在中国传统文化中，关于月亮的描绘是非常丰富的。赏着同一轮明月，诗人吟着“古月今照”，儒生颂着“君子如月”，道士数着“月圆月缺”，禅客品着“月映万川”……月亮，并不是一个表里一致的星球，它是有结构的——它的表面覆盖着土壤，内部为月岩，我们看到的“月亮”，实际上只是“月壤”。2020年底，我国“嫦娥五号”探测器顺利登月，带回1731克月壤。我们就从月球地质学的角度来探究月壤的奥秘。

月壤，究竟长什么样呢？看上去这是个很简单的问题，但分析起来，稍微有点复杂。从“嫦娥五号”探测器带回的样本来看，月壤呈现的是一种土黄色的散体状态。奇怪的是，1978年美国曾赠送给我国1克月壤，这块块状结构的月壤呈水泥灰色。然而，苏联取回的月壤颜色也是土黄色的。这是怎么回事呢？这是因为我国和美国在月球表面取样的地点是不同的，这就好比地球上的土有黄土、红土和黑土之分，其成土条件和成分不同，粒度、颜色等外观状态自然也不一样。

先前，美国和苏联的取样地点大都位于月球赤道附近。而我国“嫦娥五号”探测器的取样地点，经过科学家多次计算和勘测，最终确定在月球正面的风暴洋北部。这个取样地点更加靠近吕姆科山，大概在15亿年前这片区域曾发生过火山活动。需要说明的是，月球是一颗很不活跃的卫星，大部分火山都活跃在30亿～40亿年前。所以，这片区域的月壤更加“年轻”，科研价值也更大。

“阿波罗号”月壤取样点（左）与“嫦娥五号”月壤取样点（右）

“嫦娥五号”探测器着陆点

月壤披覆在月球表面，笼罩着月陆、月海、山脉、月谷、环形山等各种地貌。月球上是不存在水的，这个“海”当然也是“枯海”，实际是低于月球表面的巨型低洼盆地。前文所说的“风暴洋”就是最大的月海，面积约为500万平方千米。月陆，是较高的大面积区域，一般高出月海底面2～3千米，主要由浅色的斜长岩组成，反射率较高。正因如此，月球才有了“月亮”之名。环形山，是月球表面最显著的地貌，直径大于1千米的环形山有3万多个，使得月亮表面如同患过“天花”一般，“麻坑”满面。这些“坑”，绝大部分是陨石撞击形成的，其余的一小部分是火山活动造成的。所以每一个“坑”，都见证了着“磨难”。

俗话说：“上天容易，入地更难。”虽然人类已经完成了登月与取样，但是目前尚无能力钻透月壤层而直接测得它的厚度。在月球表面，有许多小一点的撞击坑，这些小坑能间接帮助我们了解月壤厚度。经模拟试验发现，当月壤厚度介于撞击坑直径的1/10～1/8时，可以形成“同心型”撞击坑。这样，根据月球表面不同区域各种“款型”的撞击坑，就能大概推算出月壤的厚度分布了。根据测算，月壤厚度比较薄，大致在0.02～10米之间。

月球表面不同形态的撞击坑：

A.碗状撞击坑；B.内隆起型撞击坑；C.平底型撞击坑；D.同心型撞击坑





月壤之质

在显微镜下，我们可以看到月壤是由岩石碎屑、粉末、角砾等形态的物质构成的，那些黑色的小颗粒，就是火山灰。还能看到一个非常有趣的现象——月壤颗粒具有气泡状的结构，这应当是在“撞击—重熔”作用下形成的。

月壤颗粒的三维显微结构

月壤呈现为松散结构，属于残余物或迁移物。不同于地球上风化作用产生的土，月球具有完全不同的内动力、外动力地质作用环境。在地球上，岩石受到的风化作用包括风、水、温差变化等，它们把顽固的岩石变得支离破碎，最终形成一片散土。月球上的作用没有这般丰富，却显得简单而独特。

