在中秋佳节前一天，国家航天局、国家原子能机构联合发布了嫦娥五号最新科研成果：中核集团核工业北京地质研究院在月球样品研究中发现新的磷酸盐晶体矿物，并摸清了它的元素成分构造以及表象特征，已将其命名为“嫦娥石”，国际矿物协会新矿物分类及命名委员会也已对其进行了认定和批准命名。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，我国成为继美国、前苏联后，世界上第三个在月球发现新矿物的国家。![]()
嫦娥石的发现是中国航天、深空探索和太空矿物研究事业走到世界先进水平所结出的硕果，也是对全国人民最“硬核”的中秋祝福。在新闻中，核工业北京地质研究院的科研人员为发现和研究嫦娥石所付出的艰苦努力已经被广为报道，但是他们用到的研究技术、嫦娥石的组成和结构信息及地质意义，在新闻中却语焉不详。今天，我就来给大家做一个粗浅的解读。
月壤是由破碎的月球岩石形成的微粒，粒径只有几微米到上百微米，作为对照，头发的直径大约为几十微米。![]()
从毫克级别的珍贵月壤样品中，核工业北京地质研究院的科研人员对数以万计月壤颗粒逐一进行分析，发现其中有些颗粒含有某种磷酸钙类矿物，具有异常高的稀土元素含量，可能对应于一种未知的新矿物。然而，由于它的尺寸过于微小且与其他矿物共生在一起，无法分离出单晶体，因此无法解析出其精确结构。![]()
为了找到更多、更大的新矿物颗粒，核工业北京地质研究院又申请了一块月壤的镶嵌样品。这块样品是把14万颗月壤颗粒镶嵌在树脂中并抛光得到的，更便于对月壤的成分和结构开展研究。![]()
抛光的月壤颗粒暴露出其中的矿物组成信息。用扫描电子显微镜（SEM）进行观察，颗粒内不同的矿物表现出不同的灰度（SEM的背散射电子像，矿物的原子序数越大则图像越亮）。经过筛选，科研人员找到了几粒可以用于结构解析的“大块”新矿物，其实也就几微米到十几微米尺寸。![]()
接下来的挑战，是在微米尺度上，把新矿物与周围的共生矿物切分开，得到可用于结构分析的完美单晶体。采用的技术是聚焦离子束（FIB），即把高速、聚焦的离子束照射到样品上，对表面原子进行剥离，以完成微、纳米级表面加工。（上图为配有FIB系统的SEM真空腔室内部）![]()
经过FIB切割，得到了新闻报道中出镜的长条状样品。用微量的铂把样品焊接在一根细钨针上。![]()
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对矿物单晶体样品进行X射线衍射分析（XRD），从而解析出精确的晶体结构。
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沿各个轴向旋转样品，采集各个方向的衍射信息，才能解析出其结构
嫦娥石是什么？
嫦娥石的理想化学组成为(Ca8Y)□Fe2+(PO4)7。它是一种陨磷钠镁钙石（merrillite）类矿物，“陨”代表这种矿物在地球上没有发现，全都是天外来客，即陨石和月球样品；“磷”表示这是一种磷酸盐（PO43-）；“钙”表示主要阳离子为钙（Ca2+），即以磷酸钙（Ca3(PO4)2）为主要成分，另外含有钠（Na+）和镁（Mg2+），标准的组成为Ca9NaMg(PO4)7。由于Mg2+和Fe2+的性质和半径相似，在矿物中往往存在相互取代的关系。在嫦娥石中，原本由镁占据的位置就被铁所取代。嫦娥石不含钠。因为一个Ca2+被一个Y3+（稀土元素钇）所取代，多了一个正电荷，所以脱除了Na+来保持电中性，用“□”代表原来被Na+所占据的位置变成了空位。从晶体结构上看，嫦娥石可以分为两大部分，分别是[Fe(PO4)6]16-（在标准的磷钠镁钙石中是[Mg(PO4)6]16-）阴离子结构单元和[(Ca8Y)□(PO4)]16+（在标准的磷钠镁钙石中是[Ca9Na (PO4)]16+）阳离子结构单元。
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其中Fe2+具有六配位八面体结构（上图紫色图形），每个顶点连接一个[PO4]3-磷氧四面体（上图黄色图形），形成[Fe(PO4)6]16-“手镯-风车”型（bracelet-and-pinwheel）结构单元。![]()
