综述：月壤颗粒大小：从阿波罗到嫦娥

《Earth-Science Reviews》：Lunar soil particle size: from Apollo to Chang'e

　　月壤颗粒粒径从阿波罗到嫦娥任务的研究回顾局部地质背景显著调节月壤粒径，其影响超出暴露时间的范畴嫦娥样品对经典阿波罗时代土壤粒径-成熟度模型提出挑战引言月球表面覆盖着一层未固结的碎屑物质，称为月表风化层，其小于1厘米的部分通常被定义为月壤（McKay等，1991）。该层由空间风化作用形成，包括反复撞击、太阳风注入、宇宙射线辐照以及极端热循环（Shoemaker等，1970；Dainty等，1974；McKay等，1991；Plescia等，2023；Thompson等，1979；Wiggins等，2019）。作为月球科学的主要研究对象，月壤保存着地球-月球演化的关键信息，对未来原位资源利用也至关重要。粒径分布（PSD）是月壤最基础且易于测量的性质之一，控制其物理特性并记录其形成和演化历史（Blott和Pye，2001；Carrier III，1973、2003；Folk和Ward，1957；Basu和McKay，1995；Langevin和Nagle，1980；Lindsay，1973）。阿波罗和Luna任务（20世纪60年代末至70年代初）返回的月壤样品主要由小于1毫米的颗粒组成（大多数样品中占90%以上）（McKay等，1991）。基于该粒径分数的频率数据建立了一系列月壤演化模型，揭示了撞击破碎、撞击碎屑形成与破坏以及混合过程在土壤演化中的关键作用（Butler和King，1974；King，1977；McKay等，1974；Mendell和McKay，1975；Lindsay，1972、1974a、1974b、1975、1976）。由于月壤粒径参数高度依赖于撞击能量，它们常被用作土壤成熟度的指标（Lucey等，2000；McKay等，1974；Morris，1976）。此外，它们也是岩土工程、沉积学和地球化学等学科中月壤分类的基础（Carrier III，1973、2003；Taylor等，2001、2010）。此外，月壤的粒径分布影响其压实状态、孔隙率和密度，从而改变其力学、热学、光学和电学性质（Nie等，2023、2025；Slyuta，2014；Monkul和Dacic，2017；Hapke，2012；Carrier等，1991；McKay等，1991）。这些物理性质进而决定了地面操作工程设计的安性和原位资源利用的效率（例如：Bao等，2024；Lin等，2024；Tang等，2020；Zhang等，2022a）。然而，这些早期阿波罗样品存在显著的空间和时间局限性。它们主要来自月球近侧低纬度地区古老的地质单元（大于3.0 Ga）（图1a），缺乏对月球年轻地质单元或月球背面复杂空间风化环境的代表性。这种取样偏差表明，经典粒径模型可能无法准确解释全球尺度的月壤演化，留下了一个持续半个世纪的科学空白。例如，基于阿波罗样品的早期研究表明，平均粒径随暴露时间呈线性减小（Duke等，1970；Lindsay，1971；McKay等，1972、1974；Quaide等，1971；King，1977）。然而，后续研究发现粒径与暴露时间之间的相关性较差（例如：Lucey等，2000）。仍有几个关键问题未得到解决，包括：粒径是否能可靠指示暴露年龄；特定的粒径分布模式（例如双峰分布）是否具有独特的成因意义；粒径随深度的变化如何反映月壤的耕种历史；以及矿物学和化学组成与粒径之间的相关性。嫦娥五号/六号与阿波罗样品的对比研究将为这些问题提供新的见解。2020年12月，嫦娥五号（CE-5）在月球近侧风暴洋的静海区域采样（图1b）。它返回了迄今为止最年轻的月海玄武岩样品（约2.0 Ga，Li等，2021），为研究年轻月壤的快速演化提供了宝贵材料。CE-5着陆点附近的局部地形以小撞击坑密度相对较低为特征（图1c）。采集的表面土壤呈现单峰粒径分布，表明主要由长期再加工的本地物质主导，外来污染较少（Li等，2022）。随后，2024年6月，嫦娥六号（CE-6）实现了人类首次月球背面采样的历史突破。其样品年龄比嫦娥五号老但比阿波罗系列样品年轻（约2.8 Ga，Zhang等，2025b）。嫦娥六号（CE-6）着陆点位于阿波罗盆地南部的玄武岩单元内，而阿波罗盆地位于广阔的南极-艾特肯（SPA）盆地内部（图1d）。该地点周围的地形密集分布着新鲜的小撞击坑（图1e）。采集的样品表现出独特的双峰粒径分布，表明外来物质与本土物质的混合（例如：Li等，2024）。本文通过综合阿波罗时代的经典理论与嫦娥五号和六号任务的最新发现，系统回顾了月壤粒径研究的进展。第2节重点阐述了粒径在月球科学四个关键领域的重要性。第3节评估了粒径分布测量的主要分析技术和统计方法。第4节总结了嫦娥任务带来的新见解和意义。最后，第5节概述了未来研究方向，并在第6节给出了全面的结论。章节摘要约束月壤的形成与演化历史粒径分布（PSD）的统计尺寸参数（例如平均粒径、分选性、峰度和众数粒径）能够定量表征月壤的演化阶段和暴露历史。基于这些尺寸参数，已建立了一系列经典的月壤演化模型，揭示了从新鲜岩石碎屑转变为成熟月壤的主要动力学过程。分析技术粒径的定义取决于所采用的测量技术。在阿波罗和Luna任务期间，筛分是主要方法（例如：Butler和King，1974；Heiken和McKay，1974；Lindsay，1973）。相比之下，近年来嫦娥五号和六号等任务越来越多地采用激光衍射、自动图像分析和X射线微计算机断层扫描（micro-CT）（例如：Cao等，2022；Li等，2022、2024；Luo等，2026；Qi等，2025；Wu等，2025；Zhang等）嫦娥五号、嫦娥六号与阿波罗样品粒径分布对比嫦娥五号任务采集的铲取样品中大于1厘米的碎屑很少。对样品CE5C08的分析显示，大多数颗粒小于500微米。检测限为1微米时，95%的颗粒（按数量计）落在1.40-9.35微米范围内，平均直径为3.96微米（Li等，2022）。这种基于数量的分布与样品CE5C04和CE5C06一致（Cao等，2022；Zhang等，2022b）。就质量加权分布而言，样品CE5C04显示中位直径...未来展望嫦娥五号和六号样品的返回促进了粒径研究向多学科、综合方法的转变。月壤是一个复杂的、多组分系统，包含来自不同来源和演化阶段的物质（Lindsay，1974a）。尽管具有这种复杂性，粒径分布模式和颗粒形态编码了关于月壤形成和演化历史的重要信息。未来研究应超越单纯量化颗粒属性（例如...）结论从阿波罗到嫦娥任务，月壤粒径研究已从基础描述发展为一门多学科交叉领域。研究表明，粒径分布记录了月壤的形成和沉积历史，并控制其物理和工程性质。嫦娥五号和六号样品的最新分析揭示，与阿波罗样品相比，它们表现出独特的粒径分布、组成特征和物理性质。具体而言，嫦娥六号土壤表现出...利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。致谢本研究得到国家自然科学基金（批准号42371384）的资助。我们衷心感谢所有合作者做出的贡献和有价值的讨论。我们也感谢编辑和审稿人的建设性意见，这些意见大大提高了本论文的质量。吴文辉|任鑫|肖志勇|陈兆鹏|张红波|罗傲|张子涵|张静静|田任豪|崔一飞