我國(guó)首次月球采樣返回任務(wù)嫦娥五號(hào)（CE-5）著陸于月球風(fēng)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(shù)據(jù)對(duì)CE-5著陸區(qū)的地形地貌和物質(zhì)成分進(jìn)行了大量的研究，近期一系列樣品分析推進(jìn)了對(duì)月球年代學(xué)、月球晚期火山活動(dòng)和巖漿演化機(jī)制的認(rèn)識(shí)。與大尺度的遙感觀察和精細(xì)的樣品分析不同，原位光譜探測(cè)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(dòng)和擾動(dòng)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(jiàn)-紅外反射光譜，為研究月壤物質(zhì)成分和太空風(fēng)化作用提供了重要的數(shù)據(jù)支持。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“空間中心”）太陽(yáng)活動(dòng)和空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員利用嫦娥五號(hào)LMS原位探測(cè)數(shù)據(jù)分析了著陸點(diǎn)月壤的物質(zhì)成分和成熟度，光譜參數(shù)和解混研究表明月壤中鐵鎂質(zhì)礦物主要為單斜輝石，這與實(shí)驗(yàn)室CE-5樣品化學(xué)分析和軌道光譜分析結(jié)果一致?；鸺祾吆顽P取采樣前后月壤光學(xué)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(jīng)歷了快速翻耕和充分混合作用提供了光譜證據(jù)。
圖1 （A）LMS光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量視場(chǎng)如紅框所示。全景相機(jī)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(shù)據(jù)的觀測(cè)視場(chǎng)，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(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、熱校正等預(yù)處理后的反射光譜曲線。
通過(guò)1μm和2μm的吸收特征的光譜參數(shù)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(zhǎng)波方向移動(dòng)，CE-5著陸點(diǎn)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(jìn)一步證實(shí)。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(jié)果與CE-5樣品的分析結(jié)果以及軌道遙感的反演結(jié)果一致（圖2C）。
圖2 LMS原位光譜成分分析
太空風(fēng)化是無(wú)大氣天體上由微隕石撞擊和太陽(yáng)風(fēng)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(diǎn)月壤的成熟度（圖3A，B），發(fā)現(xiàn)與CE-4著陸點(diǎn)月壤相比，CE-3和CE-5著陸區(qū)的月壤相對(duì)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(guān)。本研究進(jìn)一步計(jì)算了光學(xué)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(méi)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(nèi)經(jīng)歷過(guò)等效的暴露歷史。這一結(jié)果與Apollo鉆取樣品的放射性核素分析結(jié)果以及月壤翻耕模型模擬結(jié)果相吻合。本研究為月壤表層經(jīng)歷了快速翻耕和充分混合作用提供了光譜證據(jù)。
圖3 LMS原位光譜成熟度分析
上述研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)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(guó)家自然科學(xué)基金（11941001，42072337）、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)B專(zhuān)項(xiàng)（XDB41000000）、民用航空航天技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目（D020201，D020203）、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007）和空間中心“攀登計(jì)劃”等項(xiàng)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.
