客户案例 | LITHOS：嫦娥六号细粒月壤的系统矿物学分析及物源比例研究

2025-10-14 15:30:52, 薛姗娜、宋文磊 TESCAN 泰思肯（中国）

近日，西北大学-香港大学地球与行星科学联合中心和西北大学地质学系大陆演化与早期生命全国重点实验室月球样品研究团队对嫦娥六号任务返回的70437颗细粒月壤（2~80微米）开展统计矿物学分析，研究结果揭示了着陆区细粒月壤主体来自于玄武岩物质（93.5 vol%），同时包含约6.5 vol%的外来非月海溅射物，外来碎屑类型包括高地斜长岩（~1.2 vol%）、镁质岩套（~5.0 vol%）及可能源自月幔的富镁橄榄石（~0.3 vol%）。相关成果以“Mineralogy and provenance of the Chang''e-6 shoveled lunar samples”为题发表在国际岩石学专业期刊《LITHOS》上，该研究为揭示嫦娥六号月壤物源比例及月球表面复杂物质迁移过程提供了关键矿物学证据。

月壤作为月球表面长期外动力改造的产物，其物质组成蕴含着丰富的月球外动力演化信息。嫦娥六号任务成功地从月球最复杂撞击改造单元-南极-艾特肯盆地（SPA）和阿波罗盆地-返回了约1935.3 g月壤，前人基于嫦娥六号着陆区的撞击坑统计以及撞击溅射模型揭示了嫦娥六号的月壤具有复杂的撞击来源，同时可能包含来自月球深部的物质。然而，当前对嫦娥六号月壤物源解析主要依赖遥感光谱解译和撞击溅射数值模拟，缺乏基于原位样品的直接矿物学证据。

研究团队运用矿物自动定量分析系统（TIMA）、电子探针（EPMA）与激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICPMS）联用技术，对嫦娥六号返回的约70437颗细粒月壤（2~80微米，其中>92%的颗粒粒径小于20微米）进行了系统的矿物类型与成分统计分析。结果显示，嫦娥六号细粒月壤主要由斜长石（27.5 vol%）、玻璃（32.3 vol%）、辉石（28.2 vol%）、钛铁矿（1.9 vol%）和橄榄石（0.7 vol%）等物质组成（图1）。基于通过EPMA校准的化学成分限定，厘定了月壤中约93.5 vol%的组分为月海玄武岩物质。进一步根据不同月球岩石中同种矿物化学成分的特征差异，建立了一套基于TIMA数据的外源矿物成分判别规则（图2）。应用此规则，在月壤中成功识别并定量出约6.5 vol%的外来非月海组分，具体包括：源自高地斜长岩的斜长石（An ≥ 95，0.9 vol%）与辉石（En < 50，0.3 vol%）；来自镁质岩套的低钙辉石（Wo ≤ 5，1.2 vol%，属苏长岩）、高镁辉石（En ≥ 50，1.3 vol%）及按其与辉石1:1比例估算的相应斜长石（2.5 vol%）；以及可能源自纯橄岩与橄长岩的富镁橄榄石（Fo ≥ 80，0.3 vol%）（图1和2）。需说明的是，研究中观察到的大部分玻璃为胶结质且粒径较小，故未将其计入此外来组分。

图1 ：嫦娥六号细粒月壤的矿物类型和含量（体积百分比，a）及月海玄武质与外来非月海组分的来源比例（b）

嫦娥六号细粒月壤中高的玻璃质含量指示了着陆区月壤具有比嫦娥五号更长的表面暴露时间。基于矿物含量与化学成分计算获得的月壤全岩组分显示，嫦娥六号细粒月壤相较于嫦娥五号样品，具有高Al₂O₃（17.60 wt%）、高CaO（12.72 wt%）、高Mg#（45.52）以及低FeO（14.15 wt%）特征，这表明六号着陆区具有更多的长石质物质。随着月壤颗粒粒径减小，Al₂O₃、CaO和Mg#含量升高，而FeO和TiO₂含量则相应降低。该成分变化趋势与各矿物相在不同粒级中的含量变化规律吻合，即斜长石物质更容易破碎为细粒物质。

图2 ：TIMA系统获取的外来非月海组分矿物的EDS谱图、成分及对应元素信号峰值强度区间（a，辉石；b，长石； c，橄榄石）

外来组分的地球化学特征进一步揭示了其深部起源（图3）。其中，高镁辉石（Mg# 78.1）与橄榄石（Mg# 92.6）的成分揭示其可能来自于月幔。通过对比周边撞击坑的物质组成及前人对于嫦娥六号月壤中外源物质的溯源结果，推断这些深源碎屑很可能源自Chaffee S和White''撞击坑，来自Vavilov、Crookes和Pythagoras的撞击坑溅射物可能贡献了嫦娥六号月壤中的高地斜长岩物质。

图3：（a）月海玄武岩与外来非月海物质（高地斜长岩，镁质岩套，苏长岩）的辉石成分分类图；（b）斜长石An牌号分布直方图；（c）不同类型月球岩石中橄榄石的Fa值分布特征

本研究提供了关于嫦娥六号月壤中细粒月壤的矿物组成信息，依据半定量-定量化学成分分析方法系统评估了嫦娥六号着陆区月壤的物源比例及潜在的撞击坑来源。值得注意的是，不同粒径月壤的矿物组成及化学成分存在显著差异，因此对于月壤的全岩化学分析应考虑粒径差异可能带来的成分偏差。

西北大学地质学系博士研究生薛姗娜为本论文的第一作者，宋文磊和郭壮副教授为共同通讯作者。香港大学钱煜奇研究助理教授、西北大学/香港大学赵国春院士、西北大学袁洪林教授、陈立辉教授、黄康俊教授、张超教授、刘潜教授、王小均副教授、张东海副教授以及陈倩博士、乔乐硕士研究生也参与了本项工作。样品得到国家航天局嫦娥六号返回月球样品的支持。该研究得到国家自然科学基金(42130102,42273070,42303039)及香港研究资助局（17307025,17308023和JLFS/P-702/24）等基金的共同资助。

自西北大学-香港大学地球与行星科学联合中心于2024年3月成立以来，联合中心已累计获批月壤粉末样品3000 mg以及月壤光片样品三份。中心成员钱煜奇研究助理教授依托香港大学申请获批了中国香港地区首份嫦娥五号以及嫦娥六号月球样品。中心成员黄康俊教授和郭壮副教授依托西北大学分别申请获批了中国西北地区首份嫦娥五号和嫦娥六号月球样品。未来，中心将继续充分发挥西北大学与香港大学双边优势，深入开展行星科学与早期地球协同攻关研究。