月球玻璃是月壤的重要組成部份，由月球上的火山活動、隕石撞擊、太陽風和宇宙射線輻照等一系列非平衡過程產生。產生月球玻璃的各種非平衡過程在月球的演化過程中扮演著關鍵角色，我們對月球的認識在很大程度上依賴於對這些過程的研究。月球玻璃作為這些重要過程的普遍產物可以穩定存在億萬年，他們不僅可以像地球上的琥珀一樣保存遠古年代的物質，還記錄著其形成過程和超長時間尺度下演化的重要歷史資訊。例如火山噴發產生大量細小的液滴會在快速冷卻後形成玻璃顆粒，這些火山玻璃能夠為火山活動的年齡、內部巖漿演化和月球早期的水含量提供關鍵資訊。同時，月球自誕生之日起，就不斷遭受太陽系內各種隕石的撞擊，這些尺寸分布在千米至納米範圍，速度在3至50千米每秒不等的隕石會產生不同種玻璃物質。各種撞擊相關的玻璃物質記錄了月球表面的隕石撞擊歷史，保存了隕石帶來的水、碳和磁性礦物等各種物質，是研究月球表面水的起源、太空風化機制和月球磁場演化的寶貴樣本。可以說不同成因的月球玻璃就像天然照相機一樣記錄下不同年代月球內部和表面的演化歷史，是探索月球奧秘的重要材料。
2020年12月，中國的嫦娥五號（Chang’E-5）返回器成功取回了約1.73 kg的月壤。與之前的返回樣品相比，Chang’E-5樣品來自迄今為止最年輕的月球區域，年齡約為20億年，並且位於較高的中高緯度地區，這將大大擴充套件月球研究的時空邊界。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華院士帶領的非晶團隊對Chang’E-5月壤樣品中的玻璃物質進行了系統研究 。針對月壤粉末樣品，該研究結合了掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等顯微表征手段綜合分析了月壤中玻璃/非晶物質的形態、成分和微觀結構等，發現了多種類別、不同起源的月球玻璃物質，構建了月球玻璃/非晶相的分類目錄，並從玻璃形成的角度揭示了該采樣地點較為溫和的微隕石撞擊環境和獨特的太空風化特征，也為基於月壤資源原位加工制造玻璃材料和器件提供了科學依據。此成果已經發表於 【國家科學評論】 2023年第12期，標題為 「Diverse glasses revealed from Chang’E-5 lunar regolith 」, 沈來權 副研究員和白海洋 研究員為共同通訊作者。
圖1：嫦娥五號月壤中球狀、橢球狀、啞鈴狀等形態玻璃珠
研究團隊明確了月球表面存在的液、氣、固多種轉變路徑的玻璃起源 。其中，液體冷卻產生的玻璃物質主要起源於隕石和微隕石的撞擊，包括球狀、橢球狀、啞鈴狀等規則形狀的玻璃珠、氣孔構造的膠結質和流體形態的濺射物等。氣體起源的玻璃主要為高速隕石撞擊導致的熱蒸發沈積作用在月壤顆粒表面形成的沈積非晶層。而由固體形成的玻璃則為太陽風離子註入誘導的輻照損傷破壞礦物表面晶體結構而形成的損傷非晶層。值得註意的是， Chang’E-5月壤中的玻璃物質具有一些和Apollo月壤玻璃顯著不同的特征 。首先，研究團隊在Chang’E-5月壤中首次報道了在月球表面天然形成的玻璃纖維 。這些玻璃纖維有著遠高於一般玻璃顆粒的長徑比，形成於撞擊過程中較低溫的高粘度液體的熱塑拉拔成型，相應的撞擊過程更為溫和。月球玻璃纖維的發現也說明月壤具有突出的玻璃形成能力和可加工成型特性，意味著可在月球表面就地取材利用月壤加工生產玻璃建材。另外， 研究團隊還發現Chang’E-5月壤表面的撞擊沈積非晶層遠薄於以往的月壤樣品，而且僅由Si和O組成 。這說明其對應的微隕石撞擊事件更加溫和，產生的熱蒸發氣體量更少，也不足以汽化難熔金屬元素。這些發現共同揭示了Chang’E-5采樣點獨特的撞擊環境，不僅能夠解釋Chang’E-5月壤高風化程度和低玻璃含量的矛盾，也為認識該地區月表的太空風化、光譜特征和水含量等科學問題提供啟發。
圖2：月球表面各類玻璃物質的不同起源和相應的月球活動。
來源：中國科學雜誌社微信公號
