嫦娥石是什么？从哪儿来？能干什么？_风闻
马氏体-2022-09-13 15:52
在中秋佳节前一天，国家航天局、国家原子能机构联合发布了嫦娥五号最新科研成果：中核集团核工业北京地质研究院在月球样品研究中发现了一种新矿物——“嫦娥石”，并获得国际矿物协会的认定。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，我国成为继美国、前苏联后，世界上第三个在月球发现新矿物的国家。
嫦娥石如何被发现？
月壤是由破碎的月球岩石形成的微粒，粒径只有几微米到上百微米，作为对照，头发的直径大约为几十微米。
从数以万计月壤颗粒中，核工业北京地质研究院发现其中有些颗粒含有某种磷酸钙类矿物，具有异常高的稀土元素含量，可能对应于一种未知的新矿物
科研人员用扫描电子显微镜（SEM）进行放大观察，找到了几粒可以用于结构解析的“大块”新矿物，其实也就几微米到十几微米尺寸。
接下来的挑战，是把新矿物与周围的共生矿物切分开，获得纯净的新矿物样本用于结构分析。采用的技术是聚焦离子束（FIB），就是以高能量的离子束为“刻刀”，轰击掉样品表面的原子，实现微、纳米级精细加工。
经过FIB切割，得到一块几微米大小的样品，用微量的铂把它焊接在一根细钨针上。
对矿物单晶体样品进行X射线衍射分析（XRD）。晶体里各个位置的原子会把X光散射向不同的方向，形成特定的衍射图谱，从而能够解析出精确的晶体结构。
嫦娥石是什么？
嫦娥石的理想化学组成为(Ca8Y)□Fe2+(PO4)7。
它是一种陨磷钠镁钙石（merrillite）类矿物，“陨”代表这种矿物在地球上没有发现，全都是天外来客，即陨石和月球样品，“磷”表示这是一种磷酸盐（PO43-），另外还有“钙”（Ca2+）、钠（Na+）和镁（Mg2+），标准的组成为Ca9NaMg(PO4)7。
那么，嫦娥石中的钠和镁在哪里？
嫦娥石不含镁，因为原本由镁占据的位置被二价铁（Fe2+）取代。
嫦娥石不含钠。因为一个Ca2+被一个Y3+（稀土元素钇）所取代，多了一个正电荷，所以脱除了Na+来保持正负电荷平衡，用“□”代表原来被Na+所占据的位置变成了空位。相应地，嫦娥石的英文名称“Changesite-(Y)”中，后缀“-(Y)”就代表其组成中含有特殊成分——钇。
（这是一种结构非常复杂的磷酸盐，每个磷被四个氧包围，即图示中的浅绿色四面体；每个铁被六个磷酸根包围，即图示中的蓝色八面体）
研究嫦娥石有什么用？
嫦娥石的特殊价值就来自其“身份”——富含稀土的磷酸盐。
我们知道，组成地球和月球的壳和幔的主要岩石成分是硅酸盐类矿物，大部分是由岩浆凝固而成的，但是岩浆中不可避免地含有各种其他成分。就像有些物质易溶于水，有些物质难溶于水，不同的矿物成分在岩浆中的溶解度也是不同的。
在一批原始岩浆逐渐凝固的过程中，有些元素倾向于进入到先期凝固的硅酸盐岩石中，被称为“相容元素”；也有些元素不愿意进入固体硅酸盐，而是倾向于留在剩余的岩浆中，被称为“不相容元素”。随着越来越多的岩浆凝固为岩石，剩余岩浆里的不相容元素就越来越富集，直到岩浆最终完全凝固时无处可去，它们才被裹挟到最后凝固的岩石中。稀土元素和磷就属于不相容元素，因而嫦娥石的出现代表着最晚凝固的岩浆，并且十余种稀土元素的性质有细微差异，它们的含量规律可以用于研究岩浆的形成和演化过程。
寻找月球上最晚凝固的岩浆——这正是嫦娥五号任务的重大命题。
（红点为嫦娥五号的着陆点，月球地图上的颜色代表岩浆凝固为岩石的时间，颜色越红则年代越新，单位为十亿年，可见嫦娥五号着陆点的岩石年龄小于20亿年）
嫦娥五号着陆在月球正面的“风暴洋”地区。从前望远镜的分辨率不高，人们把月球上暗色的区域误认为是海洋，但实际上那里是岩浆凝固而成的玄武岩平原，但遵循传统，现在仍然用海洋来命名这些区域。风暴洋的火山喷发被认为是月球上最晚的火山活动，大约在距今20-13亿年前。
在地球这样的星球上，融化岩石引发火山活动的热量来自于地心。这热量主要从两个来源获得，一是星球形成之时大量物质聚集，引力势能转化为热能；二是地球内部的放射性元素衰变产热。地球的体量足够大，因而在形成46亿年后的今天仍然维持着活跃的火山活动。但是月球的体量太小，热量已大部分散失，因而不再发生火山活动，被称为“死去”的星球。理论上，月球在大约25亿年前就应该已经冷却，那风暴洋火山的热量从何而来？
此前美苏两国均未获取到“年轻”的月球样品，已获得的最晚的样品形成于28亿年前。针对这个月球演化历史中的重大问题，嫦娥五号专门挑选了风暴洋中最年轻的区域作为着陆点，采集到20亿年前形成的样品，代表了月球最晚的火山活动。
期待对嫦娥石的后续研究能够解答更多关于月球过往的秘密。
从气势磅礴的火箭发射出发，回归到对成千上万颗月壤微粒的耐心分析；从原子尺度的格致探微，又上升到星球演化的宏大叙事，这就是月壤研究，这就是“仰望星空，脚踏实地”。
从陨石到月球，从火星到彗星小行星，中国科技工作者探索的“脚步”在向太阳系更深远的边疆延伸，在向追溯太阳系和行星起源与演化过程的未知领域迈进。在这伟大的征程中，嫦娥石是一块微小却闪光的里程碑。
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参考资料：
中央电视台. 《新闻直播间》20220910北京 我国首次发现月球新矿物“嫦娥石” “嫦娥石”：陨磷钠镁钙石族的一种矿物.
https://tv.cctv.com/2022/09/10/VIDE9ATH9CValMDdcaip6Dkz220910.shtml
科学大院. 举头望明月，低头盘月壤.
Xiande Xie, Hexiong Yang，Xiangping Gu, Robert T. Downs. Chemical composition and crystal structure of merrillite from the Suizhou meteorite. American Mineralogist, 2015, 100: 2753-2756.
中核集团. 月亮上真的有“嫦娥”！中国首次在月球上发现新矿物.
https://www.cnnpn.cn/article/32640.html
央视新闻．我国发现月球新矿物——嫦娥石