月球土壤（lunar soil64；Lunar Regolith52，简称月壤）是指覆盖在月球表面基岩以上的松散颗粒堆积物质，是经陨石撞击、宇宙射线轰击、剧烈温度变化而破碎后的产物。9773

月球土壤与地球土壤的形成过程不同，月壤是在陨石和微陨石的频繁撞击、撞击溅射物堆积、宇宙射线和太阳风的轰击，以及剧烈的温差促使月表岩石热胀冷缩破碎等机械作用下最终形成。61月壤的早期研究基本上确定了月壤是三类主要物质的混合物，即高地岩石和角砾岩、克里普岩（KREEP）以及月海玄武岩和火山玻璃。51月壤的化学成分、岩石类型和矿物组成复杂，每一个月壤样品都由多种岩石和矿物组成。53土壤中富含氦-3，氦-3因为在聚变过程中不产生中子，放射性小，被视为一种高效、清洁、安全、廉价的可控核聚变发电燃料。66月壤不含任何有机养分，而且非常干燥，无法种植物67；但月壤对研究太阳系空间物质和能量有帮助，可以让人类更好地了解月球的历史与地月系的演化过程67；此外，人类对月壤的认识和研究是月球探测，以及未来建立月球基地、利用月球等不可或缺的基础。73

截至2024年9月，美国阿波罗采300多公斤月球样品67，苏联采回了三次月球样品66。中国嫦娥五号带回1731克月球样品，成为第三个能够成功在月球表面采集土壤和岩石样品并带回地球的国家66。2024年6月，嫦娥六号首次在月球背面取样月球土壤72。9月6日，研究表明，在1.2亿年前，月球仍存在火山活动。9111月，嫦娥六号月壤样本首批研究成果发布。106

形成演变

形成机制

月球的地质可粗略描述为月球早期表面是岩浆洋，随着岩浆的冷却斜长石最先结晶并上浮，逐渐冷却堆积形成月球高地。大撞击事件形成了大型的撞击盆地，后期玄武岩、岩浆进一步充填盆地。随后的流星体持续轰击引起局部的月海和高地物质混合。经过几十亿年的撞击作用，月表基岩逐渐被破裂粉碎形成月壤。月球没有大气，月表昼夜温度变化幅度很大，岩石的热疲劳作用也会加速月壤的形成。太阳风粒子、宇宙射线和微陨石的撞击是月壤性质改造的重要过程。太阳风注入氢、氦等气体或离子，改变了月表矿物的晶体结构及光谱性质，并带入了外来的成分；微陨石轰击主要产生颗粒局部熔融和溅射，改变颗粒表层结构特性。77

与地球土壤的形成过程不同的是，月壤是在氧气、水、风和生命活动都不存在的情况下，通过陨石和微陨石撞击、宇宙射线和太阳风持续轰击、大幅度昼夜温差变化导致岩石热胀冷缩破碎共同作用于月球表面而形成。因此，月壤的形成主要受机械破碎作用控制，其中陨石和微陨石撞击起主导作用。52

起源学说

  • 松散粘性土假说

由于在真空条件下尘埃粒子表面没有氧化膜，所以需要考虑尘埃粒子接触处的粘性。月球表面月壤结构松散，在上层月壤重力和陨石频繁撞击的影响下，越往深处月壤越密实。

  • 大块矿物构成月壤

月貌是由于陨石撞击而形成的。在陨石撞击过程中形成了大量的碎屑物质层，这种物质层在撞击坑坑唇附近的厚度为10米-100米，在撞击坑之间区域的厚度达到1m。在这种情况下，月壤表层是由松散多孔的物质构成，这些物质是由陨石频繁撞击产生的。

  • 尘埃覆盖层假说

生于奥地利的天文物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）提出尘埃覆盖层假说，他指出月海平原由尘埃填充组成，尘埃填充层的厚度最高可达数千米。他认为，月球土壤表面遭到的陨石撞击引起了尘埃堆积和破碎岩石的出现。95

