南京大学学报(自然科学), 2021, 57(6): 934-943 doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2021.06.003

月壤的粒径和成分特征及其分类研究

杨瑞洪1, 谷渊涛,2,3, 耿焕4, 王倩1

1. 北京探月与航天工程中心,北京,100190

2. 河南工程学院环境与生物工程学院,郑州,451191

3. 南京大学地理与海洋科学学院,南京,210023

4. 南京大学地球科学与工程学院,南京,210023

The grain⁃size,composition characteristics and classification of lunar soil

Yang Ruihong1, Gu Yuantao,2,3, Geng Huan4, Wang Qian1

1. Lunar Exploration and Space Engineering Center, Beijing,100190, China

2. School of Environmental and Biological Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou,451191, China

3. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing,210023, China

4. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing,210023, China

通讯作者: E⁃mail:guyuantao@haue.edu.cn

收稿日期: 2021-10-11   网络出版日期: 2021-12-03

基金资助: 国家国防科技工业局民用航天技术预先研究项目.  D020206
江苏省博士后科研资助计划.  2021K049A

Received: 2021-10-11   Online: 2021-12-03

摘要

月壤处于固体月球与太阳系物质和能量之间的边界层,对认识月球及其空间环境有重要作用.自Apollo计划返回月球样品以来,由于月壤成因复杂、组分多样,文献中对月壤进行了不同的分类以进行不同内容的研究.与岩石不同,月壤的分类十分复杂,并且经常混用.我国嫦娥5号月壤样品的返回使得有必要对已有的月壤样品分类及其相关研究进行总结讨论.基于对文献中关于月壤分类方案的总结,从粒径和成分(颗粒)特征两方面论述了相关的研究方向和成果,并简述了一些新的分类方法及应用,以期为月壤样品的精细化分类研究提供科学依据.

关键词: 月壤 ; 粒径 ; 成分 ; 分类研究

Abstract

The soils on the lunar surface represent the boundary between the solid Moon and the solar system,which play an important role in understanding the Moon and its surrounding space environment. Since the return of lunar samples during Apollo era,lunar soils with complicated origins and diversified components have been classified to facilitate research with different aims. It becomes necessary to carry out such a review with the return of CE⁃5 lunar soils. By summarizing classification schemes of lunar soils in the literature,this paper discusses the relevant research directions and achievements using two different classifications: particle size and component (grain). New classification methods and applications have also been briefly discussed. This review may shed light on the future research of lunar soil samples.

Keywords: lunar soils ; particle size ; component ; classification research

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杨瑞洪, 谷渊涛, 耿焕, 王倩. 月壤的粒径和成分特征及其分类研究. 南京大学学报(自然科学)[J], 2021, 57(6): 934-943 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2021.06.003

Yang Ruihong, Gu Yuantao, Geng Huan, Wang Qian. The grain⁃size,composition characteristics and classification of lunar soil. Journal of nanjing University[J], 2021, 57(6): 934-943 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2021.06.003

月球的矿物组成、化学成分和年龄等数据直接限定了月球的形成和演化模型,而这些数据都是依据月球样品获得的.目前可供研究的月球样品主要有返回样品和月球陨石,其中返回样品包括月球岩石和月壤(Lunar Soil).月壤作为固体月球与太阳系物质和能量之间的边界,与岩石相比,遭受了外部高能粒子射线和陨石的强烈改造1,因此其物质来源比较复杂.所有的月壤均含有长石质高地物质、KREEP成分以及月海玄武岩岩屑1.月壤中存在大量源于太阳风和宇宙射线的挥发分(如氢、碳、氮及稀有气体等),因此其组成不同于岩石的挥发分丰度及同位素特征2-8.所有九次月球采样计划中,直径大于1 cm的岩石样品占样品总质量的~70%,其余均为月壤1.月球岩石的分类相对较明确,基本可分为三大类,即月海玄武岩、高地岩石和角砾岩,每一类岩石根据成分差异又可细分为几个亚类1.依据月壤采集的位置可将其分为高地月壤(Highland Soil)和月海月壤(Mare Soil),与月球岩石分类较为固定不同,月壤的分类更为复杂,主要依据月壤颗粒粒径和成分特征进行详细分类9-15.

