地质视角看“嫦娥”
来源:国土资源报
作者:周飞飞
发布时间:2013-12-09
美丽的月亮，我们是如此熟悉，又是如此陌生。熟悉的是那亘古不变的皎洁与清冷，陌生的则是对这个星球本身的了解——它有着怎样的面貌、构成和惊心动魄的过往？
12月2日凌晨，搭载着“嫦娥三号”探测器的长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心踏火升空，迈出了中国人“上天揽月、深化月球认识”梦想征程上的又一个关键性的步伐。
这是中国探月工程“绕、落、回”三步走战略中承上启下的关键一环。如果一切顺利，承载着中国首次地外天体软着陆和巡视探测任务的嫦娥三号月球探测器，将在本月中旬登陆月球，执行多项科学任务：开展月表形貌和地质构造、月表物质成分和可用资源的调查，并进行月球等离子体层探测和月基光学天文观测。
无论是成功探月，还是研究月球，都需要地质科学作为重要支撑，于是，带着对本次探月之旅深深的自豪和浓浓的期盼，记者来到中国工程院院士赵文津位于中国地质科学院的办公室，探询地学研究领域中与探月工程相关的最新讯息。
1 深化对月球的认识，多项月球地质科研成果“新鲜出炉”
在许多地质科学家眼中，那一轮皎洁的明月，并没有多少浪漫和诗意，却充满了科学的趣味。赵文津就是一位对月球科学颇感兴趣的地球物理学家，作为国土资源部月球探测科学小组组长和国家探月二三期工程预研专家委员会委员，这几年，他把大量的时间和精力都放在了与月球及深空探测有关的科学研究中。
记者拜访他时，他办公桌上极度“写实”的月球仪旁边，正摆放着一本与探月相关的科研成果报告。原来，就在“嫦娥三号”发射的前几日，由赵文津院士总负责的《月球重点地区地质结构研究及探月新技术开发》项目刚刚结题并通过了专家评审，多项与月球地质和探月工程有关的地质科研成果恰好“新鲜出炉”。
据赵文津介绍，这一项目为中国地质调查局“科技基础工作方法及战略研究”计划项目中的一部分，由中国地质科学院组织实施。经过两年的努力，课题组利用Moon Mineralogy Mapper（M3）传感器数据，对月表物质成分进行了分析，提取了月岩信息，完成了风暴洋—雨海地区三个撞击坑M3数据1：300万矿物（橄榄石、单斜辉石、斜方辉石）填图；利用日本SELENE全月等精度卫星轨道数据，建立了国内首个全月高阶次——53阶次月球重力场模型和图件，利用美国的探月卫星轨道数据，完成了75阶阶次的月球重力场模型及月形模型；利用嫦娥一号IIM数据，获取了全月高分辨率铁、钛、镁、铝、钙、硅六大常量元素分布图；利用嫦娥二号伽马能谱建立了全月天然放射性元素铀、钍含量分布图。同时，研制了月球微型钻机模型样机，进行月岩样品年龄校核测定，选定了火星试验场和开展了火星上生物探索研究，开展了月球试验场的候选地址的选址研究，完成了《月球新观》一书的翻译出版，把20世纪国际探月成果与理论总结介绍给中国科学界。
此外，项目组还汇编和翻译出版了由中国工程院、国土资源部、中国科学院及中国航天科技集团联合发起与主办的“月球与火星探测科技高层论坛”会议文集，论坛探讨了21世纪前10年国际月球与火星探测的成果与未来行星学研究的重大科学问题，强调了要以科学引领深空探测活动。
赵文津告诉记者，目前月球地质学研究领域涉及的主要问题有月球的内部结构及大地构造，特别是月球背面岩石类型的成因，南极爱肯盆地的调查研究，月球水冰和挥发分的调查，月球的形成与演化，地月关系地月对比，以及有关月球资源的利用与开发等问题。
