“嫦娥”专家走进造岩矿物学课堂

2021-03-01

专家信息：

杨亚洲 博士

中国科学院国家空间中心

博士后、特别研究员助理

主要研究方向：

行星光谱学和行星地质学

教育经历：

2013年毕业于中国地质大学（武汉）获地质学学士学位，2019年获行星地质与比较行星学博士学位。

深空项目工作：

   嫦娥3号和嫦娥4号主要参与者，负责光谱探测数据的科学解译工作。

孙晶老师：杨博士您好！

杨博士：孙老师您好！

孙晶老师：

很高兴能够邀请您走进我们的课堂，我知道您参加了嫦娥三号和嫦娥四号的科研工作，能否为我们简单介绍一下，您是通过哪些手段，在还没有拿到月球样品的时候就知道月球上的矿物组成有什么了呢？

杨博士：

好的，我首先举一个地球上的例子吧。大家如果看到不同颜色的岩石会发现颜色的差异，这个颜色的差异实际上与岩石中所含有的不同的矿物有关，有的矿物看起来明亮一点，有的矿物看起来暗一点。

在早期人们通过肉眼或者望远镜看月球的时候发现月球表面有的地方比较暗，有些地方比较亮，这实际上代表它具有不同的成分。后来人类就拥有了探测器发射到月球轨道上，可以获得很高分辨率的月球光谱数据，通过光谱可以更深入的分析月球表面不同地方矿物成分分布的差异。

孙晶老师：

好的，通过你们的研究结果，月球上究竟有哪些矿物呢，跟地球上的一样吗？

杨博士：

月球矿物的种类总体上肯定是没有地球上丰富的，它的主要矿物是硅酸盐类的矿物，主要有橄榄石。不知道大家现在是否接触到这些矿物？

孙晶老师：

同学们学过《普通地质学》对矿物有了一定的了解。

杨博士：

好的，主要有橄榄石、斜长石、辉石这样的矿物，还有一些暗色矿物比如钛铁矿之类的。这些矿物和地球上同类型的矿物没有什么差别，基本的晶体结构是一样的。硅酸盐矿物主要是硅氧组成的骨架，中间填充一些金属离子，它们可能存在差异的地方就是这些金属离子的比例，比方说月球上的亚铁离子和镁离子比值差异可能和地球上有些不太一样。但是地球上不同地区产出的同一类型矿物也是在成分上有差异的。月球有上一些非常稀少的矿物地球上还没有，大多数需要结合电子显微镜进行显微分析才能识别出来。

孙晶老师：

好的，我们知道嫦娥四号是世界上第一次在月球背面进行软着陆的，而我大概了解月球的自转和公转周期是大致相同的，所以站在地球上我们其实是看不到月球背面的，我特别想替同学们问一下，月球的正面和背面到底有哪些区别呢？

杨博士：

确实是，它处于一个潮汐锁定的状态，所以我们只能看到月球的正面。但是由于它有一个类似于天平状态下的静度，所以我们看到的月球正面有一个晃动，可以看到超过百分之五十的面积。背面的话我们可以看到有些大片比较暗的区域，周边有些比较亮的区域，比较暗的区域我们通常称为月海，里面主要是一些玄武岩，比较亮的地方主要是一些比较富含斜长石的高地。如果再看背面的话，它的月海比较少，基本都是一些富斜长石的高地。

孙晶老师：

好的，我们知道嫦娥五号现在也成功了，也取回了很多样品。但是我知道在嫦娥五号之前也经历了一代一代人的努力，包括嫦娥一号、一直到三号、四号。那么您觉得三号四号对五号的贡献有哪些呢？

杨博士：

首先就是工程上的贡献。嫦三、四、五是我们国家探月的规划也就是“绕”“落”“回”。一号是“绕”，二号是一号的备份型，一号成功了，二号就又发上去了，同样是绕。三号是落下去，也就是成功落在月球的正面。美国阿波罗计划的六次采样方位全部是落在月球的正面，我们也是落在月球的正面。四号是三号的备份，我们做了一个更有挑战性的——落在月球背面。

因为我们只能看到月球的正面，所以落在月球背面的时候，探测器传送器没办法和地面直接通信，所以在此之前我们发射了一个“鹊桥”中继卫星，然后我们成功地落在了月球的背面，这是工程上的一个突破。到了五号后的难度就更大了，因为我们不仅要落下去，我们还要返回来，非常复杂，大家在网上可以搜到相关的介绍。在工程上，前面的成功为我们积攒了工程基础，嫦娥三号四号都是一个着陆巡视探测任务，就是着陆器着落下去，释放月球车，也是去探测。

