变化较大的TiO2含量，从 0.2到 16.5 wt.%，相差达到约80倍。如此大的成分变化范围不仅反映了月幔深处堆晶岩分布的不均一性，也反映了月球内部岩浆过程的高度复杂性。因此通过不同类型的月海玄武岩，可以研究月球深部物质成分、岩浆过程随时间和空间的演化规律。

2021年7月12日，中国科学院紫金山天文台首批申请获得了两块嫦娥五号月海玄武岩样品。利用高分辨率显微CT、扫描电镜、电子探针等技术对其中一个样品（编号CE5C0000YJYX065）开展了详细的矿物化学和无损的三维断层成像研究。结果显示，样品含有极高丰度的钛铁矿（17.8 vol.%），并富含磷酸盐矿物（0.5vol.%）；主要组成矿物如高钙辉石和长石的化学成分和演化趋势与Apollo 和Luna任务返回的高钛玄武岩一致。

多项证据表明，不同于目前已报道的嫦娥五号中钛和低钛月海玄武岩类型，CE5C0000YJYX065是一种高钛月海玄武岩，是在月表（埋藏深度约0.8米）快速冷却结晶形成的。嫦娥五号着陆区历史上可能曾经发生过多次火山喷发活动，将有望解读月幔源区不同物质成分和月球晚期火山活动的精细时空分布规律。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.006

8.《Rapid screening of Zr-containingparticles from Chang’e-5 lunar soil samples for isotope geochronology: Technicalroadmap for future study》（《嫦娥五号月壤样品单颗粒分析工作流程图》）

发表刊物：《Geoscience Frontiers**》**

**发表单位：**中国科学院地质与地球物理研究所

论文摘要：

嫦娥五号月壤样品来自月球风暴洋东北部，属于人类从未“踏足”的中纬度地区。确定年龄，是利用嫦娥五号月壤样品开展“月球岩浆活动及演化、月球发电机和磁场演化、太空风化作用”等重大科学问题研究的基础，还能为修正撞击坑统计定年曲线提供关键锚点，因而是首要科学问题。

从成千上万个月壤颗粒中精准地挑选出适合定年的目标样品，并且将适用于微区原位定年的矿物从目标矿物中精准地暴露出来，则是解决这一首要问题的关键所在。针对上述问题，经过联合攻关，研究人员最终建立了两套可行性方案，用于嫦娥五号月壤样品中富锆（Zr）颗粒的快速筛选和目标颗粒中含锆矿物的精准定位。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gsf.2022.101367

9.《Titanium in olivine reveals low-Ti originof the Chang’E-5 lunar basalts》（《橄榄石微量Ti确定嫦娥五号玄武岩低钛属性》）

发表刊物：《LITHOS**》**

**发表单位：**中国科学院地质与地球物理研究所

论文摘要：

对嫦娥五号月壤样品中玄武岩研究揭示月球在20亿年前仍存在岩浆活动，比以往认知推迟了8亿-9亿年，刷新了科学界对月球演化历史的认知。然而，目前对嫦娥五号玄武岩属于低钛还是高钛月海玄武岩还存在争议。本研究从橄榄石钛含量这一新视角，揭示嫦娥五号玄武岩属于低钛月海玄武岩，比大多数阿波罗低钛月海玄武岩具有更高的钛含量，该发现可为研究月球最年轻火山成因机制奠定基础。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.lithos.2022.106639

10.《In Situ Micro-XRD Methods for IdentifyingGlass and Minerals in Extraterrestrial Samples》（《原位微区X射线衍射技术快速分析月壤颗粒中的玻璃态物质》）

发表刊物：《Atomic Spectroscopy**》**

**发表单位：**中国科学院广州地球化学研究所

论文摘要：

现有对于月球陨石、阿波罗样品的研究和月球模拟场计算均表明，非晶态物质是月球表土的重要组成部分。由于它们具有粒径细小、来源多样以及共生关系复杂等特点，目前人们仍没有很好的手段和方法能够对其进行系统研究。而这些玻璃组分的成因及分布，对于深入了解和认识月球的起源和演化、月表太阳风和微陨石轰击等作用，都具有重要意义。

X射线衍射技术是传统矿物学中判别矿物物相及结构的基本手段。原位微区X射线衍射技术更是兼具了无损性、准确性、制样灵活性以及较高的空间分辨率等优点，在研究复杂地外样品时将具有极大的潜力。

本研究中，使用原位微区X射线衍射仪，原位研究了包括月壤样品集合体、似单晶颗粒以及制靶样品在内的多种形态月壤样品，探究了针对不同类型样品的最佳制样及测试方法，并对大量测试结果进行归类分析和总结。结果表明，嫦娥五号取回月壤样品中，月壤中非晶物质与辉石、长石等矿物广泛共生，且玻璃质以覆层或基质的形式充填于矿物碎屑之间。

根据研究结果推测了受试样品中的玻璃可能是因为月球经历的频繁和强烈的撞击事件，通过冲击变质熔融或蒸发沉积等过程产生。样品颗粒不同的有序度和玻璃含量，可作为推断撞击中心或火山喷发中心的证据之一。

论文链接：https://doi.org/10.46770/AS.2022.016

11.《In situ Investigation of the ValenceStates of Iron-bearing Phases in Chang’E-5 Lunar Soil using FIB, AES, andTEM-EELS Techniques》（《FIB-AES-TEM-EELS联用技术在嫦娥五号月壤研究中的应用》）

