首个嫦娥五号月壤模拟物——IGG-01 |阮仁浩等-Acta Astronautica

月球的真空环境使得其表面岩石在地质历史中遭受宇宙射线、太阳风、微陨石及陨石撞击等太空风化作用，形成细粒月壤覆盖在几乎整个月球表面。因此，月壤记录了月球的演化历史，同时也是最易获取的资源，可用于原位资源利用、建设月球基地等。但是，月壤样品稀少而珍贵，不能直接用于地面大量分析测试的需求。而使用地球上的岩石、矿物等制备月壤的“模拟物”，也称为“模拟月壤”，通过复制、匹配月壤的物理化学性质，替代月壤进行大量科学与工程实验显得尤为重要。

月壤的类型主要分为两大类：月海玄武质月壤和月球高地斜长质月壤，其中，月海玄武质月壤又可进一步划分为低钛、中钛以及高钛类型。截至目前，国际上已经研制出29种月海玄武质月壤，全部分布在低钛（<3 wt%）、高钛（>7 wt%）范围，但中钛（3-6.7wt%）玄武质月壤缺失（图1）。

图1（a）嫦娥五号月壤TiO2含量相比于目前所有月海玄武质模拟月壤的分布；（b）月球正面月壤TiO2含量分布直方图

2020年12月，我国的嫦娥五号任务实现我国首次地外天体采样。该任务带回的样品TiO2含量（5.5 wt%）正好落在中钛的区间，同时，遥感探测结果显示，与嫦娥五号月壤成分相近的中钛月壤在月面广泛分布，然而类似化学成分的模拟月壤却还未见报道。

为此，中国科学院地质与地球物理研究所比较行星学课题组博士生阮仁浩和导师杨蔚研究员，与合作者一起，以嫦娥五号月壤为参考，研制了中钛玄武质模拟月壤。研究团队首先确定了模拟月壤研制所需原材料的各项标准：（1）需为含相对高的Ti、Fe含量的玄武岩，（2）矿物成分以单斜辉石、斜长石为主，（3）可大批量采集、交通运输便利。随后在细致的地质考察之后，确定内蒙古乌兰察布乌兰哈达火山群作为采样位置。乌兰哈达玄武岩矿物与嫦娥五号月壤比较接近，但CaO、TiO2以及FeO含量相对较低，因此，为了进一步匹配化学、矿物成分，通过添加钙铁辉石、普通辉石、拉长石以及钛铁矿等4种单矿物进行混合（图2），研制了一种新的中钛玄武质模拟月壤- IGG-01（“地质地球所一号”）。

图2 IGG-01模拟月壤的制备过程，首先在鄂式破碎机中将样品研磨低于3mm的粒径，随后在盘式研磨仪中按配方进行混合和细致的研磨，最后筛分获得小于130目的粒径样品，调整模拟月壤的粒径分布以确保与嫦娥五号月壤匹配

结果显示，IGG-01的中值粒径为68.69 ± 4.44 μm, 整体粒径分布范围与嫦娥五号月壤相似，它的比表面积被评估为0.34 m2/g。化学成分特征主要表现为含有17.6 wt.%的FeO以及4.8 wt.% TiO2，矿物组成为辉石（49.3 wt.%），斜长石（40.9 wt.%），钛铁矿（6.1 wt.%），以及橄榄石（3.7 wt.%）（图3），比重和体积密度分别是3.33 g/cm³ 和1.86 g/cm³。它的内摩擦角为41.8°，粘聚力是19.2 kPa。它在可见及近红外反射光谱中分别于1、2 μm波段中心出现强、弱明显的吸收特征。总的来说，IGG-01模拟了嫦娥五号月壤的化学和矿物组成，粒径分布的匹配度也较高。

图3 IGG-01模拟月壤和嫦娥五号月壤的对比，包括：化学成分（a）、粒径分布（b）、XRD模式图（c）以及相应主要矿物相的含量（d）

IGG-01是首个嫦娥五号月壤模拟物，不仅填补了中钛玄武质模拟月壤的空白，而且可以广泛应用于科学研究、载荷测试以及原位资源利用等相关实验，如：对带电等离子体迁移、太阳风注入的水的形成、氢气还原制备月壤中的氧气、巡视车和钻探模拟试验等研究和测试。

研究成果发表于国际宇航学领域专业期刊Acta Astronautica（阮仁浩,杨蔚*,张棣,田恒次，Qi Zhao，Yuan Zou，Bin Yu. A moderate-Ti lunar mare soil simulant: IGG-01 [J].Acta Astronautica, 2024, 224: 148-160. DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.08.010.）