嫦娥五号没有带月球车，就带了一个着陆器，着陆器上带了一个上升器，也搭载了一些科学载荷，比如说一个光谱仪。这个光谱仪继承自嫦娥三号四号的光谱仪，但是在三号四号的基础上把光谱探测波段范围进一步拓展，可以进行水的探测。像水羰基的吸收峰在2.9微米左右，嫦娥三号四号的光谱范围只到了2.4微米，我们现在嫦娥五号的光谱探测范围已经拓展到了3.2微米，所以就有可能探测到月壤里面的水，也可以探测月球上的一天，也就是一个月左右，它在这一天范围内看着月表，有一个勺子可以采取样品，挖了样品后，测量挖洞的地方，看看测量挖洞地方的前后光谱变化，看看有没有可能确实有水的信号。

孙晶老师：

所以有水吗？这个可以说吗？哈哈

杨博士：

哈哈，因为现在我们还没有拿到光谱数据，就是从嫦娥五号着陆的位置上来看它是一个非常非常有科学意义的位置，目前返回来的阿波罗样品都非常老，嫦娥五号着陆的可能是月球上具有最年轻火山岩的地方。因为我们就是要根据火山岩的形成年龄来推断月球的火山活动持续到了什么时候，嫦娥五号的样品可能会帮助我们把月球火山活动的年龄范围扩展一大部分。

孙晶老师：

好的，我们《造岩矿物学》课程开展在大一下学期，我们特别想听一下您从学习还有工作经验的角度讲一下矿物学在未来深空研究中到底有哪些重要性，以及您能给学生们一些寄语吗？

杨博士：

OK，我本科学的地质学，当时学了很多地质方面的专业课，后面读研的时候我们学校正好成立了行星科学研究所，我了解了一下后发现很好。我想很多同学小时候都想过将来去从事航空航天什么的，我当时其实也想，但是高考没有考上，然后就选的地质学，然后是行星科学，和航空航天沾了一点点边。但是深入了解后发现这个非常有意思，像深空探测，我们可以通过不同的技术手段获取各种各样的数据，但是最后的落脚点都是要落到地质学方面的解译。

地质学解译有两个非常重要的专业课，一个是矿物学，一个是岩石学。我之前很多地质学方面的专业书都已经丢掉了，但是我一直带在身边的两本书，一本是矿物学，因为它非常重要，我现在还时不时翻看一下。比如我现在做光谱解译，这是一个模型图揭示的是月球不同圈层的矿物成分，我用光谱获取了月球表面的矿物成分，如果想做进一步的解译的话就需要有一定的矿物学的背景，地质学的知识，不同矿物是有特定的成因、形成环境，有的矿物形成在温度比较高压力比较高的环境，有的矿物形成在温度比较低压力比较低的环境，如果在某个发现一种特定的矿物，通过这种矿物可以反推它形成的环境等等等等。比如嫦娥四号着陆在一个非常非常大的撞击坑里面——月球上最大的撞击盆地。它就有可能把月球深部的包括月幔的物质挖掘出来，我们就可以研究月球不同深度的矿物是怎么分布的，说不定就可以构建一个月球的圈层结构模型。

月球圈层结构模型，是它演化到后期已经固定的状态，我们可以通过它来限定初始的状态是怎么样的，再往前推月球是怎么起源的等等。所以我想说，把矿物学学好是挺重要的、把岩石学好是挺好的。因为总的来说，我们国家的深空探测、行星科学还处于一个起步和追赶阶段，虽然嫦娥三四五取得了一定成就，但是我们也不得不正视差距。但是现在也正好是出于一个发展的阶段，很多院士、知名学者都在推动成立行星科学一级学科。大家到了大三面临考验、保研的时候，如果对行星科学感兴趣，也可以与我们联系一下。

孙晶老师：

好的，感谢杨博士在百忙之中走进我们的课堂，相信今天同学们听了您的报告后一定会心潮澎湃，如果我们今后能够从事深空项目的话，希望杨博士能够接受他们成为您的学生。谢谢您，希望您以后能为我们国家做出更多漂亮的成果，感谢！