月壤样品

如何尽可能降低损耗，测试嫦娥五号月壤样品的粒度和矿物组成？7月4日，记者从中国地质大学（武汉）获悉，该校佘振兵、汪在聪教授科研团队在月壤研究中取得了新进展：该团队开发了一种样品消耗极低的新技术，可同时测定月壤的粒度和矿物组成，对于解释月球深空探测轨道遥感光谱数据、理解月球岩浆活动和空间风化过程具有重要意义。《中国科学：地球科学》杂志中英文版同时在线发表该研究成果，第一作者为该校地球科学学院博士生曹克楠，佘振兵教授为通讯作者，汪在聪教授等为合作作者。去年7月，该校地球科学学院教授汪在聪领衔的团队申请到嫦娥五号首批月球样品，共200毫克。汪在聪介绍，“这批样品非常珍贵，我们获取的样品极为有限，可允许的损耗量仅为50毫克，要出更多研究成果，需要我们尽可能降低损耗。”自1970年代以来, 科学家开始使用各种手段来研究月壤样品，但前人所采用的方法通常需要消耗较多样品，并且难以同时获得矿物组成和粒度、形貌等多方面的信息。该研究团队基于拉曼光谱微颗粒分析技术，开发了以极低的样品损耗量，同时测定颗粒样品粒度和矿物组成的新方法，并成功运用到嫦娥五号月壤样品的研究，这一研究技术在月壤研究中的应用在世界上尚属首次，以往的技术通常只能开展粒度或矿物组成其中一项研究。该研究每次仅需约30微克样品，在获取多维度信息的同时，将样品损耗降到最低，并且样品制备简单，极大地降低了该流程可能带来的样品污染问题。另外，该方法可在短时间内快速建立一个矿物粒度和组成的多元化信息数据库，有助于发现稀有矿物相。该方法的进一步发展，将为未来火星和小行星等其他天体返回的微颗粒样品，进行快速分析提供关键技术支撑。该研究发现嫦娥五号月壤样品平均粒度为3.5微米，且呈单峰式分布，表明其具有较高成熟度，即受到的太空风化强烈。“矿物粒度是指颗粒的直径，最细的面粉平均粒度超过100微米，嫦娥五号月壤样品比面粉还细几十倍”，汪在聪表示，月壤粒度的测定对于研究太空风化过程具有重要作用。此外，研究团队还建成了一个月壤矿物的光谱数据库，并用它所分析的颗粒进行自动识别，获得每一种矿物相的粒度和体积等信息，计算得出不同粒径下矿物的模式丰度。研究人员发现在1-45微米粒度范围内的矿物组成为：辉石、斜长石、橄榄石、铁钛氧化物、玻璃等。该研究还识别出月壤中的一些微量矿物相，例如磷灰石、石英、方石英和斜方辉石等，其中斜方辉石的发现为首次报道，这表明嫦娥五号月壤中可能含有极少量的月球高地物质。上述成果为解译嫦娥五号着陆区的风暴洋北部地区光谱遥感数据，提供了地面实况信息，并为理解该区域深部和表面演化历史提供了新视角。该研究使用的样品由中国国家航天局提供，分析测试由地大生物地质与环境地质国家重点实验室完成，研究得到了国家航天局民用航天技术预研究项目、国家自然科学基金和生物地质与环境地质国家重点实验室的支持。

嫦娥五号任务成功从月球正面返回了1.73 kg表面与钻取样品，其采样区域比以往的Apollo及Luna任务的采样区域都要年轻。目前已经报道的样品分析结果表明，着陆区的物质组成是比较复杂的，因此对大尺度遥感探测数据的解译要格外慎重。准确的物质组成信息对行星地质演化历史的解译十分关键，而遥测光谱技术是目前获取这些信息最有效的手段之一。可见-近红外或中红外波段的一些独特的吸收特征可以用来识别行星表面矿物组成。其中可见-近红外光谱的吸收特征主要是由矿物中过渡性金属离子（Fe2+）如外层电子跃迁产生，而中红外光谱中的吸收则主要是由矿物晶体晶格振动（如硅酸盐矿物中Si-O的伸缩振动等）产生。在中红外谱段，光谱特征更为丰富，可以对可见-近红外光谱无法区分的物质类型进行有效判别。由于月球等地外样品比较珍贵，以往的行星光谱学研究大多是基于地球矿物或模拟物开展的，科学家通过在地面实验室开展控制性实验测量，分析不同类型物质的光谱特征变化规律，然后应用到行星遥测数据的反演分析中。地球上的模拟物虽然丰富，但是真实月壤的很多性质依然无法完美复制。尤其是发生于月表的太空风化作用，会对月表物质的光学特性产生显著影响。嫦娥五号采样任务的成功为利用真实月壤样品开展光谱分析提供了重要机遇。