随着嫦娥5号月壤样品的返回,有必要总结文献中关于月壤的分类及相关研究,以便更好地对嫦娥5号月壤样品进行精细化分类和研究.本文总结了目前已有月壤样品的粒径、成分(颗粒)特征,简述了相关的分类方法,并探讨了月壤分类研究的必要性和意义,总结了不同分类下的重点研究方向,为嫦娥5号月壤样品的粒径、成分研究及后续的地外样品分类提供一些参考依据.

1 粒径特征

月球样品初步检测小组(LSPET)最早将Apollo 11号返回的月球样品分为四类:A类(含气孔细粒晶体火成岩)、B类(中粒晶体火成岩)、C类(角砾岩)和D类(细粒物质,粒径小于1 cm),并对细粒物质(D类)进行了粒度分析和成分分析9.一般将粒径小于1 cm的细粒物质称为月壤,利用10,4,2,1 mm的孔径过筛,根据粒级再对月壤样品颗粒进行细分.目前多数研究以1和4 mm为界将月壤划分为细粒级和粗细粒级1.对于不同粒径的颗粒特征进行研究时,则会对月壤颗粒进行更进一步的粒径划分.以粒径500,250,150,90,75,60,45,30,20 μm为界,将粒径小于1 mm的月壤样品颗粒进一步细分,发现不同粒径的月壤颗粒成熟度有差异,颗粒的成熟度随其粒径减小有增加趋势10,因此太空风化对不同粒径的颗粒可能产生不同的效应.此外,在研究月壤差异时,所选取的颗粒粒径也不同.月壤成分的研究主要是以小于1 mm的细粒级样品为基础,大部分的岩石学数据来自90~100 μm的月壤颗粒16-17.由此可见,月壤粒径是一个重要属性,依据粒径特征进行相关研究对揭示月球物质成分特征及月壤演化有重要意义.

月壤的化学成分分析表明不同粒级的月壤,其成分有一定差异.细粒级月壤与粗细粒级月壤和全月壤相比,富与斜长石相关的元素(铝、钠)和与晚期结晶矿物相关的元素(不相容元素),而亏损与铁镁质矿物相关的元素(如铁、镁、钛、钪、钒、铬等),这种效应在粒径小于45 μm的月壤中非常明显121518-21.月壤随着颗粒粒径减小,铝和钠含量明显增加,而铁和镁含量呈下降趋势(图11520-21.但是,不同粒径范围内的相关性趋势有明显差异:粒径在45~20 μm,20~10 μm,<10 μm范围内的相关性比粒径>90 μm,90~20 μm,20~10 μm,<10 μm范围内的更加一致(图1).因此,月壤的不同粒径特征对月壤化学成分有巨大影响.这种效应主要是由空间风化作用(如太阳风注入和微陨石撞击引起的蒸发作用等)、混合作用(粒度不同、成分显著差异的物质混合作用)、矿物属性差异(撞击过程中斜长石比辉石更容易破碎)以及熔结碎屑分馏作用(碎屑熔融过程发生了成分分异)造成的119.

图1

图1   月壤中铁、铝、镁和钠的含量和粒径的相关性

(a,b)为四个粒径范围,即>90 μm,90~20 μm,20~10 μm,<10 μm;(c,d)为三个粒径范围,即45~20 μm,20~10 μm,<10 μm;不同颜色表示不同的样品系列(粒径和成分数据源于参考文献[1520-21])

Fig.1   The relationship between chemical composition (Fe,Al,Mg and Na) with and particle size of lunar soils