发表刊物：《Atomic Spectroscopy**》**

**发表单位：**中国科学院地球化学研究所

论文摘要：

利用聚焦离子束（FIB）、扫描俄歇纳米探针（AES）和透射电子显微镜-电子能量损失谱（TEM-EELS）等先进原位微区测试技术，分析并排除了地球环境对嫦娥五号月壤（CE5C0400YJFM00505）中含铁相的污染和氧化，同时对np-Fe0及相关铁镁硅酸盐矿物与玻璃基质中Fe2+与Fe3+的纳米级尺度分布与赋存特征开展了深入分析，获取了np-Fe0歧化反应成因机制的初步证据。

论文链接：https://doi.org/10.46770/AS.2022.014

12.《Nanophase Iron Particles Derived FromFayalitic Olivine Decomposition in Chang’E-5 Lunar Soil: Implications forThermal Effects During Impacts》（《嫦娥五号月壤中铁橄榄石热分解成因单质金属铁的发现》）

发表刊物：《Geophysical Research Letters**》**

**发表单位：**中国科学院地球化学研究所

论文摘要：

基于原位微区电子分析结果，首次在嫦娥五号铲取月壤中找到了铁橄榄石分解成因纳米金属铁（npFe0）的确切证据。与Apollo月壤中纳米金属铁相比，嫦娥五号月壤中铁橄榄石分解成因的纳米金属铁在均值粒径、赋存状态、形成机制以及光谱改造效应等方面均存在较大差异。

该研究结果表明，月壤形成过程中的冲击破碎作用以及月壤演化过程中微陨石撞击的局部热作用是嫦娥五号月壤中铁橄榄石分解形成纳米金属铁的主要原因，同时也可能是全月表月壤形成与演化初期阶段纳米金属铁的重要形成机制之一。

论文链接：https://doi. org/10.1029/2021GL097323

13.《嫦娥五号月壤中子活化分析研究》（《Instrumental Neutron Activation Analysis of Chang’E‑5 LunarRegolith Samples》）

发表刊物：《同位素》、《Journal of the American Chemical Society**》**

**发表单位：**中国原子能科学研究院

论文摘要：

我国嫦娥五号从月球风暴洋东北部、人类此前从未去过的月球中纬度地区（51.916°W, 43.058°N）采集回了新的月壤样品，弥补了40多年前美国和苏联采样区域有限的不足，拓展了月壤样品的代表性，具有重要的科研价值。

中子活化分析具有高灵敏、多元素、非破坏等优点，基于中国原子能科学研究院49-2泳池堆和微型中子源反应堆，利用仪器中子活化分析方法对嫦娥五号月球表面铲取样品开展元素分析研究，使用实验室专用活化分析软件ADVNAA进行元素定量分析，获得嫦娥五号月壤样品中39种主量和微量元素信息，并与1978年美国赠送给中国的礼物Apollo-17样品数据进行对比。

实验过程采用中子活化分析单比较器k0法和相对法对月壤样品元素进行定量，多种有证标准物质(如GBW07105、GBW07727、GBW07896、SRM2703、GSP2等)与嫦娥五号月壤样品一起分析，分析结果在不确定度范围内一致，确保了嫦娥五号月壤样品分析结果的准确性和可靠性。

论文链接：https://10.7538/tws.2021.youxian.102

https://doi.org/10.1021/jacs.1c13604

14.《嫦娥五号月壤元素含量中子活化分析测定的质量保证和质量控制》（《Quality assurance and quality control of neutron activationanalysis for determination of elements in lunar soil samples returned by Chang’E-5mission》）

发表刊物：《核技术（Nuclear Techniques**）》**

**发表单位：**中国原子能科学研究院

论文摘要：

精准测定嫦娥五号月壤样品的元素含量，对于探讨月壤的成因及其形成的物理化学条件、研究月球演化历史具有重要意义。为了确保利用中子活化分析测定嫦娥五号月壤样品元素含量结果的准确性和可靠性，需要做好分析过程的质量保证和分析结果的质量控制。

基于中子活化分析原理和误差来源，讨论了月壤样品中子活化分析中的质量保证措施，并采用标准物质监控、重复测试、自我验证、方法比对等内部质量控制方法对月壤样品中子活化分析结果进行评价和验证。内部质控样品的分析结果满足实验室的接收标准，重复测试等内部质量控制方法显示元素定值结果具有一致性。通过分析测量数据，验证了检测结果的可靠性，证明质量保证过程和质量控制方法有效。

论文链接：https://10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.030201

15.《Space Weathering of the Chang’e‐5 LunarSample From a Mid‐High Latitude Region on the Moon》（《电镜技术解析嫦娥五号样品的太空风化作用机制》）

发表刊物：《Geophysical Research Letter**》**

**发表单位：**中国科学院地质与地球物理研究所

论文摘要：

月球表面遭受了强烈的太空风化作用，包括微陨石撞击、太阳风及宇宙射线的辐射等。这些过程极大地改造了月球表面物质的微观结构及光谱特征。但是，太空风化作用机制还不够清晰。另外，嫦娥五号采样点位于中纬度(43.06°N)，为月球不同纬度的空间风化研究提供了独特的视角。

利用单颗粒样品操纵-扫描电镜形貌观察-聚焦离子束精细加工-透射电镜结构解析等系列分析方法，获得了嫦娥五号样品单颗粒表面多相物质（硅酸盐、氧化物、磷酸盐和硫化物）受到相同太空环境下的不同微观结构响应。并通过与阿波罗样品的分析结果进行对比，建立了嫦娥五号样品太空风化作用的初步模型。这为认识月球表面物质演化及不同维度遥感光谱校正提供了支持。

论文链接：https://doi.org/10.5281/zenodo.6349937