从内动力作用来说，月岩的主要成分为玄武岩，它们是早期火山—岩浆活动的产物。玄武岩是黑色的，所以月球表面就是灰蒙蒙的颜色。月球的外动力主要为温差作用，其昼夜温差可达300℃，白天高达130℃，晚上低至-180℃。要知道地球上最大温差才50℃左右。对此，有人觉得很奇怪，地球、月球与太阳的距离差不多，为何温差这么大？关键在于月球没有大气层，它完全暴露在太阳的辐射下，不能散热，也不能隔热。例如，月球上的一块石头，阳光照到的一面，温度就会陡然上升至最高，而背阴的一面却处于极低温的状态，很容易被温差风化。月球的一昼夜相当于地球上的一个月，再硬的石头，也会猝然崩解，由岩成土。在漫长的岁月里，月壤的粒度会越来越小，甚至达到几十微米（头发丝粗细大小）。此外，还有陨石撞击的影响，撞击作用不仅能使月岩破裂，撞击产生的高温作用也会使岩石的碎片重新“熔合”在一起。所以，在显微镜下能够看到玻璃状的重熔态物质。

月壤“撞击—重熔”作用示意图

月壤的矿物成分主要为斜长石、辉石和橄榄石，以及钛铁矿、二氧化硅等矿物。月壤中的化学元素在地球上皆有，从这一点上来说，也体现了地球与月球在物质上是统一的，科学家们甚至一度认为月球来自地球。在月壤诸多化学元素中，铁是含量排在第一位的金属元素。因为月球没有氧气，铁元素处于一种高度还原的环境下，仅以二价铁的状态存在着。比如钛铁矿，它是一种灰黑色的矿物，从而在本质上决定了月壤的主色调。

地月之间的距离有38万千米之遥，往返一趟，不仅费时费力，而且还很烧钱。费尽心思取回这么一点点土，有用吗？归纳起来，月壤的价值至少体现在以下3个方面：

一是科学研究。探月工程本身就是一项科学研究活动。关于月球，迄今还有许多悬而未决的问题，涉及月球地质学、撞击坑年代学、月岩学、月壤学和月球动力学等学科。比如月球火山活动时限问题，先前研究认为远古月球大约在43.5亿年前开始发生火山活动，但是结束时间尚不明确；月壤中的相当一部分物质来自月球深部的月幔，取回月壤，就能由表及里推知它深部的情况；月壤中还有一部分外来物质（溅射物），分析这些物质，就能了解月球撞击坑的具体年代。此外，还有许多其他问题都等待着探取的土样给出答案。

二是资源开发。与地球相比，月球有着独特的演化环境和地质背景，其稀有资源非常丰富。比如氦-3，这种元素与氘在超高温下可以发生核聚变，生成氦-4和质子（氢）。值得一提的是，这种聚变不产生中子，不存在辐射，完全无污染，是一种名副其实的清洁能源。氦-3主要来源于太阳风，因为月球没有大气层，能够很好地“保管”这些资源。据推算，地球上的氦-3只有500千克，且十分分散，几乎没有开发价值；而月壤中的氦-3可达100万吨，这个数量按照人类目前对能源的消耗水平，用上一两万年都不成问题。此外，月球还有相当丰富的钛、铁、稀土等元素，以及多种地球上没有的矿物，如静海石。依此看来，月球就是一座巨大的资源宝库，等待着人类开发。

太阳风示意图

三是战略意义。探月工程是一个复杂的系统工程，它需要强大的科技力量作支撑，所取得的科研成果，又会反过来强烈推动科技的发展。实施探月工程，需要集合宇宙学、空间天文学、空间材料学等学科理论，带动信息技术、遥感技术、新能源技术、新材料技术等高新技术的发展。事实上，20世纪美国之所以拥有领先于世界的科技水平，很大程度上来自对“阿波罗”探月工程技术的开发和应用。我国古代天文学成就卓然，现代航空航天事业的发展更是突飞猛进，中国人对星空的探索从未止步，也必将永无止境。

致谢：

感谢国家自然科学基金（42042054、42177123）、中国矿业大学教学研究项目（2020YB20、2018ZX06）、中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目（2019YJSJG011）、地质工程专业国家一流专业建设点资助项目、江苏高校优势学科建设工程项目支持。

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