国土资源部2005年成立了探月地学研究科学家小组，制定了探月地学研究规划，充分发挥国土资源部在地球物理、遥感、地球化学、地质等领域的学科和人才优势，密切跟踪国际月球地学研究进展，先后开展了月球地质遥测信息综合分析研究、探月工程中有关地质科学问题研究、月球遥感数据处理预研究、火星试验场地质类比研究、国际月球数据研究与行星动态分析、月球微型钻机关键技术研究、天体地球化学研究、月岩同位素定年研究等项目，取得了一系列有关探月的科学研究初步成果，与我国及国际科学家建立了良好的合作关系。
“我国探月工程的地学目标主要集中在月球表面地形、地质、物理场测绘，月球资源探测，月球浅层及内部结构探测，月地关系研究等。我们非常有幸能够参加这一活动。我们的目标非常明确，就是应用好现有的探月数据，继续深化对月球的认识，对月地的对比研究，同时为我国探月工程的第三期‘回’乃至未来建设月球基地，提供地质科学方面的技术准备，为推进我国的深空探测研究水平作出应有的贡献。”
“当然，这些工作都仅仅是起步，还有大量工作需要我们继续钻研。”赵文津表示。
2 研制月球微型钻机，为“探月三期”采样返回作准备
我国月球探测分为“不载人探月”、“载人探月”和“建立月球基地”三个阶段。第一阶段的被命名为“嫦娥工程”的月球探测工程，可概括为“绕”、“落”、“回”三期。探月工程副总设计师贺祖明说，根据“绕”、“落”、“回”三步走战略，在实现无人探月后，我国探月工程三期将重点实现采样返回。
据透露，承担“探月三期”主要任务的“嫦娥五号”月球探测器，将搭载多种有效载荷，主要包括降落相机、光学相机、月球矿物光谱分析仪、月壤气体分析仪、月壤结构探测仪、采样剖面测温仪、岩芯钻探机和机械取样器等，对着陆区的现场进行调查和分析，并把月球样品带回地球。
赵文津表示，在月球探测，乃至在未来其他星球深空探测任务中，“采样”是一个必不可少的重要任务。特别是在外星球表面或地表以下直接钻探取得样品，无论是进行实时分析，还是将样品带回地球后再作进一步研究，都具有重要的研究价值。但是，在外星球上钻探和采样，必然会受到各种各样条件的限制，如采样装置的体积、重量、能耗的大小、特殊的环境条件（真空、高温或低温、失重）、较小的工作平台等。“可以说，采样在地球上比较容易，但在外星球上却很难！”
“我国要想实现在月球钻探取样并返回，首先要突破的就是有关月球微型钻机的关键技术，我们地质部门有几十年设计制造各种钻机的经验，应当作出自己的贡献。”赵文津强调。
迄今为止，在世界范围内只有美国和前苏联进行过月表取样。美、苏先后共向月球发射了83个探测器。美国自“阿波罗11”1969年7月20日首次实现载人登月以来，先后有12名宇航员登上了月球，共运回379.8公斤的月壤和岩石标本，自“阿波罗15”起，美国实现了宇航员操作月表钻机钻取样品和埋设传感器。前苏联也实现了在地球上用遥控月球钻机完成无人钻探取样并将样品返回地球的任务，共采集月土330.1克。
当前，欧美等深空探测的“大户”对外星球钻探、采样技术的研究仍在继续，他们正在寻求更合适的钻探采样方法和装置。例如，美国国家航空航天局及其下属的喷气推进实验室，正在致力于研究一种新型的超声波/声波钻探采样装置；德国的帕德博恩大学也在进行类似的研究，并已取得初步的成果。
据赵文津介绍，我国是2004年正式开展月球探测工程的，从那时起，俄罗斯自然科学院外籍院士、中国地质大学（武汉）教授鄢泰宁等人，便开始致力于中国的月球钻探取样前期研究。近两年，鄢教授的科研团队以我们这个地调项目为平台，在总结分析美国、前苏联月表钻探取样技术优缺点的基础上，提出了我国具有自主知识产权的月球钻探取样方案。
首先，项目组确定了月土钻探取样的难点既有能否顺利“钻入”，又有能否“无人取样”和“样品的自动封装、转移”。之后，他们针对保证取样数量（即保证长度采取率和容积采取率）、取样质量（尽量不破坏月壤结构）和自动送入返回仓等问题，提出了我国开展月表钻探取样返回工作应采用的研究方向和技术细节。