研究显示月壤的成熟度(Is/FeO)和粒径相关,其随颗粒粒径减小呈现变大的趋势.除高能粒子注入外,月壤的太空风化主要是由微陨石撞击作用引发的.微陨石对月壤的改造主要有两个方面:粉碎作用和熔结作用,但这两种作用分别使月壤粒径减小和增大1.因此,月壤有两种可能的演化路径:(1)微陨石撞击引起的粉碎作用使得月表物质粒径减小,当月壤成熟并形成更细粒物质时,熔结作用又使得月壤颗粒粒径变大,即“改造压倒混合(Reworking Dominates Mixing)”;(2)大型撞击导致的岩石碎屑与月壤、或不成熟月壤与成熟月壤的混合过程,即“混合压倒改造(Mixing Dominates Reworking)”22.如果月表物质的熔结速率等于粉碎速率,则月壤颗粒的粒径可达到一个稳定状态.但是,偶发性的撞击作用使得月壤的垂向层序并不连续,不过成熟度随深度增加依然呈现出减小的趋势1.月壤成熟度的一个重要指标是月壤中普遍存在的纳米相铁(npFe).纳米相铁主要存在于熔结玻璃(Agglutinitic Glass)和颗粒表面的无定形环带中23-26,其中的铁同位素高度分异,δ56Fe可达0.71‰(富集重同位素),证实了npFe起源于太阳风粒子溅射/微陨石撞击产生的蒸汽沉积过程而非太阳风粒子注入氢导致的还原作用27-29.月壤颗粒表面由蒸汽沉积形成的npFe的浓度随着颗粒粒径减小(比表面积增大)而增加,并导致铁磁共振(Ferromagnetic Resonance,FMR)值的显著变大,从而引起成熟度指标Is/FeO的提高14-15.对于粒级越小的月壤颗粒,其表面的npFe对FMR的贡献就可能越大,当粒径小于10 μm时,其贡献就可能高于熔结玻璃中npFe对FMR的贡献15.月壤的成分以及成熟度和颗粒粒径的相关性十分明显.因此,根据月壤粒径进行研究时应注意月球不同区域的月壤可能存在的差异.月球高地月壤和月海月壤的粒径特征既存在相同点也存在一定的差异.月壤颗粒粒径减小时,高地和月海月壤均更富集斜长质成分,但月壤中的熔结玻璃则表现出不同的变化趋势,即月海月壤中的熔结玻璃更富集斜长石,而高地月壤中的熔结玻璃则更富集镁铁质成分14.嫦娥5号月壤取自风暴洋KREEP区,其月壤颗粒粒径的相关性可能与玄武岩区月壤比较类似,在进行粒径划分时应注意与Apollo和Luna样品的对比.

2 成分(颗粒)特征

月壤的化学成分数据主要来自月壤的全岩分析,而月壤的全岩分析比玄武岩、斜长岩等原生岩石更能代表其形成区的月表平均成分.月壤组成复杂,绝大部分月壤含有高地斜长岩、克里普岩以及月海玄武岩等岩石成分1.除了细粒级物质以外,月壤中也含有一些粗颗粒组分,这些颗粒的研究主要集中在矿物学和岩石学分析.通过岩矿分析返回月壤中的2~4 mm颗粒,表明这些颗粒可被分为撞击熔融角砾、碎片微角砾、风化角砾,以及火成岩碎屑和单矿物碎屑颗粒30.岩矿分析数据显示Apollo 14月壤中的4~10 mm颗粒包括浅色基质角砾、暗色基质角砾、玻璃基质角砾、土壤角砾、细粒玄武岩岩屑、粗粒玄武岩岩屑及亚铁斜长岩岩屑等31.为更加准确深入地研究月壤的物质特征及其对月球演化研究的意义,需要鉴定月壤中的不同颗粒类型并进行相应研究.这些颗粒主要包括玻璃和岩屑,因此既存在成分差异,也有结晶程度差异.本文主要结合成因及成分特征对月壤中的这两类颗粒物质进行分类讨论.

2.1 玻 璃 月壤中的玻璃根据其成因可分为两类:火山玻璃和熔结玻璃.月球表面经历了大量的陨石撞击作用,这些撞击作用熔融了月壤颗粒形成玻璃质颗粒,这些玻璃质成分含量可以很高,可高达60%以上1032.撞击熔结玻璃主要以黏结物(Agglutinate)形式出现,也有玻璃珠形式存在,是由陨石撞击导致细粒月壤熔融所形成.此外,火山作用也能形成玻璃珠,主要是火泉喷发(Fire Fountain Eruption)33.火山玻璃主要由岩浆喷发形成,当岩浆到达月表时,上升岩浆中含有的气体(如CO)会被爆发式地释放,气体的大量释放会将熔融微滴以火泉的形式喷射出来,经过快速冷凝形成成分不同、颜色多样的玻璃珠34-36.因此,月壤中也含有少量的源于火山喷发形成的玻璃珠,其对于研究月球早期岩浆过程有重要作用.

