空间中心科研人员揭示嫦娥五号着陆点的月壤矿物组成和太空风化作用

我国首次月球采样返回任务嫦娥五号（CE-5）着陆于月球风暴洋北部年轻的克里普（KREEP）地体，成功返回了 1.73 kg 月壤。前人利用轨道遥感数据对 CE-5 着陆区的地形地貌和物质成分进行了大量的研究，近期，一系列样品分析推进了对月球年代学、月球晚期火山活动和岩浆演化机制的认识。与大尺度的遥感观察和精细的样品分析不同，原位光谱探测不仅可以提供采样区的局部背景信息，也有利于研究未扰动和扰动状态的月壤特性。CE-5 着陆器携带的月球矿物光谱仪（LMS）获取了月壤的可见 - 红外反射光谱，为研究月壤物质成分和太空风化作用提供了重要的数据支持。

中国科学院国家空间科学中心（以下简称 " 空间中心 "）太阳活动和空间天气重点实验室研究人员利用嫦娥五号 LMS 原位探测数据分析了着陆点月壤的物质成分和成熟度，光谱参数和解混研究表明月壤中铁镁质矿物主要为单斜辉石，这与实验室 CE-5 样品化学分析和轨道光谱分析结果一致。火箭吹扫和铲取采样前后月壤光学成熟度和亚微观铁（SMFe）并未发生明显变化，本研究为月壤表层经历了快速翻耕和充分混合作用提供了光谱证据。

图 1 ：（A）LMS 光谱数据的测量视场如红框所示。全景相机分别展示了（B）月壤和（C）石块的影像。（D）LMS 反射光谱曲线。

图 1A 红框显示了 LMS 光谱数据的观测视场，其中 D11 为石块，D14-D16 为铲取后的月壤光谱。月壤和石块放大的影像如图 1B，C 所示，图 1D 展示了经过辐射定标、热校正等预处理后的反射光谱曲线。

通过 1μm 和 2μm 的吸收特征的光谱参数图（图 2A）发现，随着钙含量增加，辉石在 1 μm 和 2 μm 的吸收位置向长波方向移动，CE-5 着陆点的月壤和石块为高钙辉石，这在 1μm 吸收中心和 2μm 与 1μm 吸收面积比值投图（图 2B）得到进一步证实。本研究利用 Hapke 模型和稀疏解混算法反演得到原位光谱的矿物成分及其丰度，反演结果与 CE-5 样品的分析结果以及轨道遥感的反演结果一致（图 2C）。

图 2 ：LMS 原位光谱成分分析

太空风化是无大气天体上由微陨石撞击和太阳风注入引起的光谱红化和暗化的普遍现象。首先利用光谱斜率 R950/R750 和 R1600/R700 分别与 R750 与 R700 的投图定性分析 CE-5 着陆点月壤的成熟度（图 3A，B），发现与 CE-4 着陆点月壤相比，CE-3 和 CE-5 着陆区的月壤相对更不成熟，这可能与 CE-3 和 CE-5 着陆于年轻的撞击坑溅射毯（<100 Ma）上有关。本研究进一步计算了光学成熟度（OMAT，图 3C）和亚微观铁（SMFe，图 3D）含量，发现火箭吹扫前后，以及铲取前后月壤成熟度没有发生显著变化，表明 CE-5 着陆区月壤在铲取深度（<3cm）以内经历过等效的暴露历史。这一结果与 Apollo 钻取样品的放射性核素分析结果以及月壤翻耕模型模拟结果相吻合。本研究为月壤表层经历了快速翻耕和充分混合作用提供了光谱证据。

图 3：LMS 原位光谱成熟度分析

上述研究成果发表于国际权威学术期刊 Earth and Planetary Science Letters 上，论文的第一作者是空间中心的特别研究助理吴兴博士，通讯作者是刘洋研究员。该研究得到国家自然科学基金（11941001，42072337）、中科院战略先导 B 专项（XDB41000000）、民用航空航天技术预研项目（D020201，D020203）、中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007）和空间中心 " 攀登计划 " 等项目的支持。