月壤中的稀有气体

可待 ，如何从 月 岩样 品 中提 取 更多 的科 学信 息是 当 前 地学界 的责任 。总 结前 人在 月岩 稀有 气体 的研 究 工 作是 我们 进行 月岩 研究 的第 一步 ，但 是 月岩稀 有 气体 的研 究 浩如 烟海 ， 因学识 所 限 ， 文仅就 部分 工 本
作进 行简 要介 绍 ， 以期 达 到抛 砖引 玉 的效果 。
Ｎｏ ｌ ａ ｅ ｎ ｈ ｎ ｒ ｓ ｉ ｂ ｅ ｇ ｓ ｓｉ ｔ ｅ Ｌｕ ａ ｏ ｌ
ＨＥ ａ — ｕ Ｈｕ ｉｙ ，Ｗ ＡＮＧ ｎ ， ＤＥＮＧ ｅ ｇ ｌｎ ｎ Ｙｉｇ Ｃｈ ｎ —ｏ ｇ ａ ｄ ＺＨＵ — ｉ ｎ Ｒｉｘ ａ ｇ
（ ｅ Ｌｂｒｔｒ ｆ ｔｅ ａ ｈ Ｄ ｅ ｎｅｏ， ｌ ｈ ｅｏ ｅｌｇ ｎ ｏｈｓｓ Ｃ ｉ ｓ Ａ ａｅ ｙｏ ｃｎｅ， Ｂ ｉｎ １０ ２ Ｋｙ ａｏａｏｙ ｏ ｈ Ｅ ｎ ￣ ｅ Ｉｔｉｒ ￣ｔｎ ｆＧｏｏｙａ ｄＧ ｐ ｙｉ ， ｈｎ ｅ ｃｄｍ Ｓｉ ｃｓ ｅｉ ｐ ｒ ｔ ｅ ｃ ｅ ｆ ｅ ｊｇ ００９
第３ ９卷 第 ２期
２１ ０ ０年 ３月
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Ｖｏ． ９ Ｎｏ ２ ２ １３ ， ． ，１ ３—１ ０ ３ Ｍａ ． ０ ０ ｒ，２ １
月壤 中的稀有气体
贺怀 宇 王 英 ， ， 邓成龙 ， 日 朱 祥
（ 国科 学 院 地 质与 地 球 物 理 研 究 所 中 国科 学 院 地 球 深部 重 点 实 验 室 ，北 京 １０ ２ ） 中 ０ ０ ９
作 者 简 介 ：贺 怀 宇 （９ ２一） 女 ，博 士 、 １７ ， 副研 究 员 ，主 要 从 事 同 位 素地 球化 学 研 究 。
通 讯 作 者 （ ｒｅｐ ｎ ．ｇａ ｔｏ ） Ｃ０ｒｓｏ ｄ ｕｈ ｒ ：ＨＥ Ｈ ａ ｙ ，Ｅｍａ ：ｈｍｙｈ＠ ｍａ ．ｇｃｓａ． ｉ ｅ：＋８ —０８ ９ ８ １ ｍ ｕｉ ｕ － ｉ ｕ ｕ ｅ — ｌ ｉ ｉｇａ． ｃｃ ，Ｔ ｌ ｌ Ｑ ６１ ．２ ９ ４ ４
２ ０世 纪 ６ ０年 代 开 始 ，直 接 观 测 太 阳风 成 分 的研
究 较 多 ，如 Ａ ｏ ｏ ｌ Ｓ Ｅ 一ｔ ｌ ｌｓ ｓ” ｐ ｌ Ｉ 、ＩＳ Ｅ ３Ｍ 、Ｕ ｙｓ ｔ０和 ｌ ｅ
体元 素 Ｈ 、 ｅ Ａ 、 ｒ ｘ ｅ Ｎ 、 ｒ Ｋ 和 ｅ是例 外 ， 由于其化 学惰
性 和挥发 性 ， 它们在 固态 物质 中含量 稀 少 ， 且不 同 而 源 区含量 组成 差别 非常 大Ｉ 来 自太 阳对流层 的太
１ 太 阳 风 注 入 的稀 有 气 体
１ １ 太 阳 风 、太 阳高 能粒 子和银 河 宇宙射 线 ．
录 、宇 宙 射 线暴 露年 龄 、Ａ－ ｒ 年 以及 稀 有 气 体 测试 技 术 等 方 面研 究 的进 展 。 ｒ 定 Ａ
关 键 词 ：月 球；宇 宙 射 线 暴 露 年 龄 ；月 壤 ；太 阳 风 ；稀 有 气 体