月壤中的火山玻璃珠的平均直径一般小于0.1 mm,玻璃珠在熔融状态时发生的相互撞击作用可能导致部分玻璃珠发生胶结37.根据颜色差异,这些源于月幔部分熔融产生的熔体的玻璃珠可分为绿色、橙色、黄色、黑色及红色玻璃珠34.不同颜色玻璃珠的成分有明显差异,绿色玻璃珠的TiO2含量最低(一般低于1%),而Ni含量最高(90~188(×10-6));黄色玻璃珠的TiO2含量稍高(3%~7%),Ni含量较低(55~85(×10-6));橘色玻璃珠TiO2含量高达9%~12%,Ni含量可降至30×10-6;黑色玻璃珠的TiO2含量最高,高于14%,Ni含量则低于22×10-6[34.这种成分差异说明形成这些玻璃珠的熔体可能来自不同深度的月幔源区.火山玻璃的分类也可以按照月海玄武岩的分类方案进行,即首先依据TiO2含量分类,再依据Al和K的含量进行次一级的细分.文献中已有较为详细的月海玄武岩类型综述138-39,这里不再介绍.

月壤中的火山玻璃珠比月海玄武岩含有更多的挥发分,如CO2,H2O,F,S,Cl等.多数火山玻璃珠内含有低于50×10-6的水(图2a),且玻璃珠核部到边缘的挥发分含量急剧下降,表明这些挥发分并不是实验室污染,而是来自月球内部,玻璃珠的挥发分含量的不均一性说明挥发分受到了岩浆喷发过程中的减压导致的扩散去气作用影响40.根据扩散去气模型反演可得到岩浆的初始H2O含量,可达745×10-6[40.此外,玻璃珠内的挥发分由于被封闭在玻璃珠内部,其同位素特征不会被月表风化过程改变41,因此,玻璃珠内的挥发分意味着初始岩浆有可能是富含水的,其同位素特征对于探索月球岩浆洋的结晶分异过程有重要意义.Apollo 15 和17返回的月壤玻璃珠的硫同位素数据揭示了月球岩浆洋的同位素特征很可能被多个岩浆过程改变了,包括月球核幔的分离和岩浆洋的结晶分异及岩浆去气作用等41.火山玻璃在探讨月球早期岩浆演化过程方面具有独特的,但与月海玄武岩同样重要的价值.

图2

图2   火山玻璃和熔结玻璃中的水含量对比

火山玻璃和熔结玻璃的水含量数据源于文献[44042].

Fig.2   Comparison of water contents between volcanic glasses and agglutinate glasses


月壤中的撞击熔结玻璃通常富含气泡和纳米至微米级的金属铁单质4.气泡是细粒级月壤颗粒被瞬时加热到熔融时,由太阳风粒子注入的气体发生释放而形成,金属铁就是npFe,主要是原月壤颗粒受撞击加热后蒸发,蒸汽冷凝沉积形成1.月壤中熔结玻璃的含量远高于火山玻璃,并且随着颗粒粒径的减小,熔结玻璃的含量逐渐增大15.出现这种现象的原因是在微陨石的撞击过程中,越细粒的物质会优先发生熔融43.撞击作用可以对月壤产生显著的改造效应,因此不同粒级的月壤成分差异可能和熔结玻璃的成分直接相关15.目前对熔结玻璃尚无明确的分类,主要可能是因为熔结玻璃的成分与它们借以生成的月壤难以区分,因此后续研究可能需更加关注熔结玻璃与原月壤的成分差异.值得注意的是,熔结玻璃中也含有大量的挥发分(图2b),但这些挥发分与火山玻璃中的挥发分来源不同,它们可能大部分源于月球外部,即太阳风、宇宙射线以及陨石和彗星.Apollo计划返回的月壤样品中的多数熔结玻璃含有200~300(×10-6)的H2O,远高于火山玻璃珠中的H2O含量(图2).氢同位素组成(δDSMOW<-550‰)表明熔结玻璃中大部分的氢来自太阳风粒子注入,少量的氢在宇宙射线高能粒子的核反应过程中产生,还有一少部分可能来自彗星或陨石4.除氢以外,熔结玻璃中也含有部分来自太阳风的碳、氮组分以及稀有气体(He,Ne,Ar等)2644-46.这些研究表明月壤中熔结玻璃对于研究月球表面环境(如太阳风、宇宙射线及陨石等)对月壤的改造效应有重要的指示作用.

