中国有哪些月球样品？
吴福元等
中科院物理所
2022-07-23 13:30:52
转自公众号：中科院地质地球所
2020年12月17日，嫦娥五号探测器成功降落在我国内蒙古四子王旗的预定区域内。这是继苏联1976年Luna（月球）24采样后，人类时隔44年再次从月球返回样品。12月19日，国家航天局将嫦娥五号采集的1731g月球样品移交给中国科学院。同日，中国科学院将移交的月球样品正式转交给国家天文台。
2021年2月27日，嫦娥五号月球样品首次在中国国家博物馆展出，并随后在南京、香港、深圳等地展示。2021年7月12日，国家航天局探月中心在国家天文台召开嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式，并举行新闻发布会，我国月球样品科学研究工作正式启动。嫦娥五号月球样品的成功返回，引起了我国公众的极大兴趣与深空探测热情。
除刚返回的1731g样品外，我国究竟还有哪些月球样品，它对我国即将开展的月球样品研究又有哪些借鉴意义，这些都是学术界十分关注的重要问题，同时也是我国公众长期以来的关注所在。
二十世纪六、七十年代，美国和苏联对月球进行了大量而卓有成效的探测和样品返回。1969年7月20日，Apollo（阿波罗）11号成功降落在月球的静海地区（Mare Tranquillitatis），宇航员Neil Armstrong和Buzz Aldrin在月球上开启了人类地外样品采集的壮举。
7月24日，阿波罗11号返回地球，所采集的月球样品第二天被送进美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称NASA）下属的月球样品接受实验室（Lunar Receiving Laboratory，简称LRL），月球返回样品的研究工作开始启动。
7月29日，第一个月壤样品（10005）化学分析数据出炉，结果显示，月球表面的成分与我们的地球相差甚远，其中最为重要的发现是，月球的表面无水。
根据当时制定的规划，也受到第一次登月所获得的巨大成就的影响，美国后来又陆续成功实施了阿波罗12、14、15、16和17等五次任务，共采集回月球样品381.7kg。这些样品为后来研究月球的形成与演化历史提供了极为重要的资料，同时开启了行星科学的新纪元。
在美国成功实施月球样品返回的同时，苏联1970~1976年间成功实施了3次无人月球样品采集与返回。但由于样本采集量较小，该计划的影响要逊于阿波罗计划。月球样品无疑是珍贵的。美国总统尼克松1970年以礼品的形式向全球135个国家和地区、美国的50个州和属地及联合国赠送了阿波罗11号样品。该礼品包含一面受赠方的旗帜，和镶嵌在亚克力有机玻璃盒中的四颗米粒大小的月壤颗粒，重量约50mg。
送给世界各国和地区的礼品下方写有：“This flag of your nation was carried to the moon and back by Apollo 11, and this fragment of the Moon’s surface was brought to Earth by the crew of that first manned lunar landing”。
赠送给中国的此份礼品当时被保存在台北的“中央研究院”，目前保存在台中的自然科学博物馆。关于赠送样品的属性，目前少有讨论。由于赠送的4小粒样品被放置在亚克力有机玻璃之内，因此受赠方收到样品后，主要将其收藏展览，并未见到有关这些样品的研究报道。在本文后面的介绍中我们将会提及，该样品可能的编号是10085。
1973年3月，美国第二次向全球135个国家和地区、美国的50个州及5个属地赠送阿波罗17号样品。与上次不同的是，此次被压在亚克力有机玻璃中的是重约1g的玄武岩小块，它来自编号为70017的高钛玄武岩，该玄武岩块总重2957g，由阿波罗17号宇航员Harrison Schmitt和Eugene Cernan采集。
该礼品有两段文字，其中上方的文字是：“This fragment is a portion of a rock from the Taurus Littrow Valley of the Moon. It is given as a symbol of the unity of human endeavor and carries with it the hope of the American people for a world at peace”；而下方的文字是（对受赠方而言）：“This flag of your nation was carried to the moon aboard Spacecraft America during the Apollo XVII mission, December 7-19, 1972”。
