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玻璃材质参数(月球玻璃)

月球,玻璃,太阳风玻璃材质参数(月球玻璃)

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

玻璃是月壤的重要组成部分，由月球上火山喷发、陨石撞击和太阳风及宇宙高能射线辐照等一系列非平衡过程产生。玻璃可以在月球严苛的环境中长时间稳定存在，就像一帧帧的摄影快照一样记录着月球亿万年间的重要历史信息，涉及到月球的起源与演化、月球上水和气体的来源与分布、太阳系内的撞击历史和太空风化等重大科学问题。玻璃还能够长期保存各种月球物质，如太阳风注入的3He、反应生成的水和纳米铁等，影响着月球资源的利用和遥感观测。文章通过对嫦娥五号月壤玻璃的研究，阐述了各种月球玻璃的特征和形成机制，以及不同玻璃可能记录的月球历史信息。月球玻璃的研究也将为未来的星际探索提供宝贵的知识，并且帮助人们设计和制备新型的玻璃材料。关键词 玻璃，月球玻璃，嫦娥五号

01月球玻璃

2020年12月17日，中国嫦娥五号(Chang’e-5，简称CE5)成功采集返回1731 g珍贵的月球土壤，是人类继美国和前苏联探月任务之后40多年来首次获得的月球样品。在所有采回的月球样品中，都发现了丰富的玻璃物质，如图1所示，它们尺寸不一，形态各异，有的直径不到一个微米，有的可以达到几个厘米，有的呈现为张牙舞爪的熔渣状，有的则是圆润的玻璃球，有的还会因为混入不同的氧化物而呈现出绿色、黄色、褐色、红色和黑色等晶莹多彩的颜色[1—4]。这些玻璃物质已经在月球严酷的环境下存在了亿万年。

图1 月球上各种各样的玻璃物质 (a) Apollo 15号采集的颜色多样、形状各异的月球火山玻璃和撞击玻璃[1]；(b) Apollo16 号采集的月球撞击玻璃球[2]；(c) CE5 月壤中的黑色玻璃珠[3]；(d) CE5月壤中的黑色玻璃碎片[3]；(e) 玉兔2号月球车在月球背面观察到的透明玻璃球，直径达到2.5 cm[4]

玻璃在我们的生活中无处不在，从透明的建筑玻璃，到颜色艳丽的艺术玻璃，再到广泛使用的各种电子玻璃，人们通常认为玻璃是一种精巧的人造产物。因此人们惊叹于这些古老月球玻璃的奇特、稳定和美丽，也好奇月壤中为什么会含有大量玻璃物质。其实，玻璃不仅是重要的人造材料，更是自然界中普遍存在的天然物质[5]。比如地球上的火山活动、陨石撞击、雷击等过程也可以形成大量的天然玻璃。地球上最古老的天然玻璃可追溯至中生代的撞击玻璃，大部分人工和天然玻璃会在较短的地质时间尺度发生脱玻化，蜕变为粘土和其他类型的矿物。玻璃其实可以由各种非平衡的物理和化学过程产生，如当液体冷却得足够快的时候，就能够抑制晶化，直接产生结构和液体一样无序的玻璃固体，气相沉积、机械作用和离子辐照等过程也可以产生玻璃物质[6]。