2.2 岩 屑 除熔结玻璃和火山玻璃外,月壤中也含有不同成分的微米至毫米级岩石碎屑,即岩屑.Apollo和Luna计划返回样以及月球陨石中含有众多撞击角砾岩,这些撞击角砾岩也含有大量不同成分的岩屑,这些岩屑可能主要来自月壤.因此,本文将返回月壤中的岩屑和角砾岩中的岩屑均归为月壤物质,并以成分为依据分别论述各类岩屑的研究现状.Apollo计划返回的样品中有一部分是角砾岩,其中既含有基质也含有岩屑,可以根据结晶程度和成分特征对岩屑进行更细的划分.角砾岩66055被分为四种岩屑类型:部分熔融角砾岩屑、非重结晶角砾岩屑、斜长⁃苏长⁃橄长(ANT)岩屑和棕色玻璃基质岩屑,其所包含的矿物类型和结晶程度均不同,因此该角砾岩被认为可能经历了复杂的热变质历史11.岩屑的分类主要根据成分进行划分.月表主要由玄武岩和斜长岩两大类岩石组成,因此月壤中的岩屑也主要有两类:玄武质岩屑和斜长质岩屑.

Apollo和Luna计划返回样品中的月海玄武岩及破碎和固结的玄武质角砾岩,提供了月球岩浆形成和演化理论的主要证据1,但月壤或角砾岩中玄武质岩屑对探索月球岩浆的多样性同样具有重要意义.Apollo 11返回月壤中岩屑的初步研究表明其中一小部分是斜长岩岩屑,正是因为对这些岩屑的研究直接形成了月球演化过程中最重要的一种理论—月球岩浆洋模型47-48.角砾岩60019中含有一个2.5 mm×5 mm大小的玄武岩岩屑,主要矿物成分为斜长石、高钙辉石、钛铁矿、SiO2以及胶结物,成分上与高铝中钛玄武岩类似,没有发现橄榄石,且辉石类型与高地物质相似,结合该角砾岩可能只有极少量的玄武岩岩屑,猜测其原岩可能是高地斜长岩,在后期被岩浆作用和撞击作用改造形成49.月球高地角砾岩15295中的玄武质岩屑的研究表明其化学成分与极低钛玄武岩类似,但缺少富铁辉石,且颗粒更大,认为其可能是苦橄质熔岩结晶形成50.Apollo 12返回的月壤中玄武岩岩屑的主量元素数据显示,依据玄武岩的化学成分划分方案,这些玄武岩岩屑多数属于低钾低钛类型(图3).但是,玄武质岩屑可能与玄武岩有一定差异,并且可能来自更大的一个采样范围,因此有利于研究形成岩屑的母熔岩流和源区的信息,以及探索这些岩屑所在月壤或角砾岩的形成过程.通过对Apollo 12月壤中玄武岩岩屑进行岩石学和地球化学分析,发现各岩屑之间存在明显的矿物组成和化学成分差异,并据此划分出了多种玄武岩岩屑类型,包括橄榄石玄武岩、钛铁矿玄武岩、易变辉石玄武岩以及长石玄武岩岩屑等51-52.这种多样性并非撞击混合过程带入的外来物质所形成,而是由于该区域存在多种玄武岩熔岩流(至少四种,可能多达六种)51-53.因此,这些月壤中的岩屑样品更能代表采样地区的地质演化过程,实际上也提供了一个更好的更现实的月表采样方法.