由于信息渠道的限制，中国目前到底有多少月岩样品，我们并不完全知晓。除中国台中自然博物馆的阿波罗11月壤外，北京至少还保存有另外两件阿波罗月球样品。
北京天文馆的阿波罗17号月球样品在国内具有很高的知名度，其主要原因是该样品曾被我国科学家做过研究，并发表过系列学术论文。根据欧阳自远院士的叙述，1978年5月，为推动中美尽快建交，时任美国总统国家安全事务助理布热津斯基到访中国，并受到华国锋主席的接见。
布热津斯基代表卡特总统向华国锋主席赠送了两件礼品：一面很小的中华人民共和国国旗和一块嵌入有机玻璃里的月球岩石。这颗黄豆粒大小，重量仅1g左右的阿波罗月球样品后来由国务院办公厅转移到中国科学院，并委托中国科学院地球化学研究所组织承担“阿波罗-17（70017-291）月岩样综合分析测试和研究”任务。任务完成后，剩下的约0.5g玄武岩样品保存在北京天文馆，用以科普展览。
尽管当时研究手段有限，但这是我国科学家首次对月球样品的研究，对我国后来月球探测与研究具有重要的推动作用。
北京天文馆的阿波罗17玄武岩并非北京保存的唯一一件月球样品。中国国家博物馆展出有一件“尼克松总统送给毛泽东的礼品——月球表面碎片及美国国旗”。据称，该展品是1971年7月美国总统国家安全事务助理基辛格秘密访问中国时，作为尼克松总统的礼品，请周恩来总理转赠毛泽东主席的。
基辛格后来于2013年访问中国时，还在此礼品前留影纪念。
在该礼品的下部，有一段这样的文字：“This flag was carried to the Moon and back by Apollo 12. The fragment of the Moon’s surface was brought to Earth by the crew of that manned lunar landing in November 1969”，明确注明这是来自阿波罗12号的样品。
值得注意的是，与样品同时赠送的是美国国旗，而不是中国国旗。
除上述两件来历比较明确的月球样品外，坊间传说1972年尼克松访华时，带来两只特殊的派克金笔作见面礼。在该笔的笔杆上有块小平板，里面植入了阿波罗15号采集的月壤，小板上刻有“Traces of Lunar Material Apollo 15”。这两只钢笔据说被送给了当时上海市的姚文元和浙江省的南萍。
作者没见过这份礼物的照片，也没有见过相关的正式介绍。但尼克松1972年确实访问过上海和杭州，上海市和浙江省还为尼克松的到访举行了欢迎宴会。
比较意外的是，中国科学院地质与地球物理研究所博物馆保存有另外一件阿波罗月球样品（Lunar dust）。该样品为原中国科学院地质研究所博物馆藏品，样品标注为“月球尘”，产地“美国阿波罗”，采集时间为“1971.5.26”。
由于这一时间与任何一次阿波罗任务都不吻合，因而对此件样品的身世及具体性质也就没有明确的说法。据当年接收此样品的博物馆人员回忆，这是由上级主管部门转来的美国国家元首赠送给中国国家领导人的礼品。但由于当时正值“文革”期间，因而对这件样品的记录信息很少。
为揭开此件样品的秘密，中国科学院地质与地球物理研究所对其进行了全方位的研究，确认其为阿波罗11号月壤。
其主要证据如下：CT扫描图像显示，该样品组成颗粒大小混杂，但主体粒度<1mm。样品中存在特征的岩块，大量形态各异的冲击角砾、玻璃以及小颗粒的金属物质；选取样品中较大的岩石颗粒进行进一步研究发现，其主要为含钛铁矿的玄武岩，其橄榄石、辉石和长石均显示月球的成分特点；对玄武岩颗粒进行全岩成分恢复，发现为高钛玄武岩。
结合全岩MgO、TiO2的具体含量及部分岩屑K2O含量偏高的事实，可以确定其为阿波罗11玄武岩；样品中成分均匀的玻璃有两种，分别为苦橄质和玄武质；对玄武岩块中含磷、锆矿物颗粒进行Pb-Pb同位素测试发现，它有3570Ma、3700Ma和3850Ma三组年龄，与阿波罗11号玄武岩发表的年龄及分类一致；样品中还发现部分富铝岩石碎屑，据其矿物成分，可确定其为高地岩石的富镁岩套和斜长岩。
因此，上述各项研究均指向该样品为阿波罗11月壤。在明确上述样品的属性后，剩下两个问题需要讨论。第一是样品编号；第二是它如何来到了当时的中国科学院地质研究所。
在讨论第一个问题前，我们首先需要了解阿波罗11号的样品采集情况。1969年7月20日，阿波罗11号宇航员Neil Armstrong走下悬梯后，为防止需要立即返回飞船，他随即在飞船1.5m范围附近采集了一些样品，然后装袋放置于自己的宇航服中。
