Morphological observation and mineralogical analysis of basaltic debris from a Chang'e-5 drilled lunar soil sample (Open Access)
曹洪涛，邹猛*，张伟*，李新阳，张锐，梁庆，赵真真，冯登满，王子准，岳乃琳，栗熙程，李芳菲，周强，柳骊*，李秀娟*
Keywords: Chang'e-5; Lunar soil; Drilled sample; Physical properties; Mineralogy
DOI: 10.1016/j.partic.2024.11.003
本文分析了嫦娥五号钻取玄武质岩屑样品 CE5Z0806YJYX004 的形态和矿物学特征，同时分析了不同纵向深度样品的矿物学特性，并与嫦娥五号铲取样品以及阿波罗任务采集样品进行了对比。通过分析，在钻取玄武质岩屑中发现了气泡和微裂纹，以及带有明显岩石纹理的结晶颗粒。钻取样品的主要矿物相为49.6 vol%辉石、31.4 vol%斜长石和8.8 vol%橄榄石，还有少量磷灰石、钛铁矿和方石英。不同纵深的钻取样品具有相似的矿物成分，且与铲取样品及阿波罗月球样品相似。钻取样品中矿物以细颗粒形式交错织构形成了具有复杂矿物混合物的结构特征。
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研究背景
嫦娥五号（Chang' e-5）是中国首个实施无人月面取样返回的探测任务，此次任务共获取1731克月壤样品。其中，通过铲取方式获得样品1480克，通过钻取至深度约 0.9米获得样品251克。这块月球玄武岩样本可追溯至20亿年前，是目前获取到的最年轻样本。通过分析垂直方向上月球样品物理性质的变化特征可进一步深化我们对月球起源和演化过程的认知。
图1. 嫦娥五号采样区域和CE5Z0806YJYX004月球样品的形貌
要点精读
1、嫦娥五号月球样品中发现了带有岩石纹理的晶体、气泡以及微裂纹。嫦娥五号钻取岩屑样品呈不规则形状，表面具有棱角状、块状、球状等多种形态，而且，检测到的团聚体内部具有明显岩石纹理的结晶颗粒以及球形孔隙，这种形态的孔隙可能与过程中气泡或微裂纹的形成有关。此结构特征揭示了月球表面可能经受了长期的空间风化作用。
图2. CE5Z0806YJYX004月球样品的显微表征
2、嫦娥五号月球样品在不同深度呈现相似的矿物成分。嫦娥五号钻取岩屑样品（月表下约25 厘米深）中含有49.6 vol%辉石、31.4 vol%斜长石、8.8 vol%橄榄石和6.7 vol%钛铁矿，此外还有少量磷灰石与方石英。与嫦娥五号月球铲取样品及阿波罗月球样品相比，嫦娥五号钻取样品中辉石和橄榄石含量较高, 斜长石含量中等, 钛铁矿含量较低。其矿物成分不受样品纵向深度影响，且与铲取样品及阿波罗月球样品相似。
图3. CE5Z0806YJYX004月球样品中典型矿物的拉曼光谱分析
图4. 本研究样品与典型嫦娥五号及阿波罗采集样品的模态丰度比较
3、样本模态分布的3D渲染描绘了嫦娥五号月球样品的多矿物组构特征。辉石、斜长石和橄榄石共同构成了月壤的主要矿物相，这些矿物交错织构形成复杂的多矿物混合物。其中，辉石和斜长石分布较为均匀，橄榄石相对集中。
图5. CE5Z0806YJYX004月球样本模态分布的 3D 渲染
亮点
1. 在嫦娥五号月球样品中发现了带岩石纹理的晶体、气泡以及微裂纹的结构特征。
2. 明析了嫦娥五号月球样品在不同深度具有相似的矿物成分。
3. 厘清了嫦娥五号月球样品的多矿物组构模式。
主要结论与展望
本文采用多种无损检测与表征技术对月球样品 CE5Z0806YJYX004 进行了测试与分析。结果表明，月球样品团聚体内部具有明显岩石纹理的结晶颗粒以及球形孔隙，孔隙可能与气泡或微裂纹相关。不同纵深的样品呈现出相似的矿物组成，主要矿物相有辉石、斜长石和橄榄石等，其中，辉石和斜长石分布较为均匀，橄榄石相对集中，这些矿物交错织构使月球样品具有复杂多矿物混合物的结构特征。
本研究获得了月球表面及不同纵向深度月壤成分以及其组成、结构等特征，希望在未来的探测任务中获得验证。另外，将通过进一步深入解析月壤的矿物组成、力学性质及其他相关特性，为人类对月球探测以及未来月球基地的工程建设提供有价值的参考。
通讯作者简介
邹猛，吉林大学工程仿生教育部重点实验室，唐敖庆学者-领军教授/博导，研究方向为车辆地面力学及结构仿生。作为负责人承担科研项目41项，以第一或通讯作者发表论文120篇；授权发明专利34项；获省部级以上奖励2项。参与了嫦娥探月、祝融探火、载人登月等重大型号任务，收到中国空间技术研究院感谢信3封；2021年获评六部委首次火星探测任务先进个人。
张伟，吉林大学唐敖庆学者-领军教授/博导、吉林大学电镜中心主任、英国皇家化学会会士，主要研究方向为先进材料的电子显微分析，地质、催化和能源材料的表界面化学。在Nature Cataly、Nature Comunn、Angew Chem Int Ed、JACS等期刊发表第一/通讯作者论文百余篇，全部论文被引超19000次，H因子73（Clarivate），入选科睿唯安“2023全球高被引科学家榜单”。先后获吉林省自然科学奖一等奖（2020）、自然科学奖二等奖（2024）。
李秀娟，吉林大学工程仿生教育部重点实验室，正高级高工，全国仿生学标准化技术委员会委员，主要研究方向为星壤的物理力学特性、生物材料显微分析、仿生材料设计。作为负责人先后承担科研项目16项，获省部级以上奖励3项。
供稿：原文作者
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Cao, H., Zou, M., Zhang, W., Li, X., Zhang, R., Liang, Q., . . . Li, X. (2025). Morphological observation and mineralogical analysis of basaltic debris from a Chang'e-5 drilled lunar soil sample. Particuology, 96, 256-263. https://doi.org/10.1016/j.partic.2024.11.003