嫦娥回家：新樣品·新機遇·新突破

　　北京時間2020年12月17日1時59分，嫦娥五號樣品艙成功著陸在內蒙古四子王旗預定著陸區。這是中國探月工程（CLEP）的又一重要里程碑，圓滿實現了第一階段“繞”、“落”、“回”三步走的目標。中國從此成為繼美國和前蘇聯后第三個從月球成功采樣返回的國家。這也是繼1972年美國“阿波羅17號”和1976年前蘇聯“月球24號”采樣返回任務之后，人類探測器再一次從月球采回樣品。

　　嫦娥五號于2020年11月24日4:30從海南文昌衛星發射中心發射升空，并于12月1日著陸在月球風暴洋地區（圖1）。經過19個小時的月面活動后，樣品采集和封裝工作于12月2日完成。隨后，上升器攜帶著樣品從著陸器頂部起飛并與軌道器（返回艙）交會對接。12月17日樣品艙返回地球。

　　嫦娥五號的月球樣品采集有兩種方式：月壤巖芯鉆取和表壤抓取（圖1）。嫦娥五號著陸器上裝備有全景相機和著陸相機，獲得了著陸區高分辨率地形地貌圖像；可見-近紅外成像光譜儀獲得了月球表面光譜特征和物質成分；探月雷達獲得了淺表結構；這些數據為返回樣品提供了關鍵的地質背景。

圖1 左：月球正面月海玄武巖模式年齡[1]與放射性元素釷（Th）含量的分布[2]。紅色點為嫦娥五號著陸點位置，青綠色點為阿波羅任務著陸點，藍色點為月球號著陸點（圖片修改自QuickMap, https://quickmap.lroc.asu.edu/）。右：嫦娥五號在月球表面巖芯鉆取和表壤抓取的示意圖。

　　月球樣品對于月球科學研究而言是無價之寶。對阿波羅月球樣品的研究極大地推動了月球科學的發展。例如：阿波羅樣品中發現的純斜長巖碎屑揭示了月球表面曾經是一個熔融的巖漿洋[3]。用返回樣品的絕對年齡進行校準，建立的撞擊坑定年法(依據撞擊坑的密度來確定天體表面年齡)是獲取類地行星和小天體表面年齡的最重要方法[4]。月球物質成分與地球的相似性為月球形成的假說提供了重要證據[5]。

　　嫦娥五號選取的著陸點遠離美國阿波羅計劃的6個采樣點，以及前蘇聯月球號計劃的3個采樣點（圖1）。相對于非常不均一的月球表面，阿波羅計劃和月球號計劃的采樣點，僅能代表月表約5-8%面積。嫦娥五號將提供不同的月球樣品，從而更加全面和深入地認識月球。

　　基于撞擊坑定年的結果，嫦娥五號著陸點的熔巖流異常年輕，僅12~20億年[6-8]。作為對比，阿波羅計劃與月球號任務采集的玄武巖年齡為31~39億年。通過對嫦娥五號樣品的同位素定年，可以校正月球撞擊通量曲線（圖2），從而使得撞擊坑年代學更加準確地測定10~30億年之間的事件年齡。

圖2 月球撞擊通量曲線。嫦娥五號樣品將提供關鍵的絕對年代數據，從而更準確的擬合撞擊通量曲線。（修改自https://sservi.nasa.gov/articles/video-the-lunar-crater-chronology/）

　　現有理論認為，月球曾覆蓋著深達數百公里的巖漿洋。隨著巖漿洋的不斷冷卻結晶，放射性元素鈾（U）和釷（Th），以及鉀、稀土和磷（K、REE、P，縮寫KREEP，即克里普）在殘余熔體中不斷富集，最終集中在月球的殼-幔之間。月球正面風暴洋區域的玄武巖等顯示出最富集這種克里普組分的特征，而嫦娥五號著陸點即位于這一地區（據釷含量分布），并且年齡非常年輕（圖1）。因此，嫦娥五號樣品可以揭示月球最晚期的火山活動及其月幔源區的地球化學特征（圖3）。

圖3 月殼形成演化歷史。嫦娥五號樣品將揭示月球最晚期的火山活動及月幔巖漿源區的地球化學特征。（修改自https://www.open.edu/openlearn/ocw/mod/oucontent/view.php?id=69111&section=4.6）

　　此外，嫦娥五號樣品可能還記錄了月球磁場的信息，保存了注入的太陽風。鉆取的月壤巖芯就像一本歷史書，記載了月球表面十多億年來的演化過程。

　　總結與展望

　　嫦娥五號月球樣品的采集并返回，將促進行星科學與地球科學的交叉融合，為我國行星科學的發展起到至關重要的作用，也使我國地球科學的研究有一個更加廣闊的視角。同時，返回月球樣品的研究為現代地球化學分析技術的進步提供了非常重要的機遇。

　　參考文獻

　　1. Hiesinger, H., et al., Ages and stratigraphy of lunar mare basalts: A synthesis, in Recent Advances and Current Research Issues in Lunar Stratigraphy. 2011, Geological Society of America. p. 1-51.

　　2. Lawrence, D.J., et al., Global spatial deconvolution of Lunar Prospector Th abundances. Geophysical Research Letters, 2007. 34(3).

　　3. Wood, J.A., et al., Lunar Anorthosites. Science, 1970. 167(3918): p. 602-604.

　　4. Sto?ffler, D., et al., Cratering History and Lunar Chronology. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2006. 60(1): p. 519-596.

　　5. Canup, R.M., Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2004. 42(1): p. 441-475.

　　6. Jia, M., et al., A catalogue of impact craters larger than 200 m and surface age analysis in the Chang'e-5 landing area. Earth and Planetary Science Letters, 2020. 541.

　　7. Qian, Y.Q., et al., Geology and Scientific Significance of the Rümker Region in Northern Oceanus Procellarum: China's Chang'E-5 Landing Region. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018. 123(6): p. 1407-1430.

　　8. Wu, B., et al., Rock Abundance and Crater Density in the Candidate Chang'E-5 Landing Region on the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018. 123(12): p. 3256-3272.