图3

图3   Apollo 12着陆点玄武岩岩屑的钾含量和Fe/Ti的相关性

数据源于文献[51-53].

Fig.3   Correlation of K contents and Fe/Ti ratios in the basalt clasts of Apollo 12 soils


斜长质月壳覆盖了月球表面60%以上的区域,具有古老的年龄、较均一的长石质组分1,其岩石学成因问题一直是月球起源与演化研究的关注点.由于Apollo返回样品中的多数岩石为月海玄武岩,可供研究的月球长石质岩石基本来自月球角砾岩和月壤中的小碎屑(mm级至cm级).这也导致长石质岩屑在研究月球早期岩浆洋演化及斜长质月壳成因方面具有不可替代的作用.长石质岩屑在月球角砾岩和月壤中分布十分广泛,一般主要由斜长石和少量辉石、橄榄石、钛铁矿等组成,可代替斜长岩进行斜长质月壳的年龄、起源、演化、结构和撞击史研究47-4854-57.斜长质月壳保存了月球上最古老样品的年龄信息,角砾岩67016中斜长岩岩屑的Sm⁃Nd年龄(4.56 Ga)证实了月球岩浆洋演化早期的快速冷却过程58.角砾岩60016中斜长岩岩屑的同位素年代学及结构特征研究表明该岩屑形成于43亿年前的月壳深处,并在一次大型撞击事件中被挖掘出来,证实了大型撞击作用在月球历史早期已经发生159.利用斜长岩的分类方案可以对长石质岩屑进行详细分类,也即是利用岩屑中镁铁质矿物(辉石和橄榄石)的Mg#对斜长石的An值的图解将其划分为亚铁斜长岩、镁质斜长岩、铁质斜长岩及钠质斜长岩等(图4).依据矿物组成差异可将高地岩石岩屑划分为橄长质岩屑、苏长质岩屑等1360-61.长石质岩屑成分的差异性可能是一个大型的、共同的母岩浆(岩浆洋)在斜长岩结晶过程中或结晶后产生的相对局部效应.斜长岩结晶后的陨石撞击作用及岩浆作用均可造成斜长岩矿物组成的变化60-61.综合月球角砾陨石中斜长质岩屑和返回样品中的高地岩石的地球化学数据显示岩浆洋中结晶形成的斜长质月壳经历了月幔熔体和KREEP的交代作用,而一些月壳由于高温甚至发生了重熔作用形成了镁质岩套57.

图4

图4   亚铁斜长岩的亚类划分

实线区域为亚铁斜长岩组成范围,黄色虚线为典型的亚铁斜长岩,紫色虚线为镁质亚组,红色虚线为铁质亚组,绿色虚线为钠质亚组.(数据均源于文献[1360])

Fig.4   Subgroups of ferroan anorthosite suites


月壤也含有矿物碎屑、陨石碎屑、撞击成因的熔体碎屑及少量的花岗质岩屑(可能源于月球深部岩浆侵入)1762-66.矿物碎屑可依据月球主要矿物进行分类,即硅酸盐矿物(斜长石、橄榄石、辉石)及氧化物矿物(钛铁矿、尖晶石等).斜长石和辉石是月球原岩中含量最高的矿物,因此也是月壤中最常见的矿物碎屑116-1767.矿物碎屑的物理化学特征往往记录着其赋存岩石或母体月壤的形成条件和演化历史.斜长石中常见的冲击片晶可能是由陨石撞击引发的冲击波造成68-69.月壤中残存的陨石碎屑可为月表经历的撞击作用及撞击体来源提供直接依据.月壤12037中的碳质球粒陨石与Apollo 16角砾岩中的镁质球粒陨石成分差异明显,意味着这些碎屑来自不同的陨石源区65.花岗岩岩屑一般认为是在月球深部形成,但不含云母或角闪石等含水矿物,可用于研究月球深部岩浆作用162.由此可见,除细粒物质外,月壤中的成分(颗粒)因成因不同,其研究意义有明显差异.因此,月壤的研究有必要对月壤成分(颗粒)类型进行准确鉴定,并根据其成因进行相应的专项研究.