总体设计思路是这样的：用月球着陆器所带微型钻机完成回转螺旋双管快速钻进、取样，并通过接力式方案把样品内管分段封装，以体积很小的形式自动送入返回舱。
“由于月球环境复杂，研制的样机能否胜任月球的钻探工作，还必须进行大量的地表钻探试验研究工作。因为项目研究时间紧迫，目前仅完成了钻机钻具的组装调试，下一步还需进行月球微型钻机的室内模拟试验工作，实现该模型样机的既定功能。这样才能保证月球微型钻机取样的可行性。”赵文津补充说道。
3 进行月球软着陆点选址研究，力求科学成果产出最大化
如果没有意外，我们的“嫦娥三号”将于12月中旬在月球虹湾软着陆，实现首次月球软着陆和月面巡视勘察。可能许多人并不知道，探测器在月球的着陆点选址，是月球地质科学研究的关键性的一步。就像找矿一样，选错地点就找不到矿。
“世界上许多具有探月能力的国家都对月面考察场址进行了前期预先研究，从工程可行性和科学最大化角度进行过深入分析。我国自然也不例外。我们正在研究备选着陆场详细的地形地貌、物质成分、月壤厚度和孔隙度等特征，从而优选探月三期的着陆场址。这对于我国探月三期着陆器的安全和科学成果产出的最大化都具有重要的意义。”赵文津说。
据赵文津介绍，本世纪各探月国家对月球软着陆点的场址选择更加重视，尤其是美、日两个月球探测大国。美国星座计划从工程可行性、安全性和科学研究的角度提出了100个候选地点，基本涵盖了月球重要的科学研究目标。日本计划于2017年发射月亮女神-2，为了使得科学成果产出的最大化，成立了专门的着陆点选址委员会，提出了9个重点科学目标，并根据这些科学目标优选着陆点，而日本优选的着陆场也都在美国星座计划100个候选着陆场之内。
在目前的计划中，美国、日本等科学技术大国将月球着陆场选址目标集中在工程实现难度系数较大的月球南极爱肯盆地和复杂撞击坑。“考虑到上述两个地区地势平坦、位于月球背面，实现月面软着陆的工程可行性明显，同时具有重要科学意义，建议我国未来进行软着陆月球探测也能把它们作为首要的候选地址。”
“由于我国面对的是首次实现月球采样，安全性和可操作性应为第一要素，因此我国着陆场应排除月球背面、两极、复杂撞击坑等地区。”赵文津透露，基于这样的前提，课题组提出月球正面西部月海玄武岩地区的Reiner Gamma漩涡和Aristarchus火山覆盖物高地也应是未来我国月球采样探测的着陆点。
他告诉记者，从地质科学研究的角度看，撞击坑中的中心峰是研究月球深部物质成分的窗口，在克里普岩区选择条件合适的撞击坑开展软着陆探测有助于深入研究月球上很特殊的克里普岩——一种铀、钍、钾含量高又与磷、稀土元素共生的岩石。为此，项目组建议选取克里普岩区内的Copernicus、Kepler及Aristarchus三个撞击坑作为预选着陆点，并利用嫦娥一号CCD数据、LIDAR数据、Clementine UV/VIS/NIR数据从地形地貌特征、物质组成两个方面对预选点进行了初步的对比分析。
“上述三个撞击坑的物质成分分析表明，克里普岩区物质成分在垂向上存在明显变化，可作为研究月球岩石垂向变化特征的窗口。Aristarchus撞击坑东南部存在一面积约为15～20平方公里的平坦区域，有可能具备作为月球软着陆点预选点，下一步应利用高空间分辨率（米级）的数据对其地形地貌进行进一步分析。”赵文津建议。
迄今为止，人类共进行了129次月球探测活动，成功率仅51％。然而，无论有多么艰难、坎坷，人类也不会熄灭向月球、向遥远外太空进发的梦想之火。目前，国际上正处于又一个探月高潮期。美国、俄罗斯、欧盟、印度、日本以及我国都相继提出了自己的探月计划，并将在未来发射一系列的探测，以期实现在对月球更深入了解的基础之上建立月球基地。
“探月只是深空探测的第一步，未来，人类在太空的步伐将走得更远。与此相伴，发轫并植根于地质科学基础上的行星地质学也将会越来越受到重视，并在航天事业中发挥出更大的作用。”赵文津对这一点毫不怀疑。