中 图分 类 号 ： １４ Ｐ ９ ； ５７ Ｐ ８ ； ５ ５ Ｐ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： ３９—１ ２ （０ ０ ０ ０７ ７ ６ ２ １ ）２—０ ２ ０ １３— ８
质 子可 以穿 过相 当于 ３ ０ｇ ｃ 以上 深度 的物 质 ， ０ ／ ｍ
即相 当于 １ｍ的月 岩或 １ ５ｍ的月 壤 ，产生 次级宇 ．
壤 中 Ｈｅ的分布 情 况及 估算 其总 体含 量 均有 助于新 能源 的开 发和 利用 ，从 而 为人 类 的可持 续发展 做 出
贡献 。 Ａ ｏｌ ｐｌ ｏ和 Ｌ ｎ 月 岩样 品 ， ｕａ 以及各 种 月球 陨石 的
Ｃｏ ｍｏ ｅ ｉ ｏ ｅ ｇ ｓ ｐ ｏ ｕｃ ｄ ｉ ｕｎ ｒ ｒ ｇ ｌｔ ｙ ｉ ｔｒ ｃｉｎｓｗｉ ａａ ｔｃ ｃ ｓ ｃ ｒ ｙ ａ ｄ ｒ ｄ ｏ ｅ ｉ 。 ｓａ ｓ ｇ ｎ ｃ ｎ ｂｌ ａ ｒ ｄ ｅ ｎ ｌ ａ ｅ ｏ ｉ ｂ ｎ ｅ ａ ｔｏ ｔ ｇ ｌ ｃｉ ｏ ｍｉ ａ ｎ ａ ｉ ｇ ｎ ｃ Ａｒａ ｈ ｈ ｄ ｔｎ ｏ ｌｆ ｒｌ ｎ ｒｓ ｉ ｎｄ ｒ ｃ ｓ ａ ｅ ａｓ ｉｆｙ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ． ａ ｉ ｇ ｔｏ ｏ ｕ ａ ｏｌ ａ ｏ ｋ ｒ ｌｏ ｂｒｅ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｓ ｌ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｍｏ ｎ； ｃ ｓ ｃ ｒ ｙ ｅ ｐｏ ｕ ｅ ａ ｅ ｕ ｒｒ ｇ ｌｔ ； ｓ ｌ ｒｗｉ ｄ ｎ ｂ ｅ ｇ ｓ ｏ ｏ ｍｉ —ａ ｘ ｓ ｒ ｇ ；ｌ ｎａ ｅ ｏｉｈ ｏａ ｎ ； ｏ ｌ ａ
中赋存 有大 量 的稀有 气体 ， 要来 源于太 阳风注入 、 主 放 射性 同位 素衰 变和 宇宙 射线 作用 等过 程…。
月壤 是 指 月 球 表 面 由岩 石 碎 屑 、粉末 、晶 屑 、
演 化 ，研究 月壤 中的太 阳风组 分 可 以重建 太 阳的活 动历史 ；对放 射性 同位 素衰 变产生 的稀有 气体 的研
泼 ， 难与 其他 元素 发生 反应 ， 很 且具 有很 强 的扩 散和
迁 移 能力 ， 因此是 一 种独 特的示 踪剂 。 有气体 包括 稀 Ｈ 、 ｅ ｒ ｒ Ｘ 和 Ｒ 。但是 由于 Ｒ ｅ Ｎ 、Ａ 、Ｋ 、 ｅ ｎ ｎ是放 射性 元素 ， 衰期 很短 ， 以本 文讨 论 的稀有 气体 指 Ｈ 、 半 所 ｅ Ｎ 、Ａ 、Ｋ 和 Ｘ 。月球 极度 亏损 挥 发分 ， ｅ ｒ ｒ ｅ 但是 月壤
重 建 月壤 演化 时 间序列 的重 要 内容 。 另外 ，由于太 阳风的 注入 ，月壤 中含 有大 量 的
Ｓ 粒 子能 量 主要 在 ｋＶ量 级 ，不 足 以与 固体 Ｗ ｅ
