我院科研团队基于拉曼光谱技术实现对嫦娥5号月壤粒度和矿物组成的同时测定

近日，《中国科学：地球科学》杂志中、英文版同时在线发表了我院佘振兵教授、汪在聪教授团队对嫦娥5号月壤粒度和矿物组成的最新研究成果，论文第一作者为博士生曹克楠。
     月壤的粒度和矿物组成对于解释轨道遥感光谱数据和理解月球岩浆活动和空间风化过程具有重要意义。自1970年代以来, 科学家开始使用各种手段来研究月壤样品，但前人所采用的方法通常需要消耗较多样品，并且难以同时获得矿物组成和粒度、形貌等方面的信息。基于拉曼光谱微颗粒分析技术，该研究团队开发了以极低的样品损耗同时测定颗粒样品粒度和矿物组成的新方法，并成功运用于嫦娥5号月壤样品的研究。

图1 用拉曼光谱自动微颗粒分析技术同时测定月壤粒度和矿物组成的流程

研究人员将约30μg的嫦娥5号样品分散于镀铝载玻片上（图1a），然后用用50倍物镜在暗场反射光模式下对月壤颗粒进行大面积图像拼接和景深合成，根据获得图像中不同位置的亮度来自动识别颗粒并重建颗粒分布图（图1b）。获得了粒度信息后，选择其中1~45μm的月壤颗粒进行自动拉曼分析获得高信噪比的光谱（图1c），并通过团队自建的月壤矿物光谱数据库对颗粒进行自动识别，获得每一种矿物相的粒度和体积等信息（图1d, 图2），计算得出矿物模式丰度。

图2 对6mm×3mm范围内7307个月壤颗粒矿物组成和分布的重建结果（不同颜色代表不同的矿物）

      对24881个颗粒的分析结果显示，嫦娥5号月壤平均粒度为3.5μm，并且呈单峰式分布（图3a），表明其具有较高的成熟度。尽管大多数颗粒的粒径很少（<6μm），但大于8μm的颗粒占总体积的90%以上（图3b）。

图3 嫦娥5号月壤粒度分布特征

在对嫦娥5号月壤的矿物模式丰度进行研究后，研究人员发现在1~45μm粒度范围内的矿物组成为：辉石（39.4%）、斜长石（37.5%）、橄榄石（9.8%）、铁钛氧化物（1.9%）、玻璃（8.3%）等（图4a），该结果与前人通过x-射线粉晶衍射分析所得出的结果基本一致。此外，还发现随着粒度变小，月壤中的橄榄石和辉石含量逐渐减少，而斜长石含量增加：粒径在20~45μm之间的月壤样品中辉石含量最高(49%), 其次是斜长石(32%)、橄榄石(11%)和玻璃(8%), 而铁钛氧化物、磷酸盐和硅质矿物则未出现；随着粒度的减少，斜长石的丰度逐渐增加, 而辉石和橄榄石的丰度显著下降（图4b-c）。这种趋势在阿波罗样品中也普遍存在（图4d），可能是在空间风化过程中（如微陨石撞击），斜长石比镁铁质矿物更容易破碎所导致的。

图4 嫦娥5号月壤的矿物组成（a-c）及其与阿波罗月壤对比（d）

该研究还识别出了月壤中的一些微量矿物相，例如磷灰石、石英、方石英和斜方辉石等，其中斜方辉石的发现为首次报道，这表明嫦娥5号月壤中可能含有极少量来自于月球高地的物质。

上述成果为解译嫦娥5号着陆的风暴洋北部地区光谱遥感数据提供了地面真值参考，为理解月球该区域深部和表面演化历史提供了新的视角。

该研究每次仅需约30微克样品，在获取多维度信息的同时将样品损耗降到了最低，并且样品制备流程简单，极大地降低了该环节可能带来的样品污染问题。另外，该方法可以在短时间内快速建立一个矿物粒度和组成的多元化信息数据库，有助于发现稀有的矿物相。该方法的进一步发展将为未来火星和小行星等其他天体返回的微颗粒样品进行快速分析提供技术支撑。

此次研究样品来自汪在聪教授作为责任人申请的首批嫦娥五号月壤样品（CE5C0400，200 mg），参与这项研究的成员包括太阳集团网址首页登录（武汉）嫦娥五号月壤样品研究的全体人员。分析测试在太阳集团网址首页登录（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成，所采用的仪器为WITec α300R型共聚焦拉曼光谱和ParticleScout（v5.3.14.106）自动微颗粒分析系统。研究得到了国家航天局民用航天技术预研究项目、国家自然科学基金和生物地质与环境地质国家重点实验室的支持。

论文中文版网址：http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N072022-0055

论文英文版网址：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11430-022-9966-5