嫦娥五号月壤中发现多种玻璃物质

月球玻璃是月壤的重要组成部分，由月球上的火山活动、陨石撞击、太阳风和宇宙射线辐照等一系列非平衡过程产生。产生月球玻璃的各种非平衡过程在月球的演化过程中扮演着关键角色，我们对月球的认识在很大程度上依赖于对这些过程的研究。月球玻璃作为这些重要过程的普遍产物可以稳定存在亿万年，他们不仅可以像地球上的琥珀一样保存远古年代的物质，还记录着其形成过程和超长时间尺度下演化的重要历史信息。例如火山喷发产生大量细小的液滴会在快速冷却后形成玻璃颗粒，这些火山玻璃能够为火山活动的年龄、内部岩浆演化和月球早期的水含量提供关键信息。同时，月球自诞生之日起，就不断遭受太阳系内各种陨石的撞击，这些尺寸分布在千米至纳米范围，速度在3至50千米每秒不等的陨石会产生不同种玻璃物质。各种撞击相关的玻璃物质记录了月球表面的陨石撞击历史，保存了陨石带来的水、碳和磁性矿物等各种物质，是研究月球表面水的起源、太空风化机制和月球磁场演化的宝贵样本。可以说不同成因的月球玻璃就像天然照相机一样记录下不同年代月球内部和表面的演化历史，是探索月球奥秘的重要材料。

2020年12月，中国的嫦娥五号（Chang’E-5）返回器成功取回了约1.73 kg的月壤。与之前的返回样品相比，Chang’E-5样品来自迄今为止最年轻的月球区域，年龄约为20亿年，并且位于较高的中高纬度地区，这将大大扩展月球研究的时空边界。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心汪卫华院士带领的非晶团队对Chang’E-5月壤样品中的玻璃物质进行了系统研究。针对月壤粉末样品，该研究结合了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等显微表征手段综合分析了月壤中玻璃/非晶物质的形态、成分和微观结构等，发现了多种类型、不同起源的月球玻璃物质，构建了月球玻璃/非晶相的分类目录，并从玻璃形成的角度揭示了该采样地点较为温和的微陨石撞击环境和独特的太空风化特征，也为基于月壤资源原位加工制造玻璃材料和器件提供了科学依据。此成果已经发表于《国家科学评论》2023年第12期，标题为 “Diverse glasses revealed from Chang’E-5 lunar regolith”,沈来权副研究员和白海洋研究员为共同通讯作者。

图1：嫦娥五号月壤中球状、椭球状、哑铃状等形态玻璃珠

研究团队明确了月球表面存在的液、气、固多种转变路径的玻璃起源。其中，液体冷却产生的玻璃物质主要起源于陨石和微陨石的撞击，包括球状、椭球状、哑铃状等规则形状的玻璃珠、气孔构造的胶结质和流体形态的溅射物等。气体起源的玻璃主要为高速陨石撞击导致的热蒸发沉积作用在月壤颗粒表面形成的沉积非晶层。而由固体形成的玻璃则为太阳风离子注入诱导的辐照损伤破坏矿物表面晶体结构而形成的损伤非晶层。值得注意的是，Chang’E-5月壤中的玻璃物质具有一些和Apollo月壤玻璃显著不同的特征。首先，研究团队在Chang’E-5月壤中首次报道了在月球表面天然形成的玻璃纤维。这些玻璃纤维有着远高于一般玻璃颗粒的长径比，形成于撞击过程中较低温的高粘度液体的热塑拉拔成型，相应的撞击过程更为温和。月球玻璃纤维的发现也说明月壤具有突出的玻璃形成能力和可加工成型特性，意味着可在月球表面就地取材利用月壤加工生产玻璃建材。另外，研究团队还发现Chang’E-5月壤表面的撞击沉积非晶层远薄于以往的月壤样品，而且仅由Si和O组成。这说明其对应的微陨石撞击事件更加温和，产生的热蒸发气体量更少，也不足以汽化难熔金属元素。这些发现共同揭示了Chang’E-5采样点独特的撞击环境，不仅能够解释Chang’E-5月壤高风化程度和低玻璃含量的矛盾，也为认识该地区月表的太空风化、光谱特征和水含量等科学问题提供启发。

图2：月球表面各类玻璃物质的不同起源和相应的月球活动。