3 分类方法

月壤的两种分类是主要依赖于粒径筛分、显微观察及成分分析的方法进行的初步分类,这些方法对于进行后续更详细的分类有明显不足.显微计数方法16-17可以用来确定月壤颗粒的类型,但是这个方法不仅耗时耗力,且只能对月壤碎屑进行初步分类,如玄武岩碎屑、长石碎屑及熔结碎屑等.这种方法既不能确定月壤颗粒的真实体积百分比,也不能给出组成月壤颗粒的各相(如矿物和玻璃)的真实模式值70.为更加有效地进行月壤类型研究,一些新的分类方法开始应用于月壤分类,主要可分为两类:光谱学方法和模拟方法.

光谱学方法自Apollo时代以来已经广泛应用于月球表面的遥感探测,月表的矿物组成可利用反射光谱(可见光、紫外和红外)进行分析71-73,而月表的元素特征则主要利用中子、X射线或

γ射线的通量与能量的变化来测定74-75.利用光谱学方法进行月壤研究可更好地了解月壤的形成过程.X射线数字成像技术可判断月壤中的不同相类型(如矿物和玻璃),包括岩屑中的矿物也可以进行测定,从而可以获取准确的月壤成分(颗粒)模式含量70.月壤的不同成分(颗粒)颗粒类型的含量与成熟度的关系显示,随着月壤成熟度的增加,其黏结物增加,矿物颗粒减少,这也表明了月壤的演化路径3270.利用不同矿物的典型拉曼光谱特征也可对月壤进行成分分析,通过拉曼峰位移计算辉石的Mg/(Mg+Fe+Ca)和Ca/(Mg+Fe+Ca)以及橄榄石的Mg/(Mg+Fe)(均为摩尔比),从而得到了这两种矿物在月壤中的分布,并根据长石拉曼光谱的识别将长石进行了分类,依此可追踪这些月壤的主要物质来源76.此外,基于月壤光谱分析的偏振参数和机器学习技术可对月壤进行分类77-79.

月壤在本质上是具有离散特性的颗粒材料,因此,利用离散元法(Discrete Element Method,DEM)可对月壤颗粒进行分类,该方法主要通过模拟月壤颗粒形状和粒径分布特征来进行分类80-81.在模拟颗粒形状时可首先利用X射线计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)获取月壤样品的三维特征并识别颗粒,并采用集群球方法对获得的颗粒形状进行建模8082.根据颗粒的三维形态和颗粒内的孔洞裂隙,月壤60501中的颗粒被分为四类:黏结物、A型角砾、B型角砾和斜长岩82.利用DEM模拟也可以评价不同颗粒组分对月壤力学性质的影响,黏结物含量的增高可增强月壤的抗剪性81-82.

4 总 结

目前月壤的多数研究依然按照粒径和成分(颗粒)特征来进行分类,不同粒级或不同成分的月壤颗粒的物理化学性质存在明显差异.对不同方法分类的月壤颗粒的研究表明不同分类依据对于月球演化研究有不同的作用.以粒径为依据对月壤进行分类研究有助于探索月壤的空间风化过程,可为月表的遥感探测结果提供数据解释.可见光和红外遥感对颗粒粒径及矿物成分十分敏感1,结合不同粒级的成分差异及月表风化层的粒径变化特征可对月球遥感数据进行解释,以提供更准确的月表成分信息.以成分(颗粒)为依据的分类研究不仅可用于探索月壤不同成分的来源及月球内部物质成分特征,也可揭示外部因素对月壤的改造效应.玄武质、斜长质岩屑和火山玻璃可用于揭示月球早期岩浆过程,而熔结玻璃可用于探索太阳风来源的挥发性元素的加入以及微陨石的撞击改造效应71483.随着月壤研究的不断深入,上述分类依据应与新的分类方法相结合,探索各种分类方法的合理性,以高效准确地进行月壤的科学研究.

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