和生机勃勃的地球相比，月球上的环境非常严酷死寂，由于缺少大气和磁场的保护，月球表面直接暴露在了宇宙太空环境中，火山喷发、陨石撞击、太阳风和宇宙射线辐照等一系列严苛的非平衡过程主宰着月球的演化[7]。火山喷发会产生大量细小的熔体液滴，抛洒在月球表面，这些液滴快速冷却就会形成结构均匀的玻璃球即火山玻璃[8]。月球自诞生之日起，就不断遭受太阳系内各种陨石的撞击。月球表面陨石速度通常可达15—25 km/s，产生的高温足以熔化月球上的任何一种矿物甚至产生气化[7]。由于陨石的尺寸分布极宽(直径从亚微米到上千米)，陨石撞击会在不同尺度上造成熔融。较大陨石的撞击会产生大量熔体并使液滴飞溅出去，并在飞行过程中冷却形成玻璃颗粒即撞击玻璃[9]；而较小的撞击则更多的是在小尺度甚至是月壤颗粒的表面产生熔化，将月壤中的多个岩石碎片粘结在一起成为胶结物玻璃，或者产生粘在颗粒表面的粘结玻璃[7]。太阳风辐照是月面上的重要过程，太阳风主要是由高速的H和He带电粒子组成，这些粒子会注入到月壤颗粒中，形成非晶态的表面损伤层[10—12]。太阳风离子还会产生溅射作用，和撞击气化产生的气体一样沉积在颗粒的表面，形成包覆在月壤颗粒表面的沉积非晶层[13—15]。月球上的这些非平衡过程在月球的演化过程中扮演着重要的角色，可以说我们对月球的研究很大程度上就依赖对这些过程的理解，涉及到月球的起源[16，17]，内部岩浆的演化[18]，撞击历史[19]，水和气体的分布与来源[20—23]，以及太空风化[24—26]等诸多重要问题。然而这些过程发生在长达数十亿年的时间尺度和月球表面广袤的空间尺度上，对于研究人员是一项重大的挑战。幸运的是，这些过程所产生的各种玻璃物质以其无与伦比的稳定性，几十亿年以来在月球环境中保存了和这些过程相关的岩浆物质、陨石碎片、挥发分(古时月球上的水、气和物质)和太阳风气体等，并相应地记录了玻璃的形成过程，类似地球上的琥珀。对这些月壤玻璃的研究可以获得从月球内部到表面再到太空环境的重要信息。可以说月球玻璃既是重要的月球资源，也是帮助我们重构月球演化历史的载体。通过解密不同月壤玻璃记录的信息，还能启发我们如何利用月球资源，帮助我们制备超稳定的玻璃材料，用于未来的星际探索和高技术领域。

02嫦娥五号月壤玻璃

CE5月壤的采样地点在月球“风暴洋”北部吕姆克山脉附近，经纬度为51.916°W，43.058°N[3]。图2(a)的月球地图标记了历次月球探测任务采集月壤的地点，以往的采样地点都在月球赤道附近，其连线区域只覆盖月球赤道附近约4.4%的区域[27]，而CE5月壤采集自月球中高纬度，是迄今为止纬度最高的月壤。初步表征发现，CE5样品已经被充分风化为极细的颗粒，其玻璃含量为11.6%—20.0%，明显低于Apollo样品(25.4%—72.3%)，表明其太空环境与Apollo采样地点存在明显的差异[3，27，28]。由中国科学家领衔的研究团队对CE5月壤样品进行了深入的研究，取得了一系列重大研究成果。Apollo和Luna任务返回的月球样本主要揭示了月球上38—30亿年前的火山活动，而中国科学家使用铀铅定年技术准确测定CE5样品中火山玄武岩的年龄为20亿年，是最年轻的月球玄武岩样品，将以往研究限定的岩浆活动延长了近10亿年[29，30]。CE5月壤的研究还发现采样地点的月幔非常干，水含量并不像Apollo月球样品研究给出的那样高，意味着月球内部的水的空间分布非常不均匀[31]。对月壤的拉曼光谱研究则表明虽然月球内部很干，但是月壤中却含有较多的水，主要来源是空间风化[32]。这些研究凸显了CE5月壤在月球研究中的重大价值，对CE5月壤的深入研究将极大地突破我们认识月球的时间和空间边界[29—33]。

图2 CE5月壤的采样地点 (a) CE5采样地点的位置。以往的月壤采集都集中在赤道附近，纬度30°以内的低纬度地区，而CE5采样地点为中高纬度地区，是迄今为止采集到的最高纬度的月壤；(b) CE5与月壤采样地点的全景照片。图片引用自中国月球和行星数据发布系统https://moon.bao.ac.cn/和参考文献[3]

鉴于CE5月壤的独特性，对其中的玻璃物质进行系统而深入的研究能帮助我们认识月球从内部到表面的火山喷发、陨石撞击和太空风化等各种过程。我们对CE5月壤中的玻璃进行了全面的收集、分类和显微研究[34]，澄清了它们的形成机制，并讨论了不同起源的玻璃物质记录的不同月球活动的信息，比如火山玻璃和撞击玻璃分别记录了月球内部的演化和月球表面撞击作用的历史。研究发现月壤中存在多种形态的玻璃态物质，具有不同的特性和起源。其中的撞击玻璃具有超高的热稳定性和优异的抗辐照性能，是记录月球亿万年历史的重要载体[35]。月壤玻璃还能保存各种月球物质和太阳风物质。比如玻璃物质能够保存重要的战略能源资源3He，总量估计可达26万吨[36]；火山玻璃还能够保存远古时代月球上的水，使我们认识到月球曾经是有水的。下面我们将分门别类地介绍月壤样品中的各种玻璃物质及其形成机理，并讨论每种玻璃可能记录的特定的月球演化历史信息。

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