12月2日凌晨，搭载着“嫦娥三号”探测器的长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心踏火升空，迈出了中国人“上天揽月、深化月球认识”梦想征程上的又一个关键性的步伐。
这是中国探月工程“绕、落、回”三步走战略中承上启下的关键一环。如果一切顺利，承载着中国首次地外天体软着陆和巡视探测任务的嫦娥三号月球探测器，将在本月中旬登陆月球，执行多项科学任务：开展月表形貌和地质构造、月表物质成分和可用资源的调查，并进行月球等离子体层探测和月基光学天文观测。
无论是成功探月，还是研究月球，都需要地质科学作为重要支撑，于是，带着对本次探月之旅深深的自豪和浓浓的期盼，记者来到中国工程院院士赵文津位于中国地质科学院的办公室，探询地学研究领域中与探月工程相关的最新讯息。
1 深化对月球的认识，多项月球地质科研成果“新鲜出炉”
在许多地质科学家眼中，那一轮皎洁的明月，并没有多少浪漫和诗意，却充满了科学的趣味。赵文津就是一位对月球科学颇感兴趣的地球物理学家，作为国土资源部月球探测科学小组组长和国家探月二三期工程预研专家委员会委员，这几年，他把大量的时间和精力都放在了与月球及深空探测有关的科学研究中。
记者拜访他时，他办公桌上极度“写实”的月球仪旁边，正摆放着一本与探月相关的科研成果报告。原来，就在“嫦娥三号”发射的前几日，由赵文津院士总负责的《月球重点地区地质结构研究及探月新技术开发》项目刚刚结题并通过了专家评审，多项与月球地质和探月工程有关的地质科研成果恰好“新鲜出炉”。
据赵文津介绍，这一项目为中国地质调查局“科技基础工作方法及战略研究”计划项目中的一部分，由中国地质科学院组织实施。经过两年的努力，课题组利用Moon Mineralogy Mapper（M3）传感器数据，对月表物质成分进行了分析，提取了月岩信息，完成了风暴洋—雨海地区三个撞击坑M3数据1：300万矿物（橄榄石、单斜辉石、斜方辉石）填图；利用日本SELENE全月等精度卫星轨道数据，建立了国内首个全月高阶次——53阶次月球重力场模型和图件，利用美国的探月卫星轨道数据，完成了75阶阶次的月球重力场模型及月形模型；利用嫦娥一号IIM数据，获取了全月高分辨率铁、钛、镁、铝、钙、硅六大常量元素分布图；利用嫦娥二号伽马能谱建立了全月天然放射性元素铀、钍含量分布图。同时，研制了月球微型钻机模型样机，进行月岩样品年龄校核测定，选定了火星试验场和开展了火星上生物探索研究，开展了月球试验场的候选地址的选址研究，完成了《月球新观》一书的翻译出版，把20世纪国际探月成果与理论总结介绍给中国科学界。
此外，项目组还汇编和翻译出版了由中国工程院、国土资源部、中国科学院及中国航天科技集团联合发起与主办的“月球与火星探测科技高层论坛”会议文集，论坛探讨了21世纪前10年国际月球与火星探测的成果与未来行星学研究的重大科学问题，强调了要以科学引领深空探测活动。
赵文津告诉记者，目前月球地质学研究领域涉及的主要问题有月球的内部结构及大地构造，特别是月球背面岩石类型的成因，南极爱肯盆地的调查研究，月球水冰和挥发分的调查，月球的形成与演化，地月关系地月对比，以及有关月球资源的利用与开发等问题。
国土资源部2005年成立了探月地学研究科学家小组，制定了探月地学研究规划，充分发挥国土资源部在地球物理、遥感、地球化学、地质等领域的学科和人才优势，密切跟踪国际月球地学研究进展，先后开展了月球地质遥测信息综合分析研究、探月工程中有关地质科学问题研究、月球遥感数据处理预研究、火星试验场地质类比研究、国际月球数据研究与行星动态分析、月球微型钻机关键技术研究、天体地球化学研究、月岩同位素定年研究等项目，取得了一系列有关探月的科学研究初步成果，与我国及国际科学家建立了良好的合作关系。