中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室副研究员杨亚洲、研究员刘洋等从嫦娥五号返回的表层月壤样品中挑选出了一些粒径在200-500 μm之间的颗粒，其中包含了典型的月球矿物（橄榄石、辉石、斜长石）与玻璃球粒等（图1），并利用显微FTIR光谱仪测量了这些颗粒的中红外反射光谱。在中红外光谱中，Christiansen特征（CF）、剩余射线带（RB）、透明特征（TF）是硅酸盐矿物中最为显著的几个特征，借助这些特征可以对矿物的类型及具体成分进行判别。在反射光谱中，CF表现为反射率的最小值，硅酸盐矿物的主CF通常出现在7.5-9.0 μm波段范围内，主要与晶体中Si-O伸缩振动有关。月球主要矿物中，斜长石的CF峰位一般在波长较短位置（~8 μm），而橄榄石的CF峰位则出现在波长较长位置（~9 μm），辉石的CF峰位则在前两者之间。基于CF峰位与RB特征，以及显微镜下的矿物形貌特征，研究人员对挑选出的月壤颗粒类型进行初步判别（图2），然后对不同矿物与玻璃端元的显微红外光谱特征进行对比分析。图1（a）立体显微镜下月壤颗粒影像；（b）显微红外光谱仪获取的影像拼接图；（c）典型月壤矿物与玻璃颗粒影像放大图。图2 所测颗粒样品的CF峰位分布图通过与Apollo返样及月球陨石中不同矿物及玻璃端元的红外光谱进行对比（图3a），研究人员发现与常规FTIR测量相比，利用显微FTIR技术测量的红外反射光谱中没有透明特征（TF）。这主要是因为显微FTIR通常测的是单个颗粒，所测反射信号中没有颗粒之间的多重散射的贡献。但是CF峰位等特征不会受到这两种不同测量技术的影响。对于用常规FTIR方式测量的粉末样品光谱，其近红外波段的反射率通常要比中红外波段高很多，但是随着样品尺寸的增加，两个谱段之间的差异逐渐变小（图3a）。除了颗粒尺寸外，太空风化作用也会降低近红外与中红外谱段的光谱对比度，因为风化作用会使近红外谱段的反射率显著降低，但是对中红外谱段的影响很有限，这主要是因为两个谱段的光谱吸收特征的产生机制完全不同。月表的太空风化作用机制主要有太阳风注入与微陨石撞击等，在人们以往的研究中曾利用脉冲激光照射的方式来模拟微陨石撞击过程，以制备具有不同风化程度的模拟样品。通过对比嫦娥五号橄榄石颗粒与经过不同程度脉冲激光照射的地球橄榄石样品的光谱（图3b），可以看到，随着风化程度的增加，橄榄石近红外波段与中红外波段的反射率差异逐渐减小。在后续研究中，若能对更多具有不同风化程度的月壤矿物颗粒样品进行显微红外光谱分析，则有可能构建一个近红外-中红外光谱对比度与风化成熟度的关系模型，从而应用到更多样品的分析上。橄榄石是岩浆冷却过程中结晶最早的矿物之一，其晶体中Mg与Fe的相对含量（Fo，镁值）对于指示原始岩浆的成分具有重要意义。橄榄石RB特征中的几个反射峰的峰位会随着镁值的变化而发生系统的偏移。基于嫦娥五号橄榄石显微光谱中的RB峰位，研究人员反演得到了这些橄榄石的镁值，结果与先前报道的实验室测量结果相一致（图3d），表明该方法虽然是基于常规FTIR测量的红外光谱建立的，但是在显微红外光谱分析中也是可行的。除了矿物颗粒外，月壤中通常还含有丰富的玻璃质物质，这些玻璃物质主要有撞击与火山活动两种成因。该研究分析结果表明，这些玻璃大多属于月海撞击成因玻璃，但有少数可能具备火山成因。图3 （a）CE-5橄榄石颗粒显微红外光谱与Apollo返样中橄榄石粉末样品红外光谱对比图；（b）CE-5橄榄石颗粒与经过不同脉冲激光照射的地球橄榄石样品的光谱对比；（c）利用5.6-μm与6.0-μm波段峰位反演的橄榄石样品Fo值结果；（d）利用RB波段发峰位反演橄榄石Fo值结果。在行星光谱学研究中一直存在一个难题，就是实验室测量的光谱与遥测光谱之间往往存在较大差异，因为即使有了月壤样品，在实验室内也无法完全复制月表原始的堆积状态。因此实验室测量光谱往往无法直接应用于遥测数据的解译上，尤其是显微光谱分析结果。而通过反演光学常数（或折射率）的方式，可以将实验室测量结果与遥测分析很好的衔接起来。光学常数是光谱模型的重要输入量，有了不同矿物端元的光学常数，再结合给定的颗粒尺寸、孔隙度及各端元的含量等参数，就可以生成模型光谱。利用该模型对实际遥测月表光谱进行拟合，就可以实现对观测区域矿物组成的定量反演。