阴离子结构单元层层堆叠（上图中蓝色为铁氧八面体，浅灰绿色为磷氧四面体），阳离子结构单元填充于其间（黄白相间的大球是Na+的空位，Na位是畸变八面体配位结构；橘黄色小球是Ca2+和Y3+， Ca位是八面体配位结构）。这样的晶体结构使得嫦娥石长成了新闻图片中所示的长条形。对应于只存在与地球之外的陨磷钠镁钙石类矿物，在地球上也存在一种天然的类似矿物——白磷钙石（whitlockite），理想化学组成为Ca9Mg(PO4)6(HPO4)，即用H+取代磷钠镁钙石（Ca9NaMg(PO4)7）中的Na+，且H+与磷酸根结合。区别在于地球岩石富含“水”——结合态的氢。氢是宇宙中最丰富的元素，太阳系的原始组成就富含水，然而月球和小行星缺乏大气层和磁场的保护，在经历高温（包括形成之初的高温、后续的撞击和火山活动）后岩石中的“水”大多脱离出来，逃逸到太空中；在地球上，由火山喷发带到地表（主要是海洋中）的水又会经由板块俯冲回到地下。因此，即便月球是由从地球上被撞飞出去的碎片构成的，具有与地球类似的整体元素组成，但月球岩石却非常缺“水”。在其他陨石和月球样品上，已经发现了多种陨磷钠镁钙石类矿物：![]()
事实上，自然界中很少存在完全符合理想化学组成的纯净矿物。一种矿物里的某种组成元素往往会被其他性质接近的元素所取代。就像水和酒精能够以任意比例混合一样，很多实际矿物的组成会在两种或多种具有相同结构、不同成分的理想矿物（被称为“端元”）之间连续变化，被称为“固溶体”。针对这种情况，负责管理和规范全世界矿物命名的国际矿物学协会新矿物及矿物命名委员会（CNMMN）规定，一系列固溶体的两个端元可以被认定为独立矿物，如果是多种元素取代同一位置的多元固溶体，那么其中一种取代元素占比超过50%的情况可被视为独立矿物。虽然嫦娥石的实测成分尚未公布，但根据其理想化学式的写法，与此前已发现的各种陨磷钠镁钙石类矿物相比，嫦娥石有显著的钇（Y）取代钙和其他稀土、钠位空缺、铁取代镁的成分特点，因而能够被承认为一种新矿物。相应地，嫦娥石的英文名称“Changesite-(Y)”中，后缀“-(Y)”就代表其组成中含有特殊成分——钇。
研究嫦娥石有什么用？
嫦娥石的特殊价值就来自其“身份”——富含稀土的磷酸盐。我们知道，组成地球和月球的壳和幔的主要岩石成分是硅酸盐类矿物，大部分是由岩浆凝固而成的，但是岩浆中不可避免地含有各种其他成分。在一批原始岩浆逐渐凝固的过程中，有些元素倾向于进入到先期凝固的硅酸盐岩石中，被称为“相容元素”；也有些元素不愿意进入固体硅酸盐，而是倾向于留在剩余的岩浆中，被称为“不相容元素”。随着越来越多的岩浆凝固为岩石，剩余岩浆里的不相容元素就越来越富集，直到岩浆最终完全凝固时无处可去，它们才被裹挟到最后凝固的岩石中。稀土元素和磷就属于不相容元素，因而嫦娥石的出现代表着最晚凝固的岩浆。寻找月球上最晚凝固的岩浆——这正是嫦娥五号任务的重大命题。![]()
嫦娥五号的着陆点（上图红点）位于月球正面的“风暴洋”地区。从前望远镜的分辨率不高，人们把月球上暗色的区域误认为是海洋，但实际上那里是岩浆凝固而成的玄武岩平原，但遵循传统，现在仍然用海洋来命名这些区域。风暴洋的火山喷发被认为是月球上最晚的大规模火山活动，大约在距今20-13亿年前。在地球这样的星球上，融化岩石引发火山活动和板块运动的热量来自于地心。这热量主要从两个来源获得，一是星球形成之时大量物质聚集，引力势能转化为热能；二是地球内部的放射性元素衰变产热。地球的体量足够大，因而在形成46亿年后的今天仍然维持着活跃的火山活动和板块运动，驱动着各种元素在地壳、大气、海洋和地幔之间循环。但是月球的体量太小，热量已大部分散失，因而已不再发生大规模的火山活动，被称为“死去”的星球。理论上，月球在大约25亿年前就应该已经冷却，那风暴洋火山的热量从何而来？此前，结合对风暴洋成分的遥感探测，认为是“克里普”成分维持了火山活动。所谓克里普，是钾（K）、稀土（REE）和磷（P）的统称（KREEP），它们都是不相容元素，富集于月球最后凝固的岩浆中，其中钾的放射性同位素钾-40以及与镧系元素性质相近的锕系元素钍（Th）和铀（U）的衰变产生热量，加热了这最后的岩浆，从而引发月球最晚的火山活动。然而，此前美苏两国均未获取到“年轻”的月球样品，已获得的最晚的样品形成于28亿年前。针对这个月球演化历史中的重大问题，嫦娥五号专门挑选了风暴洋中最年轻的区域作为着陆点，采集到20亿年前形成的样品，把这一领域的研究大大向前推进了一步。![]()