物 质发生 核反应 ， 只能注 入表 面约 ５ ｍ深度 ； 阳 ０ｎ 太
高 能粒子 和 Ｇ Ｒ 中原子序 数大 于 ２ Ｃ ０的重 核 子可 以
Ｃ ｉａ ｈｎ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｍｏ ｎ ｉ ｈ ｇ ｌ ｅ ｌ ｔｄ ｉ ｏ ａ ｉ ｌ ｍｅ ｔ． Ｏ ｈ ｔ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｌ ｎ ｒｒ ｇ ｌ ｈ ｃ ｎ ａｎ ａ ｇ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｏ ｓ ｉｈ ｙ ｄ ｐ ｅ ｅ ｎ ｖ ｌｔ ｅ ｅｅ ｎ ｓ ｎ ｔ ｅ ｏｈ ｒｈ ｎ ， ｈ ｕ ａ ｅ ｏ ｉ ｏ ｔｉ ｓ ｌｒ ｅ ｌ ｔ
究 ， 以测定 月岩 的形成 时代 ， 可 并反 演经 历的热 事件
撞 击熔 融玻 璃等 组成 的未 固结 的物 质 的统称 ，以粒
径 小 于 １ｍｍ 的颗 粒 为主 ，平 均 粒度 在 ６ ０～８ Ｏ岬 之间 。 。月球 上基 本无 水 、 大气 ， 面有很 大温 无 表
及其热 历史 ；对 宇宙射 线作 用产生 的稀 有气 体进行
宙 射线 ， 与 其 中 ０、 、 ｉ Ａ 、 ａ Ｆ 并 Ｍｇ Ｓ、 １ Ｃ 、 ｅ和 Ｎ 等元 ｉ 素 发生作 用 ， 生稳 定核 素和放 射性 核 素 ， 产 测定 这些 宇 宙射线 成 因 的核 素 可 以计 算样 品停 留在 月 表 １ ～
２ｍ 的 时 间 ， 即宇宙射 线暴 露年 龄 。 阳宇 宙射线 只 太 能 穿透几个 厘米 的深度 ，而 且其 能量不 足 以产生 次 级宇 宙射 线 ， 因此 ， 了直接 暴露 在月表 的样 品 ， 除 一 般不考虑 太 阳宇宙 射线成 因 的核素 …】 。 １ ２ 太阳 风注 入月壤 的稀 有气体 ． 太 阳系是 由太 阳星 云凝 聚形成 的 ，因此物 质混 合较 均匀 ，各 星子 的 同位 素组 成 比较接 近 ，Ｃ 型碳 Ｉ 质球 粒 陨石 的元 素 丰度也 与 太 面形 成和演 化 历
史、 近地 空 间小行 星撞 击历 史 等 的重要 内容 ， 更是 解 译 几 十 亿 年 以来 太 阳风 演 化 的 惟 一 可行 途 径 。 目 前 ， 国嫦 娥 计划 正顺 利进 行 ， 我 月岩 样 品返 回也指 日
壤 的平 均厚度 为 ４～ 月球 高地 月壤 的平均厚 度 ５ｍ，
为 １ ０～１ 。 ５ｍ
由于没 有大 气的遮 挡 ， 也没有 磁场屏 蔽保 护 ， 在
过去 的几十亿 年 中 ，太 阳风 粒子不 断直 接注入 月壤
中 ， 而使得 这些 细小 的颗粒 中富 集太 阳风组 分。 从 因 此 ，月 壤完整 地记 录 了太 阳在月壳 形成后 的 活动和