目前的光学常数库中，基于真实地外样品的光学常数还比较匮乏。虽然地球上的矿物种类非常丰富，但是与地外样品相比，即使是同种类的矿物，其在具体成分上也存在一定差别。比如地球上的橄榄石大多Mg含量比较高，而月球上的橄榄石通常Mg含量比较低。因此，尽可能的扩充基于真实地外样品分析得到的光学常数库是很有必要的。该研究中，研究人员基于显微红外反射光谱，对挑选出的一些典型橄榄石、斜长石、辉石及玻璃端元的光学常数进行了反演（图4），这些结果将对现有的或将来的月球及其他小行星的光谱分析产生很大帮助。图4 基于反射光谱反演得到的典型矿物与玻璃端元的光学常数论文链接：https://doi.org/10.1029/2022JE007453

编辑| Rita润色| 孙平校阅| Lucy、Joanna12月19日，嫦娥五号采集的月球样品正式交接国家天文台，我国首次地外天体样品储存、分析和研究工作也将在这里拉开序幕。作为检测仪器之一，HORIBA拉曼光谱仪有幸参与其中，助力科研人员开展月球样品与科学数据的应用研究。图1 月球土壤现场交接（图片来源：新华网）01以月壤为支点，撬动宇宙发展奥秘，开发月球资源据悉，经初步测量，嫦娥五号任务采集的月壤约1731克。那么，经过千辛万苦取得的月壤究竟能用来干什么呢？中科院专家表示，月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带，包含着相关区域的大量信息。对月壤的研究不仅涉及月球本身，还包含太阳系空间物质和能量的重要信息。其中包括太阳系早期演化的历史记录、月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史、月球中挥发分的脱气历史、太阳风的组成、太阳表层的成分特征、小天体和微陨石撞击月球的历史记录等。图2 研究人员为月球样本称重（图片来源：新华网）除了探索月球历史之外，研究月球岩石还对开发月球资源意义重大。据全国空间探测技术首席科学传播专家介绍，研究月球样品的重要成果之一，就是发现其中含有氦-3。氦-3是世界公认的高效、清洁、安全的核聚变发电燃料。据计算，100吨氦-3所能创造的能源，相当于全世界一年消耗的能源总量。氦-3在地球上的蕴藏量极少，地球已知且易取用的只有500公斤左右，而在月球浅层的氦-3含量却多达上百万吨，足够解决人类的能源之忧。02现代科技助力科学研究，HORIBA拉曼成开路先锋为迎接月壤的归来，国家天文台已建成国内首个“月球样品实验室”，装备了最先进的仪器设备。目前已亮相的就包括HORIBA 拉曼光谱仪HR Evolution，它有幸成为月壤研究的开路先锋。拉曼光谱作为一种无损、非破坏的分析技术， 可以有效提供样品化学结构、结晶度、晶型等信息，这对于月壤这样稀有而珍贵的矿物样品来说至关重要。一般而言，矿物成分复杂未知，HR Evolution的高分辨有助于更加精准鉴定矿物成分及晶型，且真共焦三维滤光技术可有效去除非样品信号，提高灵敏度，为探测高复杂未知背景下的目标拉曼信号提供保障。另外，SWIFT 快速成像技术能够快速获得矿物整体成分分布信息，可以全面深入地研究矿物地质样品。图3 月球样品实验室的HORIBA拉曼光谱仪（图片来源：新华网）如果您对上述产品感兴趣，欢迎扫描如下二维码留言，我们的工程师将会及时为您答疑解惑。嫦娥五号“探月”归来，实现了我国航天史上多个重大突破，在后续的科学研究中，相信科研人员定会不负众望，倾尽全力，协同攻坚，做出佳绩。HORIBA拉曼光谱仪 HR Evolution有幸为此次科学研究贡献力量，希望能够发挥优势，再立新功。未来，HORIBA将承载着光荣与梦想，继续砥砺前行，奋力开拓，持续为客户提供优质技术产品和服务，助力科研人员接受挑战，铸就不凡。免责说明HORIBA Scientific 公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者或互联网转载，目的在于传递更多信息用于分享，供读者自行参考及评述。文章版权、数据及所述观点归原作者或原出处所有，本平台未对文章进行任何编辑修改，不负有任何法律审查注意义务，亦不承担任何法律责任。若有任何问题，请联系原创作者或出处。