月球表面覆盖着一层被称为月壤的岩石粉末和碎屑，月壤的矿物组分和结构对于探究月球成因和演化历史具有重要意义。近日，深圳大学李清泉教授和黄少鹏教授团队与武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室合作，对嫦娥五号搭载的月球矿物光谱分析仪获得的11组就位光谱数据进行分析，取得了采样区矿物组成、颗粒大小和月壤与岩石的含水量等重要数据。

1、嫦娥五号探测月球矿物的“火眼金睛”

嫦娥五号是我国首次地外天体自动采样返回任务，2020年12月1日，嫦娥五号探测器着陆于月球风暴洋北部（43.06°N, 51.92°W），不仅带回了1731克月壤样品，还带回了采样区的就位探测数据，为我们了解和还原真实的月表环境提供了宝贵资料。

图1 嫦娥五号开展月壤采样和就位探测

（图源：国家航天局探月中心）

嫦娥五号的科学目标之一是分析月壤物质组成，月壤中的矿物组成对于研究月球内部物质组成和演化、估算月球资源量等具有重要意义。月球矿物探测主要采用高光谱技术，高光谱技术能够记录物质反射和发射的电磁波，不同于人眼仅能感知可见光谱段的电磁波，高光谱传感器能够接收的电磁波谱段更广（从紫外、可见光到红外谱段），从而“识别”人眼无法分辨的物质。由于矿物晶格会吸收特定谱段的电磁波能量，因此矿物具有独一的高光谱“身份证”。

图2矿物的高光谱“身份证”（不同矿物的吸收谱段不同）

月球矿物光谱分析仪（LMS）是嫦娥五号开展矿物探测的“火眼金睛”，它在采样区实地获取了可见光和近红外谱段的月壤高光谱数据。月球矿物中的铁、钛等过渡金属元素在可见光和近红外谱段会吸收部分电磁波能量，因此LMS能够探测月表常见的矿物（辉石、橄榄石、斜长石等）。此外，羟基和水分子会吸收近红外谱段的电磁波能量，因此LMS还能探测月壤中的“水”。

图3月球矿物光谱分析仪（图源：上海技物所）

2、嫦娥五号采样区的月壤中有哪些矿物？

研究团队提出了基于多粒径矿物端元光谱库的稀疏光谱分解方法用于分析嫦娥五号的LMS高光谱数据，解译了月壤中的矿物类型、含量（丰度）和颗粒大小（粒径），并估算了月壤中的水含量。研究结果显示嫦娥五号的采样区含有大量的胶结物和玻璃，丰度高达49.36%，此前，月壤样品在显微镜下的确能看到大量褐色与黄色玻璃粉末。此外，嫦娥五号的采样区还存在辉石（14.08%）、斜长石（18.58%）、钛铁矿（16.11%）和少量的橄榄石（1.86%），这些是典型的月海玄武岩的组成矿物，它们大多来自于月球地下，由火山喷发带到了月表。这些矿物的颗粒普遍很小，其中79.83%矿物粒径小于75微米，因此月壤像灰尘一样非常细。由于月球没有大气层的保护，月壤在长期的物理风化下形成了细小颗粒，例如陨石反复撞击使得月壤不断破碎、高速运动的太阳风粒子对破碎的月壤进行离子注入等。研究人员估算采样区的平均水含量为67ppm(1ppm为百万分之一)，其中岩石采样区的水含量达207ppm，而月壤采样区几乎不含水，表明岩石比月壤更能储水。嫦娥五号月壤样品研究发现采样区的水来源于太阳风的质子注入作用（贡献的水含量至少为170ppm），主要以羟基的形式存在。上述成果为月壤样品的物质组成分析提供了交叉验证数据，也为研究月球风暴洋北部地区的成因和演化历史提供了基础资料。

表1.嫦娥五号采样区的矿物组成与丰度（%）统计表

图4嫦娥五号采样区的矿物丰度反演结果

这项研究成果最近已经在中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的核心刊物《中国科学：物理学力学天文学》上在线发表。论文第一作者是宋蜜博士，李清泉教授和黄少鹏教授为论文共同通讯作者。论文网址：https://doi.org/10.1360/SSPMA-2022-0318