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2020年12月,我国“嫦娥”五号成功从月球采集1.731 kg月壤样品,并顺利返回地球。这是我国首次地外天体采样返回任务,也是继1976年前苏联Luna 24任务后,时隔44年人类再次成功从月球采集并返回样品。到目前为止,国内多个研究团队对“嫦娥”五号样品开展了实验测量,对样品的物理特性、化学成分、矿物类型、岩石地球化学特征等方面有了基本了解。实验室同位素定年结果表明“嫦娥”五号玄武岩岩屑样品年龄为20亿年,是人类目前采集到的最年轻的月球样品。对“嫦娥”五号月球样品的研究,有助于了解月球热演化、近期火山活动、内太阳系撞击历史、年轻月壤的形成与演化过程等,也可以为行星地质学中传统的撞击坑定年方法提供关键锚点。

受撞击作用影响,月表物质(在地质时间尺度上)会发生迁移、翻转、混合等现象。一个基本问题是,“嫦娥”五号采集到的样品,是否能够代表采样区年轻玄武岩单元?现有研究测量的样品只是铲取样品中的一小部分,钻取样品和表面铲取样品是否存在显著差异,“嫦娥”五号样品中是否存在不同来源的月壤,对理解“嫦娥”五号样品至关重要,是亟待解决的关键问题。为全面了解“嫦娥”五号着陆区月壤来源、性质和演化,ob欧宝体育在线登录遥感与地理信息系统研究所法文哲研究员团队,与桂林理工大学谢明刚副教授、中科院空天信息研究院邸凯昌研究员、中科院地球化学研究所李阳研究员合作,利用多源遥感数据分析了“嫦娥”五号着陆区地质背景与月壤特性,进一步结合撞击溅射沉积过程模型,分析了“嫦娥”五号着陆区月壤源区与演化过程。

图1着陆区地质背景:(a)着陆区地质单元(P58)光学影像;(b)多波段伪彩色合成影像,红色表示钛含量低或玻璃含量高,绿色表示铁含量高,蓝色表示钛含量高;(c)着陆点局部光学影像。

研究团队首先利用可见光、多光谱、激光高度计、红外辐射计、微型合成孔径雷达等多源遥感数据对“嫦娥”五号着陆区的地质背景和月壤特性进行了系统性分析。结果表明,“嫦娥”五号着陆区位于一个平坦(<5°)、年轻(<2 Ga)、中钛(4.6 wt.%)玄武岩单元(P58;图1)。该玄武岩单元被几个更老、更低钛的玄武岩单元(P10、P40等)所包围,说明风暴洋北部历史上存在多期次的火山喷发活动。着陆区一些直径较大的撞击坑钛含量明显低于周围区域,说明这些撞击事件可能挖掘出了下伏低钛物质。对这些低钛撞击坑大小、空间分布的统计分析表明,P58单元中心玄武岩较厚(约50 m),边界处较。ㄔ15 m)。基于撞击坑形态学统计方法,着陆区月壤厚度估计为1.5–8 m,中值约5 m。针对Mini-RF雷达数据与Diviner热红外岩石丰度的对比分析表明,着陆区月壤中存在碎石,通过雷达散射模型进行定量估算,可得碎石丰度约为0.47–0.88%。进一步分析显示,在单次钻取过程中遇到石块阻挡的概率下限约为10–20%。该结果表明即使着陆区石块丰度较低,在钻取采样过程中,月壤层碎石的影响仍不可忽略。这也解释了为什么“嫦娥”5号实际钻孔深度为0.9 m,远小于设计值2 m。

图2 (a) P58单元内主要源撞击坑(红点)分布;(b) 1 km范围内撞击坑分布;(c)徐光启撞击坑光学影像;(d)徐光启撞击坑统计定年结果

进一步,该研究团队通过撞击坑溅射物沉积过程与厚度分布模型,结合光学遥感数据,对“嫦娥”五号着陆区月壤的来源与演化历史进行了全面分析(图2)。在全月尺度上,共识别出1896个对着陆区有显著影响的撞击坑:P58内共有1892个撞击坑可以将表面高钛与下伏低钛物质挖出并抛射到着陆点;P58单元外有4个主要源坑(Aristarchus、Copernicus、Harding、Sharp B),这些撞击坑会将P58单元外的低钛物质抛射到“嫦娥”五号着陆区,并挖掘出着陆区本地的高钛玄武岩物质。这些溅射物在着陆点经过后续微陨石撞击、太阳风照射等事件的改造混合,形成现在的月壤。模型结果表明,“嫦娥”五号着陆区80%的物质来源于1 km范围内的12个撞击坑的溅射,其中徐光启撞击坑溅射物厚度约0.3 m。研究团队进一步通过Maxwell Z模型计算得到了着陆点溅射物的抛射位置和深度,并发现这些溅射物的铁钛丰度随撞击坑直径和到着陆点距离的增加而降低,这一结果有助于利用FeO和TiO2丰度厘定单个碎屑样品的源区。最后,基于弹道沉积过程的Monte Carlo数值模拟,预测了“嫦娥”五号采样点化学成分随深度变化的剖面廓线(图3)。结果表明,月壤层铁钛丰度先随深度降低,TiO2丰度在距表面0.5 m处达到最小值,后随深度增加,在约2.5 m后保持不变。这些结果为理解“嫦娥”五号铲取样品和钻取样品的来源与性质提供了关键依据,可指导后续样品的实验室测量与分析。

图3溅射沉积物组成与混合:(a)源撞击坑溅射物贡献比例分布;(b)溅射物沉积序列模型所预测的钛丰度剖面

上述研究成果分别发表于行星科学国际主流期刊JGR-Planets(封面论文)和EPSL(图4),地空学院博士生贾博钧为两篇论文的第一作者,法文哲研究员为通讯作者,博士生刘晓峰、张洺玮,硕士生台钰山也参与了部分研究工作。中科院空天信息研究院邸凯昌研究员、桂林理工大学谢明刚副教授、中科院地球化学研究所李阳研究员,为本项目提供了着陆区高分辨率高程数据,对溅射物沉积模型给出了指导,并对样品源区分析给出了建议。本研究项目受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院先导专项等项目的资助。

图4 JGR-Planets封面论文和EPSL论文

相关论文:

Bojun Jia, Wenzhe Fa, Minggang Xie, Yushan Tai, & Xiaofeng Liu. (2021). Regolith properties in the Chang’E-5 landing region of the Moon: Results from multi-source remote sensing observations.Journal of Geophysical Research: Planets,126(7), e2021JE006934, doi: 10.1029/2021JE006934.

Bojun Jia, Wenzhe Fa, Mingwei Zhang, Kaichang Di, Minggang Xie, Yushan Tai, & Yang Li. (2022). On the provenance of the Chang’E-5 lunar samples.Earth and Planetary Science Letters, 596, doi: 10.1016/j.epsl.2022.117791.

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