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

月球的真空環境使得其表面巖石在地質歷史中遭受宇宙射線、太陽風、微隕石及隕石撞擊等太空風化作用，形成細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”，通過復制、匹配月壤的物理化學性質，替代月壤進行大量科學與工程實驗顯得尤為重要。

月壤的類型主要分為兩大類：月海玄武質月壤和月球高地斜長質月壤，其中，月海玄武質月壤又可進一步劃分為低鈦、中鈦以及高鈦類型。截至目前，國際上已經研制出29種月海玄武質月壤，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實現我國首次地外天體采樣。該任務帶回的樣品TiO2含量（5.5 wt%）正好落在中鈦的區間，同時，遙感探測結果顯示，與嫦娥五號月壤成分相近的中鈦月壤在月面廣泛分布，然而類似化學成分的模擬月壤卻還未見報道。

為此，中國科學院地質與地球物理研究所比較行星學課題組博士生阮仁浩和導師楊蔚研究員，與合作者一起，以嫦娥五號月壤為參考，研制了中鈦玄武質模擬月壤。研究團隊首先確定了模擬月壤研制所需原材料的各項標準：（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、交通運輸便利。隨后在細致的地質考察之后，確定內蒙古烏蘭察布烏蘭哈達火山群作為采樣位置。烏蘭哈達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，為了進一步匹配化學、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種單礦物進行混合（圖2），研制了一種新的中鈦玄武質模擬月壤- IGG-01（“地質地球所一號”）。

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行混合和細致的研磨，最后篩分獲得小于130目的粒徑樣品，調整模擬月壤的粒徑分布以確保與嫦娥五號月壤匹配

結果顯示，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。化學成分特征主要表現為含有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波段中心出現強、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：化學成分（a）、粒徑分布（b）、XRD模式圖（c）以及相應主要礦物相的含量（d）

IGG-01是首個嫦娥五號月壤模擬物，不僅填補了中鈦玄武質模擬月壤的空白，而且可以廣泛應用于科學研究、載荷測試以及原位資源利用等相關實驗，如：對帶電等離子體遷移、太陽風注入的水的形成、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。

研究成果發表于國際宇航學領域專業期刊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.）