  • 陨石物质构成假说

在月球表面完全没有发生物质破碎的情况下，陨石频繁撞击月球会使陨石物质不断沉积并形成物质层，该物质层的增幅为每109年增厚1cm。95

演化历程

陨石和微陨石撞击使月壤产生一些明显变化：

  1. 大块岩石和粗颗粒月壤被粉碎成小颗粒、细颗粒；

  2. 大型陨石撞击使月表岩石和月壤部分熔融，胶结形成角砾岩；

  3. 微陨石撞击使撞击靶月壤颗粒部分熔融，熔融物质使细颗粒月壤胶结形成粘合集块岩；

  4. 各种强度的撞击事件使溅射物和撞击靶汽化，散落于月表月壤颗粒表面；

  5. 中等以上强度的撞击形成直径数米以上的撞击坑，溅射物覆盖临近地区的月表月壤，这类撞击挖掘被掩埋的原有月壤，使其再次暴露月表接受宇宙射线、太阳风和微陨石的作用；

  6. 连续的撞击事件使月壤纵向翻腾、随机混合；

  7. 大型撞击事件穿透月壤层，粉碎下伏基岩并使基岩物质出露于月表，从而形成该地区的特有月壤；这类撞击也可能使撞击区月表物质大面积熔融，冷却形成熔融被覆盖月表；撞击事件产生的溅射物在其散落月表时又可能形成二级甚至三级撞击坑，撞击能量逐步降低。52

月壤分类

广义的月壤（Lunar Regolith）是指覆盖在月球基岩之上的所有月表风化物质，包括直径为几米的岩石：狭义的月壤则是根据月球样品的分类来定义的。阿波罗计划负责月球样品地面接收的部门在进行月球样品的分类时，把直径≥l 厘米的团块作为岩石对待，进行处理和研究，称为月岩（Lunar Rocks）；直径<1 cm的颗粒才是狭义上的月壤（Lunar Soil）；而月尘（Luna rDust或Lunar Fines）则是指月壤中直径<1毫米的颗粒。所有月球样品均采自于月壤层，本百度百科中所说的月壤，若非特别说明，均指广义月壤。52

月球极区月壤包括干燥月壤和含水月壤。基于混合物理论，含水月壤内部结构由土颗粒、冰、孔隙组成。59

成分特性

根据阿波罗系列探测任务、月球探测任务、嫦娥探月计划得到的数据分析结果，月壤及月岩的化学组成主要是硅、镁、铝、钙、铁、锰、镍等14种元素的氧化物。月壤的密度约每立方厘米1.5克，月壤中的矿物碎屑主要为橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿、尖晶石、玄武岩、斜长岩、橄榄岩、苏长岩、角砾岩碎屑、熔融岩、微角砾岩、撞击玻璃、火成碎屑玻璃等。

阿波罗11、12号着陆在月海玄武岩地区，采集的月壤样品以月海玄武岩碎屑及铁镁质矿物（如辉石、橄榄石等）为主；阿波罗16号着陆在月球高地，阿波罗14号着陆在雨海盆地溅射物堆积形成的山脊上，这些地区采集的月壤样品以斜长岩碎屑和斜长石占优势；阿波罗15、17号着陆在月海平原和高地的结合带，这些地区的月壤物质明显是月海和高地两端元的物质混合，同时含有月海和高地的岩石碎屑和矿物。52

月壤物质主要来源于下伏基岩及其邻近地区，远距离搬运的外来物质所占比例很低。月球样品研究表明，月壤中超过50％的组成物质来自以采样点为中心、半径为3千米的区域内；来自100千米以外的溅射物仅占全部组成物质的5％；来自1000千米以外的溅射物仅占0.5％。因此，月壤的矿物组成和化学成分可以反映下伏基岩的物质组成。52

化学成分

月壤中存在着天然的铁（Fe）、金（Au）、银（Ag）、铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）、锑（Sb）、铼（Re）、铈（Ce）矿物颗粒，不富含其他的有机养分，表面非常干燥。对比于土壤来说，月壤颗粒更细小且直径也不足1mm。53