“我国探月工程的地学目标主要集中在月球表面地形、地质、物理场测绘，月球资源探测，月球浅层及内部结构探测，月地关系研究等。我们非常有幸能够参加这一活动。我们的目标非常明确，就是应用好现有的探月数据，继续深化对月球的认识，对月地的对比研究，同时为我国探月工程的第三期‘回’乃至未来建设月球基地，提供地质科学方面的技术准备，为推进我国的深空探测研究水平作出应有的贡献。”
“当然，这些工作都仅仅是起步，还有大量工作需要我们继续钻研。”赵文津表示。
2 研制月球微型钻机，为“探月三期”采样返回作准备
我国月球探测分为“不载人探月”、“载人探月”和“建立月球基地”三个阶段。第一阶段的被命名为“嫦娥工程”的月球探测工程，可概括为“绕”、“落”、“回”三期。探月工程副总设计师贺祖明说，根据“绕”、“落”、“回”三步走战略，在实现无人探月后，我国探月工程三期将重点实现采样返回。
据透露，承担“探月三期”主要任务的“嫦娥五号”月球探测器，将搭载多种有效载荷，主要包括降落相机、光学相机、月球矿物光谱分析仪、月壤气体分析仪、月壤结构探测仪、采样剖面测温仪、岩芯钻探机和机械取样器等，对着陆区的现场进行调查和分析，并把月球样品带回地球。
赵文津表示，在月球探测，乃至在未来其他星球深空探测任务中，“采样”是一个必不可少的重要任务。特别是在外星球表面或地表以下直接钻探取得样品，无论是进行实时分析，还是将样品带回地球后再作进一步研究，都具有重要的研究价值。但是，在外星球上钻探和采样，必然会受到各种各样条件的限制，如采样装置的体积、重量、能耗的大小、特殊的环境条件（真空、高温或低温、失重）、较小的工作平台等。“可以说，采样在地球上比较容易，但在外星球上却很难！”
“我国要想实现在月球钻探取样并返回，首先要突破的就是有关月球微型钻机的关键技术，我们地质部门有几十年设计制造各种钻机的经验，应当作出自己的贡献。”赵文津强调。
迄今为止，在世界范围内只有美国和前苏联进行过月表取样。美、苏先后共向月球发射了83个探测器。美国自“阿波罗11”1969年7月20日首次实现载人登月以来，先后有12名宇航员登上了月球，共运回379.8公斤的月壤和岩石标本，自“阿波罗15”起，美国实现了宇航员操作月表钻机钻取样品和埋设传感器。前苏联也实现了在地球上用遥控月球钻机完成无人钻探取样并将样品返回地球的任务，共采集月土330.1克。
当前，欧美等深空探测的“大户”对外星球钻探、采样技术的研究仍在继续，他们正在寻求更合适的钻探采样方法和装置。例如，美国国家航空航天局及其下属的喷气推进实验室，正在致力于研究一种新型的超声波/声波钻探采样装置；德国的帕德博恩大学也在进行类似的研究，并已取得初步的成果。
据赵文津介绍，我国是2004年正式开展月球探测工程的，从那时起，俄罗斯自然科学院外籍院士、中国地质大学（武汉）教授鄢泰宁等人，便开始致力于中国的月球钻探取样前期研究。近两年，鄢教授的科研团队以我们这个地调项目为平台，在总结分析美国、前苏联月表钻探取样技术优缺点的基础上，提出了我国具有自主知识产权的月球钻探取样方案。
首先，项目组确定了月土钻探取样的难点既有能否顺利“钻入”，又有能否“无人取样”和“样品的自动封装、转移”。之后，他们针对保证取样数量（即保证长度采取率和容积采取率）、取样质量（尽量不破坏月壤结构）和自动送入返回仓等问题，提出了我国开展月表钻探取样返回工作应采用的研究方向和技术细节。
总体设计思路是这样的：用月球着陆器所带微型钻机完成回转螺旋双管快速钻进、取样，并通过接力式方案把样品内管分段封装，以体积很小的形式自动送入返回舱。