ａ ｕ ｔ ｏ ｏ ｌ ａ ｌｎｅ ｙｔｅｓ ｌｒｗ ｎ ， ｗ ｉｈｓ ｒｅ ｓｐ ｅ ｉｕ ｒｈ ｖ ｓｏ ｅＳ ｎ￣ｒｄａｉｎ ｈｓ ｒ． ｍｏ ｎｓ ｆ ｂｅｇ ｓｉ ａ ｔｄ ｂ ｈ ｏａ ｉｄ ｎ ｍｐ ｈｃ ｅｖ ｓａ ｒｃｏ ｓａｃ ｉｅ ｆｔ ｕ ＇ ａ ｉｔ ｉ ｏｙ ｈ ｏ ｔ
收 稿 １期 （ ｃｉｅ ） ２ １ ５ Ｒｅｅｖｄ ： ０ ０一Ｏ —０ ；改 回 日期 （ ｖｓｄ ： ００一Ｏ ２ ；接 受 日期 （ ｃｐｅ ） ２ １ １ １ ８ Ｒｅｉ ） ２ １ ｅ １— ０ Ａｃｅｔｄ ： ０ ０—０ —２ １ ０
基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 （０ １０ ０， ０ ２ ０ １ ９７ ４ １ ４ ８ １９ ）
Ｈ Ｅ Ｈｕ －ｕ ｅ １ ： Ｎｏ ｅ ｇ ｓ ｓ ｉ ｈ ｎ ｏｉ ａｉｙ ｔａ ． ｂｌ ａ ｅ ｎ ｔｅ Ｌｕ ａｒｓ ｌ
膨 砧 ｆ
２１ ０ ０年
测 定 ， 以计算 月壤 颗粒 暴 露在 宇宙射 线 中 的时 间 ， 可 估 算 月壤 的溅 射年 龄 ］ 因此 ， 有气 体 的研究 也是 。 稀
在 硅酸盐 矿物 中留 下径 迹 ，成为 测量 样 品暴 露 在 月 ． 表时 间 的一 种 方法 ‘ 。Ｇ Ｒ 中能 量 大 于 ５Ｍ Ｖ 的 】 Ｃ ｅ
Ｈ， ｅ 是人 类 将来 可 长期使 用 的 、 清洁 、 安全 和高 效 的
可控 核聚 变发 电 的燃 料 ］ 。对 于能源 极度 匮乏 的地 球来说 ，这无疑 让 人类 看到 了 光 明的前景 。研 究月
差， 同时还受 到太 阳风 、 宙射 线 、 宇 陨石 和微 陨石等
０ 引 言
稀有 气体 在地球 上含 量稀 少 ，化学 性质很 不 活
的轰击 作用 ，以上种种 物理 因素使 得月 球表 面的岩
石 碎裂 形成 月壤 。随着 月球 表面地 形 的变化 ，月球 表 面 的月 壤厚 度 是 不均 一 的 。据 推测 月 球正 面 （ 与 地 球 正对 的 面） 的月壤厚 度 比背 面小 ， 海盆 地月 月
行 星 际空 间 的粒 子 辐射 主要 是太 阳 风 、太 阳高
能 粒子 和银 河 宇宙射 线 。太 阳风 （ｏ ｒ ｉｄ ｓｌ ｎ ，简称 ａｗ
阳风记 录了太 阳的稀有气 体组 成 ，是推 测太 阳星 云 Ｈ 同位 素组 成 、 构建 元素形 成 演化 的基础 ， 有助 于我 们 理解 太 阳与 太 阳 系的形 成 与演 化 Ｉ ｌ 。因 此 ， 从
摘
要 ：月 球极 度 亏损 挥 发 分 ， 是 月 壤 中赋存 有 大 量 的稀 有 气体 ，主要 来 源 于 太 阳 风 注入 、 宙 射 线 作用 和 放 射 但 宇
性 同 位 素衰 变等 过 程 。月 岩 和 月壤 样 品 的稀 有 气 体研 究 ， 仅 是 获取 月 球 表 面 形 成和 演 化 历 史 、 地 空 间 小 行 星撞 不 近 击 历 史 等 的重 要 内容 ， 是 解译 ４ 更 ０亿 年 以来 太 阳风 演 化 的 惟一 可行 途 径 。 本 文 主要 介 绍 月 岩和 月 壤 中的 太 阳 风记