利用绕月探测器的反照率数据、NIR-VIS-UV光谱、二次X射线荧光等遥感信号研究月表物质组成和特性时，把美国阿波罗（Apollo）和苏俄Luna计划采样区月壤（特别是月壤样品中的细颗粒相）的平均组成和平均理化性质作为遥感信号反演结果校正的月面真值（GroundTruth）。校正质量的优劣取决于这些“月面真值”能在多大程度上代表这些采样区的平均情况。虽然绕月探测器和地基对月观测的空间分辨率远远大于Apollo和Luna采样区的面积，但月表各采样区的平均矿物组成和平均化学成分仍然是进行遥感信号反演结果校正的最佳近似值。53

科学家根据阿波罗（Apollo）和Luna计划月球样品的化学分析结果，估算了月表各采样区的月壤平均化学组成，以及Apoll015、16、17采样区部分采样点的月壤平均化学组成。53

阿波罗采样区部分采样点的月壤平均化学组成及其质量分数

阿波罗11着陆点

阿波罗12着陆点

阿波罗14着陆点

阿波罗15着陆点

阿波罗16着陆点

阿波罗17着陆点

Luna16采样点

Luna20采样点

Luna24采样点

TiO2

7.8%

3%

1.7%

1.4%

0.54%

4.2%

3.4%

0.55%

1.3%

Al2O3

13.6%

12.9%

17.4%

14.6%

27.3%

17.1%

15.3%

22.3%

12.5%

Cr₂O₃

0.3%

0.34%

0.23%

0.36%

0.33%

0.33%

0.28%


0.32%

FeO

15.3%

15.1%

10.4%

14.3%

5.1%

12.2%

16.7%

7%

19.8%

MnO

0.2%

0.22%

0.14%

0.19%

0.3%

0.17%

0.23%

0.13%

0.25%

MgO

7.8%

9.3%

9.4%

11.5%

5.7%

10.4%

8.8%

9.8%

9.4%

Na₂O

0.47%

0.54%

0.7%

0.39%

0.46%

0.4%

0.34%

0.5%

0.31%

K₂O

0.16%

0.31%

0.55%

0.21%

0.17%

0.13%

0.1%

0.1%

0.04%

P₂O₅

0.05%

0.4%

0.51%

0.18%

0.11%

0.12%

0.12%

0.16%

0.11%

S

0.12%



0.06%

0.07%%

0.09

0.21%

0.08%

0.14%

CaO

11.9%

10.7%

10.7%

10.8%

15.7%

11.8%

12.5%

15.1%

12.3%

Sc

60（10-6）

38（10-6）

23（10-6）

25.3（10-6）

8.7（10-6）

37（10-6）

37（10-6）

16（10-6）

34（10-6）

U

0.5（10-6）

1.7（10-6）

1.5（10-6）

0.73（10-6）

0.53（10-6）

0.41（10-6）

0.25（10-6）

0.29（10-6）

0.26（10-6）

Th

1.9（10-6）

6.4（10-6）

6.7（10-6）

2.3（10-6）

2（10-6）

1.9（10-6）

0.8（10-6）

0.85（10-6）

1.1（10-6）

La

16（10-6）

39（10-6）

70（10-6）

26.3（10-6）

10.7（10-6）

8.5（10-6）

13（10-6）

5（10-6）

5（10-6）

参考资料：53

科学家从阿波罗各次登月点月壤的平均化学组成出发，计算了各次登月点颗粒直径在90~150微米之间的月壤的平均矿物组成和标准矿物组成。平均矿物组成是在假设月壤不含石英、磷灰石和黄铁矿，而由长石、辉石、橄榄石、钛铁矿和尖晶石组成的前提下根据CIPW计算得到的。标准矿物组成是在假设月壤中不含玻璃、角砾岩和粘合集块岩等非矿物的前提下计算得到的。53

备注：这两种方法得到的计算结果之间存在一定差异，原因可能在于计算的假设前提条件并不完全成立，从化学组成出发根据CIPW计算矿物组成并不适合月壤样品等。53

阿波罗登月点月壤平均矿物组成及其体积分数

长石

橄榄石

辉石

不透明矿物

阿波罗11号

26.7

3.2

53.7

16.3

阿波罗12号

23.0

8.7

来源: 百度百科

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