“嫦娥五号”细粒月壤快速、便捷、定量矿物学表征和化学分析新方法

近日，西北大学地质学系、西北大学-香港大学地球与行星科学联合中心宋文磊副教授、博士生陈倩与桂林理工大学地球科学学院陈宏毅教授等合作利用矿物自动定量分析系统（TIMA）对近8万颗“嫦娥五号”细粒月壤样品实现了快速、量化且准确的矿物学特征参数表征，并成功定量了细粒月壤的化学组成，为未来稀少地外返回样品的精细矿物学研究及准确化学定量提供了新的测试方法。研究成果近期发表在国际光谱学专业期刊《Atomic Spectroscopy》上（Automated Fast and Quantitative Mineralogical Characterization of Chang’e-5 Lunar Soils. https://doi.org/10.46770/AS.2024.202）。西北大学宋文磊副教授和桂林理工大学陈宏毅教授为该论文共同通讯作者。

月壤是月球样品返回及遥感观测的直接对象，对我们了解月球的物质组成、形成和演化历史以及月球资源利用等具有重要意义。月壤在形成过程中经历了反复破碎、压实、熔融和胶结等作用，致使其物质组成和结构十分复杂且粒径细小，多以微米（μm）尺度为主。传统的矿物学分析方法很难快速准确地表征其矿物化学特征，且相对耗时耗力。近年来发展起来的基于高分辨率场发射扫描电镜-多能谱系统并结合计算机图形和数据处理技术的矿物自动定量分析系统，可实现对复杂地质样品的矿物种类、含量、成分、粒度、形态、共生关系和元素赋存状态等矿物化学参数微区原位的快速统计分析。

 图1. TIMA仪器结构与分析流程示意图

       研究人员利用西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室的矿物自动定量分析系统（TIMA，具体分析流程见图1）对“嫦娥五号”细粒月壤样品采用点阵模式扫描分析，在45个小时内快速识别出79604颗粒径大于2μm的月壤颗粒，所获矿物类型和含量占比与前人通过XRD和激光拉曼分析结果基本一致（图2）。基于矿物含量及其化学成分计算的月壤全岩化成组成，也与前人通过XRF、INAA和ICP-MS获得的测试结果高度一致。同时，TIMA定量统计的矿物共生关系显示辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿等矿物密切共生（图2），表明样品主要为嫦娥五号着陆区当地玄武岩破碎再胶结的产物。研究进一步统计了月壤颗粒粒径分布特征以及矿物种类、含量和颗粒整体化学组成随粒径的演化趋势（图3）。此外，TIMA还可针对磷灰石、锆石、陨硫铁等月壤次要矿物进行快速（结构和成分等）筛选并定位或归类，为更进一步的微区微束分析（如TEM、EPMA、LA-MC-ICPMS和SIMS等）提供关键矿物学数据参考。

 图2. TIMA统计的不同粒径月壤颗粒伪彩矿物相图、矿物含量和主要矿物共生关系图

 图3. 月壤颗粒粒径分布直方图以及矿物含量、颗粒化学组成与粒径的变化趋势图

该研究表明TIMA测试相对于传统矿物学手段能够快速准确获取小粒径（<20微米）地外样品的结构和化学组成，并将其矿物产出状态和成分特征密切关联，在较少样品损耗情况下获取对原始月岩物质特征及月壤演化规律的系统认识。同时，TIMA分析还可获得不同粒度岩屑、矿屑、玻屑的形态特征和分布规律，为未来载人登月和资源原位利用等航天工程提供重要参考。综合来看，包括TIMA在内的矿物自动定量分析技术是实现细粒地外样品微区矿物结构和化学分析的新方法，具有高效，便捷，微区等分析优势，极大地节约了对海量细粒月壤颗粒进行研究的时间和人力成本，可作为月壤等地外天体返回样品研究流程的重要基础环节之一。

图4. 月壤颗粒中陨硫铁的伪彩单矿物形态特征和成分变化规律

西北大学郭壮副教授、黄康俊教授、袁洪林教授、博士生许丹妮和王星，中国地质大学（武汉）汪在聪教授和李毅恒博士等也参与了该研究工作。样品得到国家航天局嫦娥五号返回月球样品的支持（CE5C0200和CE5C0400），该研究得到国家自然科学基金项目（42130102，42273070和42473051）的资助。

[原文]

Qian Chen, Wenlei Song*, Zaicong Wang, Hongyi Chen*, Zhuang Guo, Yiheng Li, Danni Xu, Xing Wang, and Kangjun Huang. Automated Fast and Quantitative Mineralogical Characterization of Chang’e-5 Lunar Soils. Atomic spectroscopy, 2024, 45(5), 381-390. https://doi.org/10.46770/AS.2024.202.

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通信作者简介

宋文磊,西北大学地质学系副教授，2014年获北京大学矿物学、岩石学和矿床学博士学位。主要研究方向为关键金属元素成矿作用等。主持国家自然科学基金面上项目3项，获2021年西北大学学术英才项目支持。以第一或通讯作者在 Geology、CMP等权威期刊发表论文20余篇。

通信作者简介

陈宏毅，桂林理工大学地球科学学院教授。2018年获桂林理工大学资源勘查工程博士学位，现任桂林理工大学学报编辑部副主任（主持工作），副主编，地质博物馆副馆长，广西地质学会旅游地质与科普专业委员会副主任委员。主要研究方向陨石学与行星化学，月球、火星和灶神星的早期演化。在《Journal of Geophysical Research：Planets》《American Mineralogist》《Nanomaterials》《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》《Lithos》等刊物上发表论文30余篇，科普论文10篇，编（译）教材、专著等6部，主持国家自然科学基金项目3项，广西科技计划项目2项，横向项目11项，参与完成国家自然科学基金项目5项。

国际SCI期刊Atomic Spectroscopy (AS) 由Dr. Walter Slavin于1962年创办，2020年1月转至中国团队全权负责，由Atomic Spectroscopy Press Limited, Hongkong, P.R. China出版发行，2023年影响因子为3.4(JCR Q1, 中科院二区)。AS密切关注原子光谱(AAS, AFS, ICP-OES, ICP-MS, GD-MS, TIMS, SIMS, AMS, LIBS, XRF, SEM-EDS, EPMA,NAA, SR-based techniques等）新方法及其在各学科领域中新应用、仪器/部件研发、元素同位素样品前处理技术、标准物质开发等。AS编委会由来自10多个国家的60余位知名学者组成，中国科学院地质地球所李献华院士担任主编，中国地质大学（武汉）郭伟教授任执行主编，厦门大学杭纬教授、中国地质大学（武汉）胡兆初教授、德国Justus Liebig University Giessen大学Michael Dürr教授任副主编。AS期刊主页: www.at-spectrosc.com。

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