月壤矿物组成和风化现象

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总台记者从中国科学院国家空间科学中心获悉，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，成功带回1.73kg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大量研究，近期一系列样品分析推进了对于月球年代学、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，原位光谱探测可提供采样区的局部背景信息，有利于探索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，为探究月壤物质成分和太空风化作用提供了重要的数据支持。相关研究成果发表在Earth and Planetary Science Letters上。


图1.LMS光谱数据的测量视场如红框所示（A），全景相机展示了月壤（B）、石块的影像（C）和LMS反射光谱曲线（D）。（A）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（B）、（C）所示，（D）展示了经过辐射定标、热校正等预处理后的反射光谱曲线。

中国科学院国家空间科学中心太阳活动和空间天气重点实验室利用嫦娥五号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）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。


1μm和2μm的吸收特征的光谱参数图（图2A）显示，随着钙含量增加，辉石在1μm和2μm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）。


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。研究利用光谱斜率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（<100Ma）上有关。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。该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