该样品被称之为应急样品，重1015g。其中>10mm的岩块被编号为10021-10032，而<10mm的月壤被编为10010，重492g。在随后的舱外活动期间，Armstrong用铲子共在22~23个位置随机铲取月壤，并将其置于已放置大块样品的特制样品袋中，以防止大块样品间的相互挤兑与窜动，这就是著名的Bulk sample。
随后，Neil Armstrong在飞船另一侧采集Documented sample，而航天员Buzz Aldrin在Bulk sample采集区一带采集了两个钻孔样，这些样品一起被置于ALSRC#1004的样品袋中。该样品袋重5923g，其中石块样品粘附的细粒月壤403.5g，这些样品大多没有被仔细研究。
上述<1mm的10084重3830g，其基本组成是：66%原地玄武岩、5%红色玻璃、20%斜长岩、8%KREEP岩和1%的陨石。其平均粒度51μm，有14%的颗粒<10μm，是目前阿波罗样品中研究最详细的月壤。样品10085重569g，是ALSRC#1003筛分时>1mm的部分，也是美国首次向全球研究机构发放的研究样品。
1970年1月Science杂志发表的阿波罗11专辑上的封面，展示的就是该样品中约4mm的陨石上分布的微型撞击坑，表明了月球上撞击作用或者说太空风化作用的强烈。该样品研究的另一项重要进展是发现了来自月球高地的斜长岩，进而据此提出了著名的月球岩浆洋模型/假说。10086是用来做有机物实验的，且曾错误地被磁铁影响过，因而该样品很少有研究的报道。
从这一叙述可以看出，美国赠送给世界各国和地区的阿波罗11样品均为4个小颗粒，但粒度均>1mm，应属10085无疑，即中国台中自然博物馆目前保存的阿波罗11月岩样品应来自10085。而地质地球所保存的样品粒度<1mm，应是10002筛分出粗粒10085时的剩余细粒部分，即10084。我们期待进一步的资料能对上述推测予以证实或证伪。
关于样品的来源，我们目前还没有明确的答案。
但有以下几个细节值得我们注意。第一，这件样品标注的采集时间是1971.5.26。如果这一时间无误的话，无论是样品到达中国还是被送达原中国科学院地质研究所的时间，它都早于基辛格访华的时间；第二，正如我们前面叙述的那样，基辛格于1971年7月9日秘密访华时，赠送给中国的是阿波罗12月球样品。基辛格来华的目的，是要表达美国对建立中美外交关系的善意，他理应带来纪念意义更大的阿波罗11号样品。
因此，我们推测，该阿波罗11号样品在基辛格访华前已被美国赠送给中国政府，并继而被转送到原中国科学院地质研究所。第三，基辛格访华之前中美间最重要的交往应该是“乒乓外交”。1971年4月10~17日，参加完在日本名古屋举行的第31届世界乒乓球锦标赛的美国乒乓球代表团访问中国。该代表团是1949年中华人民共和国成立以来首批获准进入中国大陆境内的美国人，它打开了已关闭22年的中美交往的大门。
我们推测，正是通过这次乒乓球队访问，美国政府赠送给了中国阿波罗11样品，以表示改善两国关系的愿望。由于4月7日才获得访问中国的邀请，美方显然来不及制作更精致的礼品。也由于受当时双边政治气氛的影响，此次的礼品赠送也就没有留下太多的档案记录。我们期待未来的解密证实或证伪这一推测。
但无论如何，此件阿波罗11样品可能隐含着中美交往的某些重要事件。
从上面的叙述可以看出，目前我国保存有阿波罗11、12、15和17等多件月球样品。除1972年尼克松赠送的阿波罗15样品不知下落外，其它样品保存地点明确。在4件保存信息较为完整的阿波罗样品中，中国台中自然科学博物馆保存的阿波罗11月壤颗粒、中国国家博物馆保存的阿波罗12月壤颗粒和北京天文馆保存的阿波罗17玄武岩，都是明确的岩石碎屑颗粒。由于它们的礼品属性清楚，因而适合于长期展览及用于科普教育。
但是，中国科学院地质与地球物理研究所保存的阿波罗11月壤与上述其它样品有所不同。目前研究显示，该月壤主要由<1mm的细粒矿物和岩石碎屑组成，其形貌特征与我国刚刚返回的嫦娥五号月壤基本类似，但其内部具体岩石的性质、年代以及反映的月球演化历史却完全不同。由于采集于不同地点，上述阿波罗11号与嫦娥五号两件月壤样品的对比研究对解释月球的形成与演化具有极高的科学价值。
致谢
嫦娥五号返回月球样品以前，作者想当然地认为，北京天文馆的阿波罗17玄武岩是我国保存的唯一一件月球样品。地质地球所博物馆月球样品的出现，使我们开始追索我国现有阿波罗月球样品的情况。感谢尹庆柱、惠鹤九、林杨挺、杨蔚、杨翔棹等在样品追踪过程中提供的信息和给予的帮助。李献华领衔的月球研究小组，提供了地质地球所月壤样品研究的概貌，一并致谢！