我國首次月球采樣返回任務嫦娥五號（CE-5）著陸于月球風暴洋北部年輕的克里普（KREEP）地體，成功返回了1.73 kg月壤。前人利用軌道遙感數據對CE-5著陸區(qū)的地形地貌和物質成分進行了大量的研究，近期一系列樣品分析推進了對月球年代學、月球晚期火山活動和巖漿演化機制的認識。與大尺度的遙感觀察和精細的樣品分析不同，原位光譜探測不僅可以提供采樣區(qū)的局部背景信息，也有利于研究未擾動和擾動狀態(tài)的月壤特性。CE-5著陸器攜帶的月球礦物光譜儀（LMS）獲取了月壤的可見-紅外反射光譜，為研究月壤物質成分和太空風化作用提供了重要的數據支持。
中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動和空間天氣重點實驗室研究人員利用嫦娥五號LMS原位探測數據分析了著陸點月壤的物質成分和成熟度，光譜參數和解混研究表明月壤中鐵鎂質礦物主要為單斜輝石，這與實驗室CE-5樣品化學分析和軌道光譜分析結果一致?；鸺祾吆顽P取采樣前后月壤光學成熟度和亞微觀鐵（SMFe）并未發(fā)生明顯變化，本研究為月壤表層經歷了快速翻耕和充分混合作用提供了光譜證據。
圖1 （A）LMS光譜數據的測量視場如紅框所示。全景相機分別展示了（B）月壤和（C）石塊的影像。（D）LMS反射光譜曲線。
圖1A紅框顯示了LMS光譜數據的觀測視場，其中D11為石塊，D14-D16為鏟取后的月壤光譜。月壤和石塊放大的影像如圖1B，C所示，圖1D展示了經過輻射定標、熱校正等預處理后的反射光譜曲線。
通過1μm和2μm的吸收特征的光譜參數圖（圖2A）發(fā)現(xiàn)，隨著鈣含量增加，輝石在1 μm和2 μm的吸收位置向長波方向移動，CE-5著陸點的月壤和石塊為高鈣輝石，這在1μm吸收中心和2μm與1μm吸收面積比值投圖（圖2B）得到進一步證實。本研究利用Hapke模型和稀疏解混算法反演得到原位光譜的礦物成分及其豐度，反演結果與CE-5樣品的分析結果以及軌道遙感的反演結果一致（圖2C）。
圖2 LMS原位光譜成分分析
太空風化是無大氣天體上由微隕石撞擊和太陽風注入引起的光譜紅化和暗化的普遍現(xiàn)象。首先利用光譜斜率R950/R750和R1600/R700分別與R750與R700的投圖定性分析CE-5著陸點月壤的成熟度（圖3A，B），發(fā)現(xiàn)與CE-4著陸點月壤相比，CE-3和CE-5著陸區(qū)的月壤相對更不成熟，這可能與CE-3和CE-5著陸于年輕的撞擊坑濺射毯（<100 Ma）上有關。本研究進一步計算了光學成熟度（OMAT，圖3C）和亞微觀鐵（SMFe，圖3D）含量，發(fā)現(xiàn)火箭吹掃前后，以及鏟取前后月壤成熟度沒有發(fā)生顯著變化，表明CE-5著陸區(qū)月壤在鏟取深度（<3cm）以內經歷過等效的暴露歷史。這一結果與Apollo鉆取樣品的放射性核素分析結果以及月壤翻耕模型模擬結果相吻合。本研究為月壤表層經歷了快速翻耕和充分混合作用提供了光譜證據。
圖3 LMS原位光譜成熟度分析
上述研究成果發(fā)表于國際權威學術期刊Earth and Planetary Science Letters上，論文的第一作者是空間中心的特別研究助理吳興博士，通訊作者是劉洋研究員。該研究得到國家自然科學基金（11941001，42072337）、中科院戰(zhàn)略先導B專項（XDB41000000）、民用航空航天技術預研項目（D020201，D020203）、中科院重點部署項目（ZDBS-SSW-JSC007）和空間中心“攀登計劃”等項目的支持。
論文信息：Xing Wu, Yang Liu*, Yazhou Yang, Dijun Guo, Jun Du, Shuai Li, Honglei Lin, Xiaohui Fu, Zhiyong Xiao, Yuchen Xu, Rui Xu, Zhiping He, Feng Zhang, Yangting Lin, Yongliao Zou. (2022). Mineralogy and regolith maturity at the Chang'E-5 landing site inferred from the Lunar Mineralogical Spectrometer. Earth and Planetary Science Letters, 594, 117747.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117747.
