“嫦娥石”-我国科学家首次发现月球新矿物

背景

2022年9月9日，国家航天局、国家原子能机构联合在北京发布我国月壤研究最新成果：中国科学家首次在月球上发现新矿物-“嫦娥石”。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，我国也成为继美国、前苏联后第三个在月球发现新矿物的国家。

图1 “嫦娥石”发布会现场

千淘万漉“嫦娥石”

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2020年12月17日，我国嫦娥五号月球探测器携带1731克月球月壤成功返回地球，这是时隔40多年后人类再次采集月球样品，也使中国成为第3个成功采集月球样品的国家。

2021年6月，嫦娥五号月球样品向全社会开放申请。核地研院是首批获得月球样品的13家研究机构之一，先后有3个课题获得批准，分别是“嫦娥五号月球样品聚变核能核素(3He)研究”、“嫦娥五号月球样品铀(钍)核能核素及同位素研究”以及“月球核能元素铀系核素研究及意义”；目标是开展自主月球裂变、聚变资源基础地质研究，为月球演化和月球资源评价提供重要基础数据。

在对第一批月壤粉末样品进行矿物学研究的过程中，核地研院科研团队发现了新矿物的线索——其在扫描电子显微镜下为10 μm左右的颗粒，和辉石交互共生。但由于技术手段限制，没有办法进行进一步的分离，因此一直没有获得新矿物的理想结构数据。

在申请到第二个月壤样品后，科研团队统计了样品靶上的近14万个颗粒，找到了一些新矿物的样品，但有希望测到单晶结构的只有一颗，而这一颗还裂成了三小块。最终团队使用聚焦离子束电镜切出了一颗10*7*4 μm的纯的单晶颗粒，约为普通人头发丝平均直径的十分之一。科研人员随后将该颗粒转移到单晶衍射仪上测试衍射数据，最后解译出新矿物的晶体结构。他们对新矿物进行了拉曼光谱分析、晶体光性描述、物理性质计算等，通过系统详尽的矿物学研究确定其为一种未被发现的新矿物。

图2 (a)月壤粉末样品 (b)月壤样品显微镜图 (c)(d)嫦娥石放大图（中核集团图）

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“嫦娥石”的结构

“嫦娥石”发现于嫦娥五号月壤的玄武岩碎屑中，是一种新发现的磷酸盐矿物。颗粒大小约2 ~30 μm，呈微小柱状，伴生矿物有铁橄榄石、单斜辉石、钛铁矿、钙长石、斜锆石、方石英、陨硫铁和玻璃等。中核集团核工业北京地质研究院创新团队，通过X射线衍射等技术手段，在十四万个月球样品颗粒中，分离出一颗粒径约10 μm的单晶颗粒，并成功解译其晶体结构。经国际矿物学会（IMA）新矿物分类及命名委员会（CNMNC）投票通过，确证为一种新矿物，批准号为IMA2022-023a。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家。

图3 (a) (b) (c)嫦娥石和共生矿物扫描电镜图(d)嫦娥石CT扫描形态（中核集团图）

图3中可以看到嫦娥石与长石、斜锆石、陨硫铁、方英石、钛铁矿、橄榄石、辉石等共生，其精细分离存在较大困难。视野中，橄榄石、长石的存在较多；斜锆石、方英石及其他矿石较少。样品整体面貌较为松散、棱角明显、颗粒感明显，颗粒大小并不均匀，同时含有大量的孔洞。

图4 嫦娥石晶体结构示意图及理想晶体图（中核集团图）

嫦娥石，其英文名为Changesite-(Y)，由change(嫦娥的汉语拼音)+site(英文后缀，表示矿物)+Y(特殊成分后缀)组成。嫦娥石发现于嫦娥五号月壤的玄武岩碎屑中，是一种新的磷酸盐矿物，属于陨磷钠镁钙石(Merrillite)族。理想化学式为(Ca8Y)Fe2(PO4)7，晶体结构属三方晶系，空间群R3c，晶体结构示意图4。颗粒约2~30微米，呈微小柱状，伴生矿物有铁橄榄石、单斜辉石、钛铁矿、钙长石、斜锆石、方石英、陨硫铁和玻璃等。

嫦娥五号月壤相关研究

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“嫦娥石”的发现引起了巨大的轰动，然而对于嫦娥五号月壤的相关研究不止于此。中科院地化所研究团队通过对嫦娥五号表取月壤粉末中铁橄榄石颗粒的深入细致分析，首次在月壤中证明了歧化反应成因纳米级单质金属铁的存在。歧化反应成因纳米级单质金属铁的发现与证实，革新了数十年来学术界对月壤中单质金属铁形成机制的既有认知（图5）。

图5 月壤中纳米金属铁的成因分析（中科院地化所图）

在阿波罗从月球返回月球样本45年后，中国的嫦娥五号从月球的东北部中纬度地区再次采集了新样本。研究表明，95%的嫦娥五号月壤尺寸在1.40~9.35 um，其质量范围在4.84~432.27 ug。嫦娥五号月壤的表观密度、压实密度和比表面积分别为1.2387 g cm-3、3.1952 g cm-3和0.56 m2 g-1。嫦娥五号月壤主要由玄武岩、凝集岩、玻璃和少量角砾岩组成。嫦娥五号月壤的矿物成分和泥灰玄武岩一致，可分为低钛型、低铝型和低钾型（图6）。在月壤形成条件、形成年代及地质构造的研究中，嫦娥五号月壤样品放射性同位素测年表明，大多数月壤的玄武岩化作用在2.8~2.9亿年前（Ga）就停止了。此次，通过对嫦娥五号月壤研究，研究者给出了精确的时间为2030±4百万年（Pb）（图7）。

图6 中国嫦娥五号与美国阿波罗月球取样点对比（中科院地化所图）

图7 嫦娥五号玄武岩碎屑中代表性定年矿物的背散射电子图像（中科院图）

结语

随着我国航天事业的发展，我国对于空间环境的研究和开发正不断取得突破，特别是载人航天及空间实验室的建造，我国的研究深度和广度正在不断扩展。此次，“嫦娥石”的发现揭示了我国在月壤研究中取得的重大成果，对认识月球的起源、演化以及有效利用地外资源具有重要的启示意义。