形貌|通过一粒月壤“看清”月球上的风化作用

◎赵越采访人员陆成宽
经过成千上万年的风吹、日晒和雨淋，一块坚硬的岩石最终会风化成肥沃的土壤。风化作用虽然短时间内不易察觉，但却一直改变着地球上的地形地貌。
不仅地球，月球上的风化作用每天也都在上演。利用多种电镜技术，我国科研人员“看清”了嫦娥五号月球样品背后的太空风化作用机制。相关研究成果近日在线发表于《地球物理研究快报》。
“数十亿年来，月球表面遭受了强烈的太空风化作用，包括微陨石撞击、太阳风及银河宇宙射线的辐射。这些过程极大地改变了月球表面物质的形貌、结构和化学成分。 ”4月11日，中国科学院地质与地球物理研究所高级工程师谷立新告诉科技日报采访人员。
类似于地球上的土壤主要是岩石受到风化作用演变而来，月壤也是月岩经过长期的太空风化作用形成的。因此，通过研究月壤，可以深入理解撞击和太阳风辐射与月球表面物质的相互作用过程与机理，认识月球表面物质演化和空间环境变化过程。
然而， “由于月壤颗粒的尺寸微小且微观结构复杂，难以区分微陨石撞击和太阳风辐照的特征差异，目前科学家对太空风化作用机制的认识还不够清晰。 ”谷立新强调。
更重要的是，美国阿波罗计划、苏联月球号采集的样品都处于月球的低纬度范围，而嫦娥五号采样点位于中纬度。谷立新表示，嫦娥五号样品为月球不同纬度的空间风化研究提供了独特的视角。
为此，研究人员利用单颗粒样品操纵、扫描电镜形貌观察、聚焦离子束精细加工、透射电镜结构解析等一系列分析方法，获得了单个嫦娥五号月壤颗粒表面的硅酸盐、氧化物、磷酸盐和硫化物的太空风化作用信息。
“同一个月壤颗粒上的这些物质，受到太空辐照条件的影响是一致的，为我们进行对比研究提供了基础。 ”谷立新说。
研究结果显示，长时间暴露在外的月壤颗粒表面的矿物相都存在富含硅、氧元素的再沉积层，往下是太阳风辐照损伤层。但是， “太阳风辐照损伤层的结构和化学成分变化与基体矿物的种类有关。 ”谷立新强调。
结合单颗粒表面的硅酸盐、氧化物、磷酸盐等物质形貌及内部结构的分析，研究发现，月壤的太空风化作用主要是受到微陨石撞击、太阳风及宇宙射线的辐照等因素的共同作用。 “然而，这些作用的各自贡献则需要借助于精细的形貌和结构表征才能区分。 ”谷立新坦言。
通过与阿波罗样品的分析结果进行对比，研究人员发现，嫦娥五号月球样品和阿波罗样品的表层微观结构特征没有表现出较大的差异。 “这为月球中纬度的太空风化作用提供了更多的认识，也为月球遥感光谱校正模型在月球中纬度的适用性提供了支撑。 ”谷立新说。
但是，微观结构的相似性并不意味着月壤表面保存的太阳风注入水没有差异，关于太阳风注入水还需要进一步研究。
【形貌|通过一粒月壤“看清”月球上的风化作用】同时，谷立新表示，由于空间风化效应的多样性，在将月球的空间风化模型扩展到其他无大气行星时，还需要考虑行星物质组成和空间环境的复杂性。