月壤来自于喷出月球表面的玄武岩，因而带有玄武岩中的长石、橄榄石等硅酸盐成分，嫦娥石分布于橄榄石和长石之间，而斜锆石ZrO2是利用从铀到铅的衰变过程测定岩石年龄的主要矿物，陨硫铁FeS则是在地球以外的非氧化性环境下形成的矿物
由于稀土元素与固体硅酸盐不相容，在岩浆演化的末期，它们会与同样不相容的磷酸盐结合，形成富稀土的磷酸盐矿物；初始含有镁和铁的岩浆在结晶过程中也会朝着贫镁、富铁的方向演化。因此，嫦娥石代表着月球最后的岩浆演化到末期的产物，且十余种稀土元素的含量规律可以用于精细地研究岩浆的形成、演化和结晶过程。期待对嫦娥石的后续研究能够解答更多关于月球过往的秘密。![]()
从气势磅礴的火箭发射出发，回归到对成千上万颗月壤微粒的耐心分析；从原子尺度的格致探微，又上升到星球演化的宏大叙事，这就是月壤研究，这就是“仰望星空，脚踏实地”。从陨石到月球，从火星到彗星小行星，中国科技工作者探索的“脚步”在向太阳系更深远的边疆延伸，在向追溯太阳系和行星起源与演化过程的未知领域迈进。在这伟大的征程中，嫦娥石是一块微小却闪光的里程碑。
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参考资料：
中央电视台. 《新闻直播间》20220910北京 我国首次发现月球新矿物“嫦娥石” “嫦娥石”：陨磷钠镁钙石族的一种矿物. （点击“阅读原文”可看视频）https://tv.cctv.com/2022/09/10/VIDE9ATH9CValMDdcaip6Dkz220910.shtmlXiande Xie, Hexiong Yang，Xiangping Gu, Robert T. Downs. Chemical composition and crystal structure of merrillite from the Suizhou meteorite. American Mineralogist, 2015, 100: 2753-2756.Bradly L. Jolliff, John M. Hughes, John J. Freeman, Ryan A. Zeigler. Crystal chemistry of lunar merrillite and comparison to other meteoritic and planetary suites of whitlockite and merrillite. American Mineralogist, 2006, 91: 1583-1595.ErnestH.Nickel, JoelD.Grice, 王立本. 国际矿物学协会新矿物及矿物命名委员会关于矿物命名的程序和原则(1997年).岩石矿物学杂志, 2020, 20(4): 415-424.李毅恒,汪在聪,何琦.玄武质陨石NWA 8545的岩石地球化学特征以及对其母体岩浆过程的启示.地质学报,2021,95(9):2889-2900中核集团. 月亮上真的有“嫦娥”！中国首次在月球上发现新矿物.
https://www.cnnpn.cn/article/32640.html国家航天局. 中国科学家首次在月球上发现新矿物国家航天局、国家原子能机构联合发布嫦娥五号最新科学成果.http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6840839/content.html