“由于月球环境复杂，研制的样机能否胜任月球的钻探工作，还必须进行大量的地表钻探试验研究工作。因为项目研究时间紧迫，目前仅完成了钻机钻具的组装调试，下一步还需进行月球微型钻机的室内模拟试验工作，实现该模型样机的既定功能。这样才能保证月球微型钻机取样的可行性。”赵文津补充说道。
3 进行月球软着陆点选址研究，力求科学成果产出最大化
如果没有意外，我们的“嫦娥三号”将于12月中旬在月球虹湾软着陆，实现首次月球软着陆和月面巡视勘察。可能许多人并不知道，探测器在月球的着陆点选址，是月球地质科学研究的关键性的一步。就像找矿一样，选错地点就找不到矿。
“世界上许多具有探月能力的国家都对月面考察场址进行了前期预先研究，从工程可行性和科学最大化角度进行过深入分析。我国自然也不例外。我们正在研究备选着陆场详细的地形地貌、物质成分、月壤厚度和孔隙度等特征，从而优选探月三期的着陆场址。这对于我国探月三期着陆器的安全和科学成果产出的最大化都具有重要的意义。”赵文津说。
据赵文津介绍，本世纪各探月国家对月球软着陆点的场址选择更加重视，尤其是美、日两个月球探测大国。美国星座计划从工程可行性、安全性和科学研究的角度提出了100个候选地点，基本涵盖了月球重要的科学研究目标。日本计划于2017年发射月亮女神-2，为了使得科学成果产出的最大化，成立了专门的着陆点选址委员会，提出了9个重点科学目标，并根据这些科学目标优选着陆点，而日本优选的着陆场也都在美国星座计划100个候选着陆场之内。
在目前的计划中，美国、日本等科学技术大国将月球着陆场选址目标集中在工程实现难度系数较大的月球南极爱肯盆地和复杂撞击坑。“考虑到上述两个地区地势平坦、位于月球背面，实现月面软着陆的工程可行性明显，同时具有重要科学意义，建议我国未来进行软着陆月球探测也能把它们作为首要的候选地址。”
“由于我国面对的是首次实现月球采样，安全性和可操作性应为第一要素，因此我国着陆场应排除月球背面、两极、复杂撞击坑等地区。”赵文津透露，基于这样的前提，课题组提出月球正面西部月海玄武岩地区的Reiner Gamma漩涡和Aristarchus火山覆盖物高地也应是未来我国月球采样探测的着陆点。
他告诉记者，从地质科学研究的角度看，撞击坑中的中心峰是研究月球深部物质成分的窗口，在克里普岩区选择条件合适的撞击坑开展软着陆探测有助于深入研究月球上很特殊的克里普岩——一种铀、钍、钾含量高又与磷、稀土元素共生的岩石。为此，项目组建议选取克里普岩区内的Copernicus、Kepler及Aristarchus三个撞击坑作为预选着陆点，并利用嫦娥一号CCD数据、LIDAR数据、Clementine UV/VIS/NIR数据从地形地貌特征、物质组成两个方面对预选点进行了初步的对比分析。
“上述三个撞击坑的物质成分分析表明，克里普岩区物质成分在垂向上存在明显变化，可作为研究月球岩石垂向变化特征的窗口。Aristarchus撞击坑东南部存在一面积约为15～20平方公里的平坦区域，有可能具备作为月球软着陆点预选点，下一步应利用高空间分辨率（米级）的数据对其地形地貌进行进一步分析。”赵文津建议。
迄今为止，人类共进行了129次月球探测活动，成功率仅51％。然而，无论有多么艰难、坎坷，人类也不会熄灭向月球、向遥远外太空进发的梦想之火。目前，国际上正处于又一个探月高潮期。美国、俄罗斯、欧盟、印度、日本以及我国都相继提出了自己的探月计划，并将在未来发射一系列的探测，以期实现在对月球更深入了解的基础之上建立月球基地。
“探月只是深空探测的第一步，未来，人类在太空的步伐将走得更远。与此相伴，发轫并植根于地质科学基础上的行星地质学也将会越来越受到重视，并在航天事业中发挥出更大的作用。”赵文津对这一点毫不怀疑。
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