首個嫦娥五號月壤模擬物——IGG-01 |阮仁浩等-Acta Astronautica

月球的真空環(huán)境使得其表面巖石在地質(zhì)歷史中遭受宇宙射線、太陽風(fēng)、微隕石及隕石撞擊等太空風(fēng)化作用，形成細(xì)粒月壤覆蓋在幾乎整個月球表面。因此，月壤記錄了月球的演化歷史，同時也是最易獲取的資源，可用于原位資源利用、建設(shè)月球基地等。但是，月壤樣品稀少而珍貴，不能直接用于地面大量分析測試的需求。而使用地球上的巖石、礦物等制備月壤的“模擬物”，也稱為“模擬月壤”，通過復(fù)制、匹配月壤的物理化學(xué)性質(zhì)，替代月壤進(jìn)行大量科學(xué)與工程實驗顯得尤為重要。

月壤的類型主要分為兩大類：月海玄武質(zhì)月壤和月球高地斜長質(zhì)月壤，其中，月海玄武質(zhì)月壤又可進(jìn)一步劃分為低鈦、中鈦以及高鈦類型。截至目前，國際上已經(jīng)研制出29種月海玄武質(zhì)月壤，全部分布在低鈦（<3 wt%）、高鈦（>7 wt%）范圍，但中鈦（3-6.7wt%）玄武質(zhì)月壤缺失（圖1）。

圖1（a）嫦娥五號月壤TiO2含量相比于目前所有月海玄武質(zhì)模擬月壤的分布；（b）月球正面月壤TiO2含量分布直方圖

2020年12月，我國的嫦娥五號任務(wù)實現(xiàn)我國首次地外天體采樣。該任務(wù)帶回的樣品TiO2含量（5.5 wt%）正好落在中鈦的區(qū)間，同時，遙感探測結(jié)果顯示，與嫦娥五號月壤成分相近的中鈦月壤在月面廣泛分布，然而類似化學(xué)成分的模擬月壤卻還未見報道。

為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所比較行星學(xué)課題組博士生阮仁浩和導(dǎo)師楊蔚研究員，與合作者一起，以嫦娥五號月壤為參考，研制了中鈦玄武質(zhì)模擬月壤。研究團(tuán)隊首先確定了模擬月壤研制所需原材料的各項標(biāo)準(zhǔn)：（1）需為含相對高的Ti、Fe含量的玄武巖，（2）礦物成分以單斜輝石、斜長石為主，（3）可大批量采集、交通運(yùn)輸便利。隨后在細(xì)致的地質(zhì)考察之后，確定內(nèi)蒙古烏蘭察布烏蘭哈達(dá)火山群作為采樣位置。烏蘭哈達(dá)玄武巖礦物與嫦娥五號月壤比較接近，但CaO、TiO2以及FeO含量相對較低，因此，為了進(jìn)一步匹配化學(xué)、礦物成分，通過添加鈣鐵輝石、普通輝石、拉長石以及鈦鐵礦等4種單礦物進(jìn)行混合（圖2），研制了一種新的中鈦玄武質(zhì)模擬月壤- IGG-01（“地質(zhì)地球所一號”）。

圖2 IGG-01模擬月壤的制備過程，首先在鄂式破碎機(jī)中將樣品研磨低于3mm的粒徑，隨后在盤式研磨儀中按配方進(jìn)行混合和細(xì)致的研磨，最后篩分獲得小于130目的粒徑樣品，調(diào)整模擬月壤的粒徑分布以確保與嫦娥五號月壤匹配

結(jié)果顯示，IGG-01的中值粒徑為68.69 ± 4.44 μm, 整體粒徑分布范圍與嫦娥五號月壤相似，它的比表面積被評估為0.34 m2/g。化學(xué)成分特征主要表現(xiàn)為含有17.6 wt.%的FeO以及4.8 wt.% TiO2，礦物組成為輝石（49.3 wt.%），斜長石（40.9 wt.%），鈦鐵礦（6.1 wt.%），以及橄欖石（3.7 wt.%）（圖3），比重和體積密度分別是3.33 g/cm3 和1.86 g/cm3。它的內(nèi)摩擦角為41.8°，粘聚力是19.2 kPa。它在可見及近紅外反射光譜中分別于1、2 μm波段中心出現(xiàn)強(qiáng)、弱明顯的吸收特征。總的來說，IGG-01模擬了嫦娥五號月壤的化學(xué)和礦物組成，粒徑分布的匹配度也較高。

圖3 IGG-01模擬月壤和嫦娥五號月壤的對比，包括：化學(xué)成分（a）、粒徑分布（b）、XRD模式圖（c）以及相應(yīng)主要礦物相的含量（d）

IGG-01是首個嫦娥五號月壤模擬物，不僅填補(bǔ)了中鈦玄武質(zhì)模擬月壤的空白，而且可以廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、載荷測試以及原位資源利用等相關(guān)實驗，如：對帶電等離子體遷移、太陽風(fēng)注入的水的形成、氫氣還原制備月壤中的氧氣、巡視車和鉆探模擬試驗等研究和測試。

研究成果發(fā)表于國際宇航學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Acta Astronautica（阮仁浩,楊蔚*,張棣,田恒次，Qi Zhao，Yuan Zou，Bin Yu. A moderate-Ti lunar mare soil simulant: IGG-01 [J].Acta Astronautica, 2024, 224: